数字电表原理及万用表设计实验教学模式探讨

陈 鹏 杨 阳 冯学超 王海燕 石 开 谢罗刚 蒋逢春

(郑州轻工业学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450002)



数字电表原理及万用表设计实验教学模式探讨

陈 鹏 杨 阳 冯学超 王海燕 石 开 谢罗刚 蒋逢春

(郑州轻工业学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450002)

在大学物理课程及实验教学中开设数字电表原理及应用技术实验，对传统电表的改装校准实验进行教学模式改革，内容更新颖，可操作性、实用性更强。并且将数字电表实验与传统电表改装校准实验对比进行教学模式分析探讨，实验原理的教学讲解更清楚，有效激发学生进一步设计性数字电表实验的兴趣，自己设计实验激发了学生学习的主动性，拓展了学生的思维能力，培养了学生的创新能力。对工科专业学生作用明显。

数字电表；双积分模数转换器(ICL7107)；校准；教学模式

电表是常用的电学测量仪器，数字电表是一种性能稳定、可靠性高的仪表。它显示直观、准确度高、分辨率强、功能完善、性能稳定、体积小易于携带，可以测量交直流电流和、交直流电压、电阻、电容，以及晶体二极管和三极管的通断及频率等参数。在科学研究、工业现场和生产生活中得到了广泛应用。在工科院校的大学物理课程及实验教学中，让学生们理解并利用这一工具来设计对电流、电压、电阻、压力、温度等物理量的测量，从而提高动手能力和分析解决问题能力显得尤为重要。因此，掌握数字多用电表的基本原理及使用方法有着重要的意义[1,2]。

“多用电表的改装设计与校准”是我校开设的大学物理电学实验的一个传统项目，长期以来都以指针磁电式电表为改装和校准器件。其中涉及的原理和方法与学生中学知识重复较多，易于学生理解，但与现代技术相比显得落后，因为有关电表基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的一项内容，对工科专业学生今后的职业发展作用也显而易见。为了克服这一矛盾，课题组把数字电表基本原理和应用技术引入大学物理电学实验中，并和我校开设多年的“多用电表的设计与改装”实验进行对比，探索数字电表原理及万用表设计实验新的教学模式。

图1 双积分AD转换器ICL7107内部结构图

1 数字电表原理及实验过程

常见的物理量都是幅值大小连续变化的所谓模拟量，指针式仪表可以直接对模拟电压和电流进行显示。而对数字式仪表，需要把模拟电信号(通常是电压信号)转换成数字信号，再进行显示和处理。

数字信号幅值大小是不连续的，大小只能是某些分立的数值，所以需要进行量化处理。若最小量化单位为Δ，则数字信号的大小是Δ的整数倍，该整数可以用二进制码表示。最常见的数字表头的最大示数为1999，被称为3位半(3 1/2)数字表。这样的数字表头，再加上电压极性判别显示电路和小数点选择位开关，就可以测量显示-199.9～199.9mV的电压，显示精度为0.1mV[3]。

1.1 数字电表的基本工作原理

双积分模数转换电路是数字电表电路的核心部分，它的原理是：当输入电压为Vx时，在一定时间T1内对电量为零的电容器C进行恒流(电流大小与待测电压Vx成正比)充电，这样电容器两极之间的电量将随时间线性增加，当充电时间T1完成后，电容器上积累的电量Q与被测电压Vx成正比；然后让电容器恒流放电(电流大小与参考电压Vref成正比)，这样电容器两极之间的电量将线性减小，直到T2时刻减小为零。所以，可以得出T2也与Vx成正比。如果用计数器在T2开始时刻对时钟脉冲进行计数，结束时刻停止计数，得到计数值N2，则N2与Vx成正比。

双积分模数转换电路的工作原理就是基于上述电容器充放电过程中计数器读数N2与输入电压Vx成正比构成的。以我校实验教学中所用到的3位半模数转换器ICL7107为例，ICL7107双积分式A/D转换器的基本组成如图1所示，它由积分器、过零比较器、逻辑控制电路、闸门电路、计数器、时钟脉冲源、锁存器、译码器及数字显示等电路所组成。它的转换电路分为3个阶段：自动校零阶段、信号积分阶段(采样阶段)、反积分阶段(测量阶段)。3个阶段结束后，可以得出测量的计数值N2与被测电压Vx成正比[2,3]。

对于ICL7107，信号积分阶段时间固定为1000个TCP,即N1的值为1000不变。而N2的计数随Vx的不同范围为0～1999变化，同时自动校零的计数范围为2999～1000，也就是测量周期总保持4000个TCP不变。即满量程时N2max=2000=2*N1,所以Vxmax=2Vref，这样在实验过程中，若取参考电压为100mV，则最大输入电压为200mV。

在实际教学中，有少部分电子技术基础好的学生可以理解上述内容。课题组对此进行内容简化：简单的讲数字电表即是将测量的电压信号以数字形式显示出来，先转换成数字信号，再用计数的方法对电压信号进行处理和显示。数字多用电表也具备类似于普通万用电表的 “表头”，实现其功能的集成电路称为数字表芯电路，表芯电路能测量直流电压，并直接与数码管连接，以数字的形式显示出电压值。数字电表可以直接测量直流电压。而其他量的测量都是通过各种转换器转换为直流电压后再进行测量的，例如： AD/DC转换器，即将交流电压转化为直流电压；I/U转换器，即将直流电流转换为直流电压等[4,5]。这样简化处理后的数字电表原理讲解学生均能接受理解。

1.2 数字电表实验教学设计(以200mV挡位量程的校准为例)

“数字多用电表的基本构成图”如图2中(a)所示。由图2 (a) 可知：数字电表设计主要包括3部分，即信号输入电路、ICL7107信号处理芯片、计数器电路及驱动LED数码管显示电路。ICL7107信号处理芯片是一种高精度的电度测量集成电路板IC。其A/D转换器和基准电路中使用了模拟电路，其他的所有信号处理(如积分和滤波)部分均采用了数字电路。这种电路设计方法可以保证电表在各种极端的环境条件下和指定时间内检测信号的稳定性和精确度。它是数字电表实验电路的核心器件[6-8]。

图2

图2中(b)所示为“直流电压表的改装电路结构图”，数字电表实验教学设计中的直流电压的校准(以200mV挡位量程的校准为例)是在该电路结构图基础上自主设计完成的。

图3

现行的数字电表设计及校准实验操作过程如下：(1)按照校准电压表要求设计校准电路并按图3(a)连接电路；(2)拨动改装表模块左拨位开关2键到ON，其他到OFF，直流电流电压模块选择0.1V挡；(3)用万用表200mV直流挡位测量AD参考电压模块的输出电压，调节AD模块的电位器旋钮直到万用表示数为100mV为止；(4)拨动改装表模块右拨位开关3键到ON，其他到OFF,使被校准的改装表显示为×××.×；(5)用万用表测量直流电压电流模块的电压输出值，使其输出万用表显示为150mV，观察被校表即改装表显示值，调节AD参考电压模块电位器旋钮进行校准，使两表示数尽可能一致；(6)调节直流电流电压模块的电位器旋钮，使改装表模块输出电压分别为199.5mV、190.0mV、180.0mV、…、20.0mV、10.0mV、0mV，分别读取万用表的读数作为标准值。以改装表模块显示值U改为横坐标，误差ΔU=U标-U改为纵坐标，做校准曲线。图3(b)是数字电表直流电压200mV量程的校准实验实测图。

2 电表校准实验教学模式探讨

2.1 传统“多用电表的改装设计与校准”实验模式(以将表头改装成量程为5V的电压表并校准为例)

我校传统开设的指针式电表设计及校准实验过程如下：(1)根据实验室给出的表头G参数Rg和Ig，以及改装表的量程UH为5V，写出改装电压表分压电阻RH的计算公式并计算结果，利用电阻箱实现计算阻值RH，将表头改装成给定量程的电压表，即先制作改装表部分；(2)设计并画出电压表的改装和校准电路图，如图4所示，注意要先制作改装表部分，再设计并连接校准电路；(3)改变分压电阻Rf的阻值，使得两表接近满量程5V，微调改装表部分中的分压变阻箱RH的阻值，使得两表示数尽可能一致；(4)改变分压电阻Rf的阻值，从而改变标准表和改装表两端的电压，间隔0.5V测量0～5V范围内的校准数据，以改装表读数U改为横坐标，以误差ΔU=U标-U改为纵坐标，作校准曲线。

图4 表头G改装成量程为5V的电压表校准电路图

2.2 数字电表校准实验教学模式探讨

数字电表校准实验电压表部分的校准电路按图2(b)所示进行自主设计连接，要求以所采用的直流电压表“200mV”挡为基准，对直流电压表进行测量和数据校正。即以数字多用表直流电压“200mV”挡读数为准确值，首先将测试万用表黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔，再将量程开关置于DCV 200mV挡位量程上，将测试万用表表针直接并联在被测电路上，对直流电压表“0～200mV”范围进行测量和数据校正并作校正曲线。

在现行的数字电表实验教学中，学生对何时调节AD参考电压模块的电位器旋钮及直流电流电压模块的电位器旋钮不理解。该实验总共需要3次调节模块电位器，分别顺序为“调节AD参考电压模块的电位器旋钮直到测试万用表即标准表示数为100mV为止”“调节AD参考电压模块电位器旋钮进行校准，使改装表与标准表两表示数尽可能一致”“调节直流电流电压模块的电位器旋钮测量记录校准数据”。课题组发现：学生对调节AD参考电压模块的电位器旋钮和直流电流电压模块的电位器旋钮的意义和顺序不明白，而这3次调节对该实验意义重大。分析比较新老电表校准实验的教学过程，课题组对教学模式进行改革，将数字电表校准实验和传统“多用电表的改装设计与校准”实验联系起来进行教学，其中“调节AD参考电压模块的电位器旋钮直到万用表示数为100mV为止”可以联系对比为“根据计算RH的结果，利用电阻箱实现计算的阻值RH，即先初次制作改装表部分”；而“调节AD参考电压模块电位器旋钮进行校准，使两表示数尽可能一致”可以联系对比为“微调改装表部分中的分压变阻箱RH的阻值，使得两表示数尽可能一致，即精确调整修正变阻箱RH阻值进行校准”；最后的“调节直流电流电压模块的电位器旋钮测量记录校准数据”可以联系对比为“改变分压电阻Rf的阻值，从而改变标准表和改装表两端的电压测量记录校准数据”。

在数字电表实验中引入这样的对比教学，在实际的实验操作过程中学生普遍易于接受理解，对数字电表的实验教学有明显的实际意义。且程度较好的学生会激发实验兴趣，主动进行直流电流和电阻、交流电流和交流电压等量的设计校准测量。

3 结语

综上所述，在大学物理实验阶段开设数字电表原理及应用技术实验不仅对传统电表的改装实验进行了教学内容现代化改革，内容更新颖，可操作性、实用性更强，并且将数字电表实验与传统电表改装校准实验对比起来进行实验教学，对学生深入理解数字万用表的基本原理及使用方法，精确测量物理实验数据很有好处。学生实际能力得到深入训练，教学效果反映良好。

[1] 黄金华，许星光，等.物理实验教程[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] 沙占友.新型数字万用表的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 杨述武.普通物理实验(电磁学部分)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4] 杜军,朱世国.数字电表原理及应用技术实验[J].物理实验，2006,26(8)：36-40. Du Jun, Zhu Shiguo. The experiment of the principle and application of digital electric meter[J]. Physical experiment, 2006, 26(8): 36-40. (in Chinese).

[5] 张真,周庭艳.探讨数字电表的原理及应用[J].考试周刊，2014 (55)：145-146. Zhang Zhen, Zhou Tingyan. The explore of the principle and application of digital electric meters[J]. The exam week, 2014(55): 145-146. (in Chinese).

[6] 田睿.数字万用表的设计性实验研究[J].湖北广播电视大学学报，2012,32(4)：144-145. Tian Rui. The design experiment research of the digital multimeter[J]. Journal of hubei radio and television university, 2012, 32(4): 144-145. (in Chinese).

[7] 秦辉，李静,等.全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表，2010(1)：14-17. Qin Hui, Li Jing, Dong Beibei, et al. The design of the full-automatic digital multimeter [J]. Design of Full Automatic Digital Multimeter, 2010(1): 14-17. (in Chinese).

[8] 刘瑞.基于单片机的数字直流电压表的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2013(14)：84-85. Liu Rui. The design and implementation of a digital dc voltmeter is based on single chip microcomputer[J]. Power Electronics, 2013(14): 84-85. (in Chinese).

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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高等学校教学研究项目(DWJZW201533zn)；河南省科技厅重点科技攻关(132102210222)；郑州轻工业学院第十一批教改招标课题“基于河南省资源共享平台的大学物理实验在线学习教学模式的探究”。

陈鹏，男，讲师，主要从事物理教学与研究工作，研究方向：光学材料，chenpeng2003@zzuli.edu.cn。

陈鹏,杨阳,冯学超,等. 数字电表原理及万用表设计实验教学模式探讨[J]. 物理与工程，2017，27(3)：25-29.