八位半數字多用表的研制

劉遠東深圳信息職業技術學院

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八位半數字多用表的研制

劉遠東
深圳信息職業技術學院

摘要：文章論述了國內外八位半數字多用表的生產狀況。詳細論述八位半數字多用表技術指標、設計原理和線路。系統地分析論證測量直流電壓、直流電流、電阻、交流電壓、交流電流和交流頻率的原理的測量誤差，并且給出具體器件的選擇，也闡述了研制八位半數字多用表的技術特點以及與國外的差距。

關鍵字：數字萬用表 單片機 八位半

八位半數字多用表有著極高的準確度和穩定性，在精密測量領域里有著重要地位，但是目前國內沒有生產八位半數字多用表的廠家，國外也只有美國的福祿克、安捷倫和吉時利三家公司生產。我們自行研制八位半分辨率多用表，即可以解決我國科研需要，提高科研自主創新能力，又能節省外匯、促進我國經濟發展。我們利用普通的元器件，研制出高不確定度的八位半數字多用表，為我國高端測量儀器國產化提供了技術典范。

1　主要技術指標

（1）測量直流電壓。OmV～1100V，分為200mV、2V、20V、200V、1000V五個量程。最優

不確定度：0．0002%讀數+0．0001%量程。最高分辨率八位半。

（2）測量直流電流。01xA．22A，分為2釁、20“Al200rtA，2mA、20mA、200mA、2A、20A）八個量程。最優不確定度：0.0005%讀數+0.0002%量程。最高分辨率八位半。

（3）測量電阻范圍。0f卜22Mfl，分為2Q、20Q、200f2、2kQ、20kQ、200k．Q、2MQ、20MQ、

200Mf2九個量程。最優不確定度：0．0005%讀數士O．0002%量程。最高分辨率八位半。

（4）測量交流電壓。10mV～1100V，分為200mV、2V、20V、200V、1000V五個量程。最優不確定度：O．02%讀數+O.01%量程。最高分辨率七位半。

（5）測量交流電流。20uA--22A，分為2000a、2mA、20mA、200mA、2A、20A六個量程。最優不確定度：0．02%讀數+0．01%量程。最高分辨率七位半。

（6）測量頻率范圍。10Hz～100MHz。最優不確定度：0．0004%讀數。測量閘門時間為（Is、10s、100s）+1個信號周期。最高分辨率九位。

2　技術特點

（1）在國內J，l-Jk位半數字萬用表中，指示指標最高、成本低。

（2）直流電流量程寬、分辨率高。

（3）電阻量程寬，增加2Q電阻量程。

（4）交流測量準確度和分辨率高（ACV、ACI）。

（5）頻率范圍寬，最高可達100MHz。

（6）等精度測頻，在0．01Hz～100MHz準確度

（7）溫度系數小。

3　整體方案設計

主要由A/D轉換器、單片機系統、電源系統、直流電壓測試、交流電壓測試、直流電流測試、交流電流測試、電阻測試和頻率測試等九大部分組成。數字萬用表測試電路的最終目的是將被測的各種信號，包括直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流和電阻轉換成一定關系的直流電壓信號，并將這些信號通過放大、衰減等調理方式使其正處于A／D轉換器的輸入范圍內。單片機系統讀到A／D轉換器的數值之后，經過相應的處理（乘以系數和量程等）后送到顯示器顯示出來，頻率測量是經過計數器測出頻率由單片機直接讀出，然后經過數據處理后顯示出來。單片機系統是整個數字萬用表的控制中樞，根據輸入鍵完成相應的測量工作，顯示測量結果。供電系統為整個數字萬用表提供相應的高質量電源，從而保證數字多用表正常工作。

4　部分電路原理

4.1 A／D轉換器

A／D轉換器是數字多用表的技術關鍵。目前A／D轉換器的種類很多，有間接轉換型和直接轉換型兩大類，集成的產品相當繁多。轉換分辨率高的有積分型和∑．△調制型，積分型A／D集成轉換器最高分辨率有5位半，∑一△調制型A／D集成轉換器最高分辨率有24位二進制的，但是線性度和噪聲大，不能滿足本項目要求。國外八位半數字多用表如美國福祿克8508A等都用多重積分式彤D轉換器，具有分辨率高、線性度好等特點，能夠滿足八位半數字多用表的要求。所以本項目采用多重積分式A／D轉換器。該轉換器集數字邏輯控制技術、低噪聲低漂移模擬技術、高精度恒流源控制技術等多項技術于一體并有機融合的專有技術。此項目已經申請國家發明專利，總體不確定度為0．3PPM讀數+0．1PPM量程。

4.2 基準電壓源

直流基準源是技術關鍵之一，是整個系統的關鍵，是本系統的基礎部分，其它部分測量準確度是由其決定的。其準確度要求優于0．2PPM，本項目采用我們專利技術研制的恒溫直流電壓基準，輸出電壓穩定性優于0．05PPM／天，能夠滿足要求。

4.3 直流電壓測量

直流電壓測量范圍很寬，從OmV到lIOOV，不能在一個量程內完成全部測量，設計中將直流電壓分為200mV、2V、20V、200V、lOooV五個量程。通過分壓電路使20V到1000V電壓衰減到2V，200V經過十倍放大器放大到2V，然后這些信號通過繼電器切換到刖D轉換器中轉換成數字量，再通過單片機系統處理即可顯示出被測電壓的值。

當量程選在1000V時，J4繼電器合上，Jl繼電器斷開，J5繼電器合上，被測直流電壓通過四個電阻接到地上，從J4繼電器輸出的信號被衰減了1000倍（10U10M）變成2V以內，這是運放OPAl88由于J5合上變成了射隨器，放大倍數為1，這個信號經過OPAl88送到A／D轉換器進行測量。當量程選在200V、20V時，信號處理與1000V相同，這時量程繼電器分曼JIJj3、J2合上，相應衰減倍數為100倍和10倍。當量程選在2V時，Jl繼電器合上，被測直流電壓直接進OPAl88同相端，這時繼電器J5仍然合著，放大倍數為1，直接到A／D轉換器進行測量。當選擇200mY量程時，繼電器J1合，繼電器J5開，這時運放OPAl8是同相放大器，放大倍數為10倍，200mY信號被放大到2V。從上面分析可以看出，不論輸入被測信號多大，最后都變成（0～2v）信號到A/D轉換器進行測量。從上面分析可以看出，被測電壓以為A／D轉換器值他再乘以量程系數K。

當多用表正常運行時，機箱內溫度最大變化很大，為了保證技術指標，把運放和分壓電阻放在小恒溫箱中，恒溫箱的溫度變小于0．01℃。使用電阻溫度系數為0．05PPM／℃。運放OPAl88為斬波自穩零運放，其輸入電壓噪聲為0．259V，輸入失調電壓溫度系數為0．039V／C。通過以上分析測量誤差，小于數字多用表的要求誤差，故能滿足多用表的要求。

4.4 直流電流測量

直流電流測量是通過電阻把直流電流信號轉換成直流電壓信號，再到～D轉換器測量。當選擇200mA到200uA量程時，其相應繼電器合上，同時J8合上，200mA至1］200釁轉換成2V電壓，通過射隨器OPAl88到A／D轉換器進行測量。當選擇2A量程時，J6斷開，J9合上，電壓放大10倍送到A／D轉換器。當選擇20A量程時，J8、J9斷開，J1合上，電壓信號放大100倍送到合上，同時J8合上，200mA至U20CI心轉換成2V電壓轉換器。把取樣電阻、運算放大器放在恒溫箱中，溫度變化小于0.0l℃，從上述電路可以看出，在200mA

至U200pA量程測量電路誤差與測量直流電壓一樣，但2A 和20A量程取樣電阻小，放大倍數大，取樣電阻本身漂移大，會帶來額外誤差。

4.5 交流電壓測量

交流電壓測量是測量出有效值。4位半以下多用數字表常采用平均值測量法，測量電路簡單，當波形失真大時準確度會降低。有效值測量有許多方法，常用的是高速取樣式和運算式。高速取樣式是根據有效值定義，對交流電壓進行高速取樣，然后通過計算機計算出來，這種方法要求個別測量的信號重復性好，對A／D轉換器和計算機要求高。另一種常用方法是運算式。運算式可以由運算放大器完成。還有集成式有效值轉換器，應用比較簡單。交直流轉換器是另外一個技術難點。高準確度交直流轉換器是保證測量交流電壓、電流的基礎。從目前廣泛使用的交直流轉換器看有運算式和熱電式兩種。真有效值運算式交直流轉換器具有速度快、準確度高等特點。本系統采用真有效值運算式交直流轉換器，從而保證交流測量的準確度。

應用我們研制的專利技術“運算式有效值交直流轉換器”，最優不確定度：0．02%讀數+O．01%量程。交流電壓的測量范圍是1100V～20mV，分為1000V、200V、20V、2V、200mV五個量程，對大于2V信號進行衰減，對小于2V信號進行放大。在量程為1000V、200V、20V、2V、200mV時，繼電器兒、J2、J3、J4、J5分別閉合，運放的放大倍數分別是一0．001、一0.0l、0、1、—l和一10，運放采用寬帶運放，可以保證頻響。把運放和電阻放在恒溫箱中，通過與直流電壓測量一樣的分析，這部分的測量不確定度為1PPM。交流信號通過上述電路進入到交直流轉換器，變成直流信號后到～D轉換器進行測量。交流電壓的測量不確定度是由輸入衰減器、交直流轉換器和A／D轉換器三部分不確定度合成的，交流電壓的測量不確定度為從上述分析可以看出，交流電壓測量的不確定度主要取決于交直流轉換器的不確定度，所以提高交流電壓測量的不確定主要是要提高交直流轉換器的不確定度。

4.6 交流電流測量

交流電流測量是將交流電流轉化成交流電壓后輸入到交直流有效值轉換器轉化成直流電壓，分析方法同交流電壓，交流電流測量為0。02%。

4.7 電阻測量

電阻測量是在被測電阻加上電流再測量電阻兩端的電壓，其測量誤差主要由電流誤差和直流電壓測量誤差兩部分組成。電阻測量電路如圖5所示：由雙運放組成的恒流源電路，輸出電流厶加到被測量電阻Rx，Rx的電壓以加至IJA／D轉換器測量出電壓值，再除以電流計算出被測電阻阻值。

4.8 交流頻率測量

傳統測量頻率的方式有量化誤差，隨著測量頻率不同誤差也不一樣。我們采用多周期同步測量技術可以消除被測量信號的量化誤差。在0．01Hz～100MHz范圍實現等準確度測量頻率。設閘門時間為1s，當閘門為高時，經反相器輸到D觸發器預置端使Q輸出高電平，這個高電平把與門打開，被測信號通過與門加到計數器計數。當1S閘門時間到時，PR解除預置，D門輸入端為低電平，這時如果磊沒有信號，D觸發器保持為高電平，當來一個磊信號，D觸發器發生反轉，Q=D，Q輸出低電平，與門關閉，計數器不計數，這時由計算機讀計數器值，可以計算出被測信號fx的值。

5　總結與展望

我們的樣機與帶有校準證書的美國福祿克8508A數字多用表通過標準源進行比對測試，達到了設計要求。與國外產品相比，我們設計的八位半數字多用表還缺少自動校準和自動測試功能，計劃在產品中試階段增加這兩項功能，提高產品的可靠性和智能化水平，縮小與國外產品的差距。

參考資料

［1］劉勇．HP3458A數字萬用表電子校準技術［J］．電子測量技術，1993（3）：39-45．