八位半數(shù)字多用表的研制

劉遠(yuǎn)東深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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八位半數(shù)字多用表的研制

劉遠(yuǎn)東
深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

摘要：文章論述了國內(nèi)外八位半數(shù)字多用表的生產(chǎn)狀況。詳細(xì)論述八位半數(shù)字多用表技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計原理和線路。系統(tǒng)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(shù)字多用表的技術(shù)特點(diǎn)以及與國外的差距。

關(guān)鍵字：數(shù)字萬用表 單片機(jī) 八位半

八位半數(shù)字多用表有著極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，在精密測量領(lǐng)域里有著重要地位，但是目前國內(nèi)沒有生產(chǎn)八位半數(shù)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(chǎn)。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(chuàng)新能力，又能節(jié)省外匯、促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我們利用普通的元器件，研制出高不確定度的八位半數(shù)字多用表，為我國高端測量儀器國產(chǎn)化提供了技術(shù)典范。

1　主要技術(shù)指標(biāo)

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

不確定度：0．0002%讀數(shù)+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(yōu)不確定度：0.0005%讀數(shù)+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(yōu)不確定度：0．0005%讀數(shù)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(yōu)不確定度：O．02%讀數(shù)+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(yōu)不確定度：0．02%讀數(shù)+0．01%量程。最高分辨率七位半。

（6）測量頻率范圍。10Hz～100MHz。最優(yōu)不確定度：0．0004%讀數(shù)。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(shù)特點(diǎn)

（1）在國內(nèi)J，l-Jk位半數(shù)字萬用表中，指示指標(biāo)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(zhǔn)確度和分辨率高（ACV、ACI）。

（5）頻率范圍寬，最高可達(dá)100MHz。

（6）等精度測頻，在0．01Hz～100MHz準(zhǔn)確度

（7）溫度系數(shù)小。

3　整體方案設(shè)計

主要由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、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(shù)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(zhuǎn)換成一定關(guān)系的直流電壓信號，并將這些信號通過放大、衰減等調(diào)理方式使其正處于A／D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)。單片機(jī)系統(tǒng)讀到A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)值之后，經(jīng)過相應(yīng)的處理（乘以系數(shù)和量程等）后送到顯示器顯示出來，頻率測量是經(jīng)過計數(shù)器測出頻率由單片機(jī)直接讀出，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示出來。單片機(jī)系統(tǒng)是整個數(shù)字萬用表的控制中樞，根據(jù)輸入鍵完成相應(yīng)的測量工作，顯示測量結(jié)果。供電系統(tǒng)為整個數(shù)字萬用表提供相應(yīng)的高質(zhì)量電源，從而保證數(shù)字多用表正常工作。

4　部分電路原理

4.1 A／D轉(zhuǎn)換器

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

4.2 基準(zhǔn)電壓源

直流基準(zhǔn)源是技術(shù)關(guān)鍵之一，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其它部分測量準(zhǔn)確度是由其決定的。其準(zhǔn)確度要求優(yōu)于0．2PPM，本項(xiàng)目采用我們專利技術(shù)研制的恒溫直流電壓基準(zhǔn)，輸出電壓穩(wěn)定性優(yōu)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(nèi)完成全部測量，設(shè)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(jīng)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(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過單片機(jī)系統(tǒng)處理即可顯示出被測電壓的值。

當(dāng)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(nèi)，這是運(yùn)放OPAl88由于J5合上變成了射隨器，放大倍數(shù)為1，這個信號經(jīng)過OPAl88送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。當(dāng)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(yīng)衰減倍數(shù)為100倍和10倍。當(dāng)量程選在2V時，Jl繼電器合上，被測直流電壓直接進(jìn)OPAl88同相端，這時繼電器J5仍然合著，放大倍數(shù)為1，直接到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。當(dāng)選擇200mY量程時，繼電器J1合，繼電器J5開，這時運(yùn)放OPAl8是同相放大器，放大倍數(shù)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(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。從上面分析可以看出，被測電壓以為A／D轉(zhuǎn)換器值他再乘以量程系數(shù)K。

當(dāng)多用表正常運(yùn)行時，機(jī)箱內(nèi)溫度最大變化很大，為了保證技術(shù)指標(biāo)，把運(yùn)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(shù)為0．05PPM／℃。運(yùn)放OPAl88為斬波自穩(wěn)零運(yùn)放，其輸入電壓噪聲為0．259V，輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0．039V／C。通過以上分析測量誤差，小于數(shù)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(zhuǎn)換成直流電壓信號，再到～D轉(zhuǎn)換器測量。當(dāng)選擇200mA到200uA量程時，其相應(yīng)繼電器合上，同時J8合上，200mA至1］200釁轉(zhuǎn)換成2V電壓，通過射隨器OPAl88到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。當(dāng)選擇2A量程時，J6斷開，J9合上，電壓放大10倍送到A／D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)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(zhuǎn)換成2V電壓轉(zhuǎn)換器。把取樣電阻、運(yùn)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(shù)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(shù)字表常采用平均值測量法，測量電路簡單，當(dāng)波形失真大時準(zhǔn)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(yùn)算式。高速取樣式是根據(jù)有效值定義，對交流電壓進(jìn)行高速取樣，然后通過計算機(jī)計算出來，這種方法要求個別測量的信號重復(fù)性好，對A／D轉(zhuǎn)換器和計算機(jī)要求高。另一種常用方法是運(yùn)算式。運(yùn)算式可以由運(yùn)算放大器完成。還有集成式有效值轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用比較簡單。交直流轉(zhuǎn)換器是另外一個技術(shù)難點(diǎn)。高準(zhǔn)確度交直流轉(zhuǎn)換器是保證測量交流電壓、電流的基礎(chǔ)。從目前廣泛使用的交直流轉(zhuǎn)換器看有運(yùn)算式和熱電式兩種。真有效值運(yùn)算式交直流轉(zhuǎn)換器具有速度快、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用真有效值運(yùn)算式交直流轉(zhuǎn)換器，從而保證交流測量的準(zhǔn)確度。

應(yīng)用我們研制的專利技術(shù)“運(yùn)算式有效值交直流轉(zhuǎn)換器”，最優(yōu)不確定度：0．02%讀數(shù)+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(jìn)行衰減，對小于2V信號進(jìn)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(yùn)放的放大倍數(shù)分別是一0．001、一0.0l、0、1、—l和一10，運(yùn)放采用寬帶運(yùn)放，可以保證頻響。把運(yùn)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(jìn)入到交直流轉(zhuǎn)換器，變成直流信號后到～D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(zhuǎn)換器和A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化成交流電壓后輸入到交直流有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(yùn)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(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)可以消除被測量信號的量化誤差。在0．01Hz～100MHz范圍實(shí)現(xiàn)等準(zhǔn)確度測量頻率。設(shè)閘門時間為1s，當(dāng)閘門為高時，經(jīng)反相器輸?shù)紻觸發(fā)器預(yù)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(shù)器計數(shù)。當(dāng)1S閘門時間到時，PR解除預(yù)置，D門輸入端為低電平，這時如果磊沒有信號，D觸發(fā)器保持為高電平，當(dāng)來一個磊信號，D觸發(fā)器發(fā)生反轉(zhuǎn)，Q=D，Q輸出低電平，與門關(guān)閉，計數(shù)器不計數(shù)，這時由計算機(jī)讀計數(shù)器值，可以計算出被測信號fx的值。

5　總結(jié)與展望

我們的樣機(jī)與帶有校準(zhǔn)證書的美國福祿克8508A數(shù)字多用表通過標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行比對測試，達(dá)到了設(shè)計要求。與國外產(chǎn)品相比，我們設(shè)計的八位半數(shù)字多用表還缺少自動校準(zhǔn)和自動測試功能，計劃在產(chǎn)品中試階段增加這兩項(xiàng)功能，提高產(chǎn)品的可靠性和智能化水平，縮小與國外產(chǎn)品的差距。

參考資料

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