數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計實驗教學(xué)模式探討

陳 鵬 楊 陽 馮學(xué)超 王海燕 石 開 謝羅剛 蔣逢春

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計實驗教學(xué)模式探討

陳 鵬 楊 陽 馮學(xué)超 王海燕 石 開 謝羅剛 蔣逢春

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

在大學(xué)物理課程及實驗教學(xué)中開設(shè)數(shù)字電表原理及應(yīng)用技術(shù)實驗，對傳統(tǒng)電表的改裝校準(zhǔn)實驗進行教學(xué)模式改革，內(nèi)容更新穎，可操作性、實用性更強。并且將數(shù)字電表實驗與傳統(tǒng)電表改裝校準(zhǔn)實驗對比進行教學(xué)模式分析探討，實驗原理的教學(xué)講解更清楚，有效激發(fā)學(xué)生進一步設(shè)計性數(shù)字電表實驗的興趣，自己設(shè)計實驗激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，拓展了學(xué)生的思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。對工科專業(yè)學(xué)生作用明顯。

數(shù)字電表；雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ICL7107)；校準(zhǔn)；教學(xué)模式

電表是常用的電學(xué)測量儀器，數(shù)字電表是一種性能穩(wěn)定、可靠性高的儀表。它顯示直觀、準(zhǔn)確度高、分辨率強、功能完善、性能穩(wěn)定、體積小易于攜帶，可以測量交直流電流和、交直流電壓、電阻、電容，以及晶體二極管和三極管的通斷及頻率等參數(shù)。在科學(xué)研究、工業(yè)現(xiàn)場和生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用。在工科院校的大學(xué)物理課程及實驗教學(xué)中，讓學(xué)生們理解并利用這一工具來設(shè)計對電流、電壓、電阻、壓力、溫度等物理量的測量，從而提高動手能力和分析解決問題能力顯得尤為重要。因此，掌握數(shù)字多用電表的基本原理及使用方法有著重要的意義[1,2]。

“多用電表的改裝設(shè)計與校準(zhǔn)”是我校開設(shè)的大學(xué)物理電學(xué)實驗的一個傳統(tǒng)項目，長期以來都以指針磁電式電表為改裝和校準(zhǔn)器件。其中涉及的原理和方法與學(xué)生中學(xué)知識重復(fù)較多，易于學(xué)生理解，但與現(xiàn)代技術(shù)相比顯得落后，因為有關(guān)電表基本原理和應(yīng)用技術(shù)實驗在電學(xué)實驗中是不可缺少的一項內(nèi)容，對工科專業(yè)學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展作用也顯而易見。為了克服這一矛盾，課題組把數(shù)字電表基本原理和應(yīng)用技術(shù)引入大學(xué)物理電學(xué)實驗中，并和我校開設(shè)多年的“多用電表的設(shè)計與改裝”實驗進行對比，探索數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計實驗新的教學(xué)模式。

圖1 雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL7107內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1 數(shù)字電表原理及實驗過程

常見的物理量都是幅值大小連續(xù)變化的所謂模擬量，指針式儀表可以直接對模擬電壓和電流進行顯示。而對數(shù)字式儀表，需要把模擬電信號(通常是電壓信號)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進行顯示和處理。

數(shù)字信號幅值大小是不連續(xù)的，大小只能是某些分立的數(shù)值，所以需要進行量化處理。若最小量化單位為Δ，則數(shù)字信號的大小是Δ的整數(shù)倍，該整數(shù)可以用二進制碼表示。最常見的數(shù)字表頭的最大示數(shù)為1999，被稱為3位半(3 1/2)數(shù)字表。這樣的數(shù)字表頭，再加上電壓極性判別顯示電路和小數(shù)點選擇位開關(guān)，就可以測量顯示-199.9～199.9mV的電壓，顯示精度為0.1mV[3]。

1.1 數(shù)字電表的基本工作原理

雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字電表電路的核心部分，它的原理是：當(dāng)輸入電壓為Vx時，在一定時間T1內(nèi)對電量為零的電容器C進行恒流(電流大小與待測電壓Vx成正比)充電，這樣電容器兩極之間的電量將隨時間線性增加，當(dāng)充電時間T1完成后，電容器上積累的電量Q與被測電壓Vx成正比；然后讓電容器恒流放電(電流大小與參考電壓Vref成正比)，這樣電容器兩極之間的電量將線性減小，直到T2時刻減小為零。所以，可以得出T2也與Vx成正比。如果用計數(shù)器在T2開始時刻對時鐘脈沖進行計數(shù)，結(jié)束時刻停止計數(shù)，得到計數(shù)值N2，則N2與Vx成正比。

雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的工作原理就是基于上述電容器充放電過程中計數(shù)器讀數(shù)N2與輸入電壓Vx成正比構(gòu)成的。以我校實驗教學(xué)中所用到的3位半模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7107為例，ICL7107雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本組成如圖1所示，它由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計數(shù)器、時鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器及數(shù)字顯示等電路所組成。它的轉(zhuǎn)換電路分為3個階段：自動校零階段、信號積分階段(采樣階段)、反積分階段(測量階段)。3個階段結(jié)束后，可以得出測量的計數(shù)值N2與被測電壓Vx成正比[2,3]。

對于ICL7107，信號積分階段時間固定為1000個TCP,即N1的值為1000不變。而N2的計數(shù)隨Vx的不同范圍為0～1999變化，同時自動校零的計數(shù)范圍為2999～1000，也就是測量周期總保持4000個TCP不變。即滿量程時N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，這樣在實驗過程中，若取參考電壓為100mV，則最大輸入電壓為200mV。

在實際教學(xué)中，有少部分電子技術(shù)基礎(chǔ)好的學(xué)生可以理解上述內(nèi)容。課題組對此進行內(nèi)容簡化：簡單的講數(shù)字電表即是將測量的電壓信號以數(shù)字形式顯示出來，先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用計數(shù)的方法對電壓信號進行處理和顯示。數(shù)字多用電表也具備類似于普通萬用電表的 “表頭”，實現(xiàn)其功能的集成電路稱為數(shù)字表芯電路，表芯電路能測量直流電壓，并直接與數(shù)碼管連接，以數(shù)字的形式顯示出電壓值。數(shù)字電表可以直接測量直流電壓。而其他量的測量都是通過各種轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流電壓后再進行測量的，例如： AD/DC轉(zhuǎn)換器，即將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓；I/U轉(zhuǎn)換器，即將直流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓等[4,5]。這樣簡化處理后的數(shù)字電表原理講解學(xué)生均能接受理解。

1.2 數(shù)字電表實驗教學(xué)設(shè)計(以200mV擋位量程的校準(zhǔn)為例)

“數(shù)字多用電表的基本構(gòu)成圖”如圖2中(a)所示。由圖2 (a) 可知：數(shù)字電表設(shè)計主要包括3部分，即信號輸入電路、ICL7107信號處理芯片、計數(shù)器電路及驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示電路。ICL7107信號處理芯片是一種高精度的電度測量集成電路板IC。其A/D轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電路中使用了模擬電路，其他的所有信號處理(如積分和濾波)部分均采用了數(shù)字電路。這種電路設(shè)計方法可以保證電表在各種極端的環(huán)境條件下和指定時間內(nèi)檢測信號的穩(wěn)定性和精確度。它是數(shù)字電表實驗電路的核心器件[6-8]。

圖2

圖2中(b)所示為“直流電壓表的改裝電路結(jié)構(gòu)圖”，數(shù)字電表實驗教學(xué)設(shè)計中的直流電壓的校準(zhǔn)(以200mV擋位量程的校準(zhǔn)為例)是在該電路結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)上自主設(shè)計完成的。

圖3

現(xiàn)行的數(shù)字電表設(shè)計及校準(zhǔn)實驗操作過程如下：(1)按照校準(zhǔn)電壓表要求設(shè)計校準(zhǔn)電路并按圖3(a)連接電路；(2)撥動改裝表模塊左撥位開關(guān)2鍵到ON，其他到OFF，直流電流電壓模塊選擇0.1V擋；(3)用萬用表200mV直流擋位測量AD參考電壓模塊的輸出電壓，調(diào)節(jié)AD模塊的電位器旋鈕直到萬用表示數(shù)為100mV為止；(4)撥動改裝表模塊右撥位開關(guān)3鍵到ON，其他到OFF,使被校準(zhǔn)的改裝表顯示為×××.×；(5)用萬用表測量直流電壓電流模塊的電壓輸出值，使其輸出萬用表顯示為150mV，觀察被校表即改裝表顯示值，調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準(zhǔn)，使兩表示數(shù)盡可能一致；(6)調(diào)節(jié)直流電流電壓模塊的電位器旋鈕，使改裝表模塊輸出電壓分別為199.5mV、190.0mV、180.0mV、…、20.0mV、10.0mV、0mV，分別讀取萬用表的讀數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值。以改裝表模塊顯示值U改為橫坐標(biāo)，誤差ΔU=U標(biāo)-U改為縱坐標(biāo)，做校準(zhǔn)曲線。圖3(b)是數(shù)字電表直流電壓200mV量程的校準(zhǔn)實驗實測圖。

2 電表校準(zhǔn)實驗教學(xué)模式探討

2.1 傳統(tǒng)“多用電表的改裝設(shè)計與校準(zhǔn)”實驗?zāi)Ｊ?以將表頭改裝成量程為5V的電壓表并校準(zhǔn)為例)

我校傳統(tǒng)開設(shè)的指針式電表設(shè)計及校準(zhǔn)實驗過程如下：(1)根據(jù)實驗室給出的表頭G參數(shù)Rg和Ig，以及改裝表的量程UH為5V，寫出改裝電壓表分壓電阻RH的計算公式并計算結(jié)果，利用電阻箱實現(xiàn)計算阻值RH，將表頭改裝成給定量程的電壓表，即先制作改裝表部分；(2)設(shè)計并畫出電壓表的改裝和校準(zhǔn)電路圖，如圖4所示，注意要先制作改裝表部分，再設(shè)計并連接校準(zhǔn)電路；(3)改變分壓電阻Rf的阻值，使得兩表接近滿量程5V，微調(diào)改裝表部分中的分壓變阻箱RH的阻值，使得兩表示數(shù)盡可能一致；(4)改變分壓電阻Rf的阻值，從而改變標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表兩端的電壓，間隔0.5V測量0～5V范圍內(nèi)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以改裝表讀數(shù)U改為橫坐標(biāo)，以誤差ΔU=U標(biāo)-U改為縱坐標(biāo)，作校準(zhǔn)曲線。

圖4 表頭G改裝成量程為5V的電壓表校準(zhǔn)電路圖

2.2 數(shù)字電表校準(zhǔn)實驗教學(xué)模式探討

數(shù)字電表校準(zhǔn)實驗電壓表部分的校準(zhǔn)電路按圖2(b)所示進行自主設(shè)計連接，要求以所采用的直流電壓表“200mV”擋為基準(zhǔn)，對直流電壓表進行測量和數(shù)據(jù)校正。即以數(shù)字多用表直流電壓“200mV”擋讀數(shù)為準(zhǔn)確值，首先將測試萬用表黑表筆插入COM插孔，紅表筆插入V/Ω插孔，再將量程開關(guān)置于DCV 200mV擋位量程上，將測試萬用表表針直接并聯(lián)在被測電路上，對直流電壓表“0～200mV”范圍進行測量和數(shù)據(jù)校正并作校正曲線。

在現(xiàn)行的數(shù)字電表實驗教學(xué)中，學(xué)生對何時調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊的電位器旋鈕及直流電流電壓模塊的電位器旋鈕不理解。該實驗總共需要3次調(diào)節(jié)模塊電位器，分別順序為“調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊的電位器旋鈕直到測試萬用表即標(biāo)準(zhǔn)表示數(shù)為100mV為止”“調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準(zhǔn)，使改裝表與標(biāo)準(zhǔn)表兩表示數(shù)盡可能一致”“調(diào)節(jié)直流電流電壓模塊的電位器旋鈕測量記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”。課題組發(fā)現(xiàn)：學(xué)生對調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊的電位器旋鈕和直流電流電壓模塊的電位器旋鈕的意義和順序不明白，而這3次調(diào)節(jié)對該實驗意義重大。分析比較新老電表校準(zhǔn)實驗的教學(xué)過程，課題組對教學(xué)模式進行改革，將數(shù)字電表校準(zhǔn)實驗和傳統(tǒng)“多用電表的改裝設(shè)計與校準(zhǔn)”實驗聯(lián)系起來進行教學(xué)，其中“調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊的電位器旋鈕直到萬用表示數(shù)為100mV為止”可以聯(lián)系對比為“根據(jù)計算RH的結(jié)果，利用電阻箱實現(xiàn)計算的阻值RH，即先初次制作改裝表部分”；而“調(diào)節(jié)AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準(zhǔn)，使兩表示數(shù)盡可能一致”可以聯(lián)系對比為“微調(diào)改裝表部分中的分壓變阻箱RH的阻值，使得兩表示數(shù)盡可能一致，即精確調(diào)整修正變阻箱RH阻值進行校準(zhǔn)”；最后的“調(diào)節(jié)直流電流電壓模塊的電位器旋鈕測量記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”可以聯(lián)系對比為“改變分壓電阻Rf的阻值，從而改變標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表兩端的電壓測量記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”。

在數(shù)字電表實驗中引入這樣的對比教學(xué)，在實際的實驗操作過程中學(xué)生普遍易于接受理解，對數(shù)字電表的實驗教學(xué)有明顯的實際意義。且程度較好的學(xué)生會激發(fā)實驗興趣，主動進行直流電流和電阻、交流電流和交流電壓等量的設(shè)計校準(zhǔn)測量。

3 結(jié)語

綜上所述，在大學(xué)物理實驗階段開設(shè)數(shù)字電表原理及應(yīng)用技術(shù)實驗不僅對傳統(tǒng)電表的改裝實驗進行了教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化改革，內(nèi)容更新穎，可操作性、實用性更強，并且將數(shù)字電表實驗與傳統(tǒng)電表改裝校準(zhǔn)實驗對比起來進行實驗教學(xué)，對學(xué)生深入理解數(shù)字萬用表的基本原理及使用方法，精確測量物理實驗數(shù)據(jù)很有好處。學(xué)生實際能力得到深入訓(xùn)練，教學(xué)效果反映良好。

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STUDY OF THE TEACHING MODE OF DESIGNED EXPERIMENT ON THE PRINCIPLE AND APPLICATION OF DIGITAL MULTIMETER

Chen Peng Yang Yang Feng Xuechao Wang Haiyan Shi Kai Xie Luogang Jiang Fengchun

(College of Physics and Electronic Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou Henan 450002)

Experiment on the principle and application of digital multimeter has been introduced into the college physics course and experimental teaching, the teaching mode reform of the traditional electric meter calibration experiment has been also carried out. The teaching content is newer and the maneuver ability is stronger. Comparison between the digital multimeter experiment and the traditional electric meter modified calibration experiment is also discussed in order to explain the experimental principle more clearly. It can effectively arouse the students’ interest in further design experiments, inspires students to learn initiatively, expand the their thinking ability, and cultivate the innovation ability of students. Obvious effects were shown for students of engineering specialty.

digital multimeter; dual-integral A/D converter (ICL7107); calibration; teaching mode

2016-03-30

2015高等學(xué)校教學(xué)研究項目(DWJZW201533zn)；河南省科技廳重點科技攻關(guān)(132102210222)；鄭州輕工業(yè)學(xué)院第十一批教改招標(biāo)課題“基于河南省資源共享平臺的大學(xué)物理實驗在線學(xué)習(xí)教學(xué)模式的探究”。

陳鵬，男，講師，主要從事物理教學(xué)與研究工作，研究方向：光學(xué)材料，chenpeng2003@zzuli.edu.cn。

陳鵬,楊陽,馮學(xué)超,等. 數(shù)字電表原理及萬用表設(shè)計實驗教學(xué)模式探討[J]. 物理與工程，2017，27(3)：25-29.