關(guān)于萬用表擴(kuò)展毫伏精密檢測功能的設(shè)想

郭 璨，葛水河

（1.河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453000；2.漯河食品職業(yè)學(xué)院 食品機(jī)械系，河南 漯河462300）

萬用表在我國已有幾十年的生產(chǎn)制造歷史，早在50、60年代以及70年代早期，萬用表就已經(jīng)有108表、500表、10表等等幾個(gè)規(guī)格和型號。目前市場上萬用表的型號較多，功能各異，但是基本上是大同小異。我們在市場上見到的各種類型的萬用表，包括數(shù)字萬用表和指針式萬用表，雖然在原有基本檢測功能的基礎(chǔ)上，也增加的有一些其他的輔助功能，如電容、電感的檢測功能，頻率、溫度的檢測功能，還有晶體管參數(shù)的檢測功能等，但是還沒有任何一款萬用表擴(kuò)展的有毫伏交流電壓信號檢測功能。其原因主要在測量交流電壓方面：

（1）一般萬用表只能測量50 Hz的正弦交流電壓信號，最多可以測量頻率變化范圍在45～66 Hz的正弦交流電壓信號，頻率變化范圍差多了一般不行，誤差太大。且萬用表所指示的值是交流電的平均值，最小可以測到1V的電壓，再低則不準(zhǔn)確。

（2）毫伏表可以測量的正弦交流電壓信號頻率變化范圍是20 Hz～1 MHz，且實(shí)際測量的是交流電的有效值，最小量程為100 μV。

存在的問題是：

（1）怎樣將交流電的平均值和有效值的關(guān)系運(yùn)用到萬用表擴(kuò)展毫伏交流電壓信號檢測功能上；

（2）怎樣將可以測量的正弦交流電壓信號的頻率范圍進(jìn)行擴(kuò)大；

（3）加入什么樣的分壓電阻才可以將測量量程進(jìn)行毫伏、微伏級的擴(kuò)大等等。

這些問題都需要科研工作人員、工廠工程師、一線技術(shù)員等付出大量時(shí)間、大量精力、大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究。沒有大量的相關(guān)理論知識及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要想研究出來比較困難，并且時(shí)間精力經(jīng)費(fèi)都是在研究成本里。這些表工廠使用最多，但工廠最講究效益，單獨(dú)抽出來一部分人來進(jìn)行擴(kuò)展研究在短期內(nèi)對于工廠效益的提高是無益的，因此大多數(shù)工廠在檢測時(shí)仍然使用原有的萬用表及毫伏表。但是，一旦帶有毫伏交流電壓信號檢測功能的萬用表研制出來，將會更大的推動工業(yè)的發(fā)展。

研究萬用表的精度是要建立在了解萬用表的工作原理的基礎(chǔ)上的，數(shù)字萬用表的基本工作原理如下：當(dāng)輸入電壓為Vx時(shí)，電容量為零的電容器C在一定時(shí)間T1內(nèi)被恒流充電（電流與待測電壓Vx成正比），使C兩極間的電量隨時(shí)間線性增加，即C上的累積電量Q與Vx成正比。C再被恒流放電（電流與參考電壓Vref成正比），使C兩極間的電量隨時(shí)間線性減小，直至放電完成，記下所用時(shí)間T2。因此可以得出結(jié)論，T2也與Vx成正比。如果在C放電開始時(shí)用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖，并在結(jié)束時(shí)停止計(jì)數(shù)，則獲得的計(jì)數(shù)值N2也與Vx成正比。以上為相對簡單的數(shù)字萬用表的核心部分雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理。

以鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)用到的3位半雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL 7107為例，其基本組成如圖1所示。

它由積分器、過零比較器、邏輯控制電路、閘門電路、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器和數(shù)字顯示電路組成。其轉(zhuǎn)換電路分為：自動校零階段、信號積分階段（采樣階段）和反積分階段（測量階段）。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，可以得出待測電壓VX與測量計(jì)數(shù)值N2成正比［1，2，3］。其采樣階段時(shí)間固定在1000個(gè)TCP，即N1的值保持為1000。N2的計(jì)數(shù)隨VX的變化范圍為0～1999，自動校零階段的N2變化范圍為2999～1000，這意味著4000個(gè)TCP的總測量周期保持不變。即滿量程時(shí)N2max=2000=2xN1，VXmax=2Vref。即在實(shí)驗(yàn)過程中，如果Vref為100 mV，那么VXmax為200mV。

圖1 ICL7107內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

可以以目前市場上比較流行的MF-47型指針式萬用表為例對萬用表進(jìn)行功能擴(kuò)展，使其具有毫伏級交流電壓信號精密檢測功能，MF-47型交流電壓檔的測量原理是目前國內(nèi)對這一領(lǐng)域的研究極限。MF-47型指針式萬用表測量交流電壓時(shí)必須采取整流措施，是因?yàn)槠浔眍^只能測量直流，是磁電系測量機(jī)構(gòu)［4］。對于測量交流電壓部分，MF-47型指針式萬用表的交流電壓擋是將不同數(shù)值的分壓電阻串入帶有表頭的全波或半波整流電路中，如圖2所示：

R1～R4為分壓電阻，待測交流電壓施加在V兩端。D1是整流二極管，可將輸入交流轉(zhuǎn)換為脈動直流電流，并將其送至磁電系測量機(jī)構(gòu)。D2是起保護(hù)作用的二極管，當(dāng)輸入交流電壓為負(fù)半周時(shí)，可以防止D1反向擊穿。因?yàn)榻涣麟姷拇笮×?xí)慣上是指交流電的有效值，而表頭指針的偏轉(zhuǎn)角與脈動電流的平均值成正比，通過表頭的電流實(shí)際上是經(jīng)過整流后的單向脈動電流，即萬用表所指示的值是交流電的平均值。因此，標(biāo)度尺可以根據(jù)交流電的有效值與平均值之間的關(guān)系進(jìn)行刻度。對于半波整流I有效=2.22 I平均。即可以根據(jù)交流電的有效值直接對萬用表交流電壓的標(biāo)度尺進(jìn)行刻度，交流電壓的有效值即為萬用表交流電壓的讀數(shù)。

圖2 交流電壓檔測量電路原理圖

針對目前這種現(xiàn)狀，利用MF-47型萬用表的表頭靈敏度，依據(jù)電阻的分壓限流作用、二極管的整流限幅穩(wěn)壓等作用、電容的通交流隔直流特性及三極管的放大原理設(shè)計(jì)出符合此表頭靈敏度要求的檢測毫伏級交流電壓信號功能的電路，并運(yùn)用仿真軟件，仿真分析所設(shè)計(jì)電路的性能，最終確定電路元器件相關(guān)參數(shù)。這是對萬用表擴(kuò)展毫伏精密檢測功能的設(shè)想。