关于万用表扩展毫伏精密检测功能的设想

郭 璨，葛水河

（1.河南科技学院 机电学院，河南 新乡453000；2.漯河食品职业学院 食品机械系，河南 漯河462300）

万用表在我国已有几十年的生产制造历史，早在50、60年代以及70年代早期，万用表就已经有108表、500表、10表等等几个规格和型号。目前市场上万用表的型号较多，功能各异，但是基本上是大同小异。我们在市场上见到的各种类型的万用表，包括数字万用表和指针式万用表，虽然在原有基本检测功能的基础上，也增加的有一些其他的辅助功能，如电容、电感的检测功能，频率、温度的检测功能，还有晶体管参数的检测功能等，但是还没有任何一款万用表扩展的有毫伏交流电压信号检测功能。其原因主要在测量交流电压方面：

（1）一般万用表只能测量50 Hz的正弦交流电压信号，最多可以测量频率变化范围在45～66 Hz的正弦交流电压信号，频率变化范围差多了一般不行，误差太大。且万用表所指示的值是交流电的平均值，最小可以测到1V的电压，再低则不准确。

（2）毫伏表可以测量的正弦交流电压信号频率变化范围是20 Hz～1 MHz，且实际测量的是交流电的有效值，最小量程为100 μV。

存在的问题是：

（1）怎样将交流电的平均值和有效值的关系运用到万用表扩展毫伏交流电压信号检测功能上；

（2）怎样将可以测量的正弦交流电压信号的频率范围进行扩大；

（3）加入什么样的分压电阻才可以将测量量程进行毫伏、微伏级的扩大等等。

这些问题都需要科研工作人员、工厂工程师、一线技术员等付出大量时间、大量精力、大量经费进行研究。没有大量的相关理论知识及实践经验，要想研究出来比较困难，并且时间精力经费都是在研究成本里。这些表工厂使用最多，但工厂最讲究效益，单独抽出来一部分人来进行扩展研究在短期内对于工厂效益的提高是无益的，因此大多数工厂在检测时仍然使用原有的万用表及毫伏表。但是，一旦带有毫伏交流电压信号检测功能的万用表研制出来，将会更大的推动工业的发展。

研究万用表的精度是要建立在了解万用表的工作原理的基础上的，数字万用表的基本工作原理如下：当输入电压为Vx时，电容量为零的电容器C在一定时间T1内被恒流充电（电流与待测电压Vx成正比），使C两极间的电量随时间线性增加，即C上的累积电量Q与Vx成正比。C再被恒流放电（电流与参考电压Vref成正比），使C两极间的电量随时间线性减小，直至放电完成，记下所用时间T2。因此可以得出结论，T2也与Vx成正比。如果在C放电开始时用计数器计数时钟脉冲，并在结束时停止计数，则获得的计数值N2也与Vx成正比。以上为相对简单的数字万用表的核心部分双积分模数转换电路的原理。

以郑州轻工业学院物理与电子工程学院实验室实验教学用到的3位半双积分模数转换器ICL 7107为例，其基本组成如图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、译码器和数字显示电路组成。其转换电路分为：自动校零阶段、信号积分阶段（采样阶段）和反积分阶段（测量阶段）。在转换结束时，可以得出待测电压VX与测量计数值N2成正比［1，2，3］。其采样阶段时间固定在1000个TCP，即N1的值保持为1000。N2的计数随VX的变化范围为0～1999，自动校零阶段的N2变化范围为2999～1000，这意味着4000个TCP的总测量周期保持不变。即满量程时N2max=2000=2xN1，VXmax=2Vref。即在实验过程中，如果Vref为100 mV，那么VXmax为200mV。

图1 ICL7107内部结构图

可以以目前市场上比较流行的MF-47型指针式万用表为例对万用表进行功能扩展，使其具有毫伏级交流电压信号精密检测功能，MF-47型交流电压档的测量原理是目前国内对这一领域的研究极限。MF-47型指针式万用表测量交流电压时必须采取整流措施，是因为其表头只能测量直流，是磁电系测量机构［4］。对于测量交流电压部分，MF-47型指针式万用表的交流电压挡是将不同数值的分压电阻串入带有表头的全波或半波整流电路中，如图2所示：

R1～R4为分压电阻，待测交流电压施加在V两端。D1是整流二极管，可将输入交流转换为脉动直流电流，并将其送至磁电系测量机构。D2是起保护作用的二极管，当输入交流电压为负半周时，可以防止D1反向击穿。因为交流电的大小习惯上是指交流电的有效值，而表头指针的偏转角与脉动电流的平均值成正比，通过表头的电流实际上是经过整流后的单向脉动电流，即万用表所指示的值是交流电的平均值。因此，标度尺可以根据交流电的有效值与平均值之间的关系进行刻度。对于半波整流I有效=2.22 I平均。即可以根据交流电的有效值直接对万用表交流电压的标度尺进行刻度，交流电压的有效值即为万用表交流电压的读数。

图2 交流电压档测量电路原理图

针对目前这种现状，利用MF-47型万用表的表头灵敏度，依据电阻的分压限流作用、二极管的整流限幅稳压等作用、电容的通交流隔直流特性及三极管的放大原理设计出符合此表头灵敏度要求的检测毫伏级交流电压信号功能的电路，并运用仿真软件，仿真分析所设计电路的性能，最终确定电路元器件相关参数。这是对万用表扩展毫伏精密检测功能的设想。