數字電表原理及萬用表設計實驗教學模式探討

陳 鵬 楊 陽 馮學超 王海燕 石 開 謝羅剛 蔣逢春

(鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，河南 鄭州 450002)

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數字電表原理及萬用表設計實驗教學模式探討

陳 鵬 楊 陽 馮學超 王海燕 石 開 謝羅剛 蔣逢春

(鄭州輕工業學院物理與電子工程學院，河南 鄭州 450002)

在大學物理課程及實驗教學中開設數字電表原理及應用技術實驗，對傳統電表的改裝校準實驗進行教學模式改革，內容更新穎，可操作性、實用性更強。并且將數字電表實驗與傳統電表改裝校準實驗對比進行教學模式分析探討，實驗原理的教學講解更清楚，有效激發學生進一步設計性數字電表實驗的興趣，自己設計實驗激發了學生學習的主動性，拓展了學生的思維能力，培養了學生的創新能力。對工科專業學生作用明顯。

數字電表；雙積分模數轉換器(ICL7107)；校準；教學模式

電表是常用的電學測量儀器，數字電表是一種性能穩定、可靠性高的儀表。它顯示直觀、準確度高、分辨率強、功能完善、性能穩定、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。在科學研究、工業現場和生產生活中得到了廣泛應用。在工科院校的大學物理課程及實驗教學中，讓學生們理解并利用這一工具來設計對電流、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]。

“多用電表的改裝設計與校準”是我校開設的大學物理電學實驗的一個傳統項目，長期以來都以指針磁電式電表為改裝和校準器件。其中涉及的原理和方法與學生中學知識重復較多，易于學生理解，但與現代技術相比顯得落后，因為有關電表基本原理和應用技術實驗在電學實驗中是不可缺少的一項內容，對工科專業學生今后的職業發展作用也顯而易見。為了克服這一矛盾，課題組把數字電表基本原理和應用技術引入大學物理電學實驗中，并和我校開設多年的“多用電表的設計與改裝”實驗進行對比，探索數字電表原理及萬用表設計實驗新的教學模式。

圖1 雙積分AD轉換器ICL7107內部結構圖

1 數字電表原理及實驗過程

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

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

1.1 數字電表的基本工作原理

雙積分模數轉換電路是數字電表電路的核心部分，它的原理是：當輸入電壓為Vx時，在一定時間T1內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。如果用計數器在T2開始時刻對時鐘脈沖進行計數，結束時刻停止計數，得到計數值N2，則N2與Vx成正比。

雙積分模數轉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器讀數N2與輸入電壓Vx成正比構成的。以我校實驗教學中所用到的3位半模數轉換器ICL7107為例，ICL7107雙積分式A/D轉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、計數器、時鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器及數字顯示等電路所組成。它的轉換電路分為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個階段結束后，可以得出測量的計數值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的計數隨Vx的不同范圍為0～1999變化，同時自動校零的計數范圍為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。

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

1.2 數字電表實驗教學設計(以200mV擋位量程的校準為例)

“數字多用電表的基本構成圖”如圖2中(a)所示。由圖2 (a) 可知：數字電表設計主要包括3部分，即信號輸入電路、ICL7107信號處理芯片、計數器電路及驅動LED數碼管顯示電路。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轉換器和基準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)部分均采用了數字電路。這種電路設計方法可以保證電表在各種極端的環境條件下和指定時間內檢測信號的穩定性和精確度。它是數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構圖”，數字電表實驗教學設計中的直流電壓的校準(以200mV擋位量程的校準為例)是在該電路結構圖基礎上自主設計完成的。

圖3

現行的數字電表設計及校準實驗操作過程如下：(1)按照校準電壓表要求設計校準電路并按圖3(a)連接電路；(2)撥動改裝表模塊左撥位開關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，調節AD模塊的電位器旋鈕直到萬用表示數為100mV為止；(4)撥動改裝表模塊右撥位開關3鍵到ON，其他到OFF,使被校準的改裝表顯示為×××.×；(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，調節AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準，使兩表示數盡可能一致；(6)調節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作為標準值。以改裝表模塊顯示值U改為橫坐標，誤差ΔU=U標-U改為縱坐標，做校準曲線。圖3(b)是數字電表直流電壓200mV量程的校準實驗實測圖。

2 電表校準實驗教學模式探討

2.1 傳統“多用電表的改裝設計與校準”實驗模式(以將表頭改裝成量程為5V的電壓表并校準為例)

我校傳統開設的指針式電表設計及校準實驗過程如下：(1)根據實驗室給出的表頭G參數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果，利用電阻箱實現計算阻值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)設計并畫出電壓表的改裝和校準電路圖，如圖4所示，注意要先制作改裝表部分，再設計并連接校準電路；(3)改變分壓電阻Rf的阻值，使得兩表接近滿量程5V，微調改裝表部分中的分壓變阻箱RH的阻值，使得兩表示數盡可能一致；(4)改變分壓電阻Rf的阻值，從而改變標準表和改裝表兩端的電壓，間隔0.5V測量0～5V范圍內的校準數據，以改裝表讀數U改為橫坐標，以誤差ΔU=U標-U改為縱坐標，作校準曲線。

圖4 表頭G改裝成量程為5V的電壓表校準電路圖

2.2 數字電表校準實驗教學模式探討

數字電表校準實驗電壓表部分的校準電路按圖2(b)所示進行自主設計連接，要求以所采用的直流電壓表“200mV”擋為基準，對直流電壓表進行測量和數據校正。即以數字多用表直流電壓“200mV”擋讀數為準確值，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，再將量程開關置于DCV 200mV擋位量程上，將測試萬用表表針直接并聯在被測電路上，對直流電壓表“0～200mV”范圍進行測量和數據校正并作校正曲線。

在現行的數字電表實驗教學中，學生對何時調節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次調節模塊電位器，分別順序為“調節AD參考電壓模塊的電位器旋鈕直到測試萬用表即標準表示數為100mV為止”“調節AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準，使改裝表與標準表兩表示數盡可能一致”“調節直流電流電壓模塊的電位器旋鈕測量記錄校準數據”。課題組發現：學生對調節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次調節對該實驗意義重大。分析比較新老電表校準實驗的教學過程，課題組對教學模式進行改革，將數字電表校準實驗和傳統“多用電表的改裝設計與校準”實驗聯系起來進行教學，其中“調節AD參考電壓模塊的電位器旋鈕直到萬用表示數為100mV為止”可以聯系對比為“根據計算RH的結果，利用電阻箱實現計算的阻值RH，即先初次制作改裝表部分”；而“調節AD參考電壓模塊電位器旋鈕進行校準，使兩表示數盡可能一致”可以聯系對比為“微調改裝表部分中的分壓變阻箱RH的阻值，使得兩表示數盡可能一致，即精確調整修正變阻箱RH阻值進行校準”；最后的“調節直流電流電壓模塊的電位器旋鈕測量記錄校準數據”可以聯系對比為“改變分壓電阻Rf的阻值，從而改變標準表和改裝表兩端的電壓測量記錄校準數據”。

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

3 結語

綜上所述，在大學物理實驗階段開設數字電表原理及應用技術實驗不僅對傳統電表的改裝實驗進行了教學內容現代化改革，內容更新穎，可操作性、實用性更強，并且將數字電表實驗與傳統電表改裝校準實驗對比起來進行實驗教學，對學生深入理解數字萬用表的基本原理及使用方法，精確測量物理實驗數據很有好處。學生實際能力得到深入訓練，教學效果反映良好。

[1] 黃金華，許星光，等.物理實驗教程[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2] 沙占友.新型數字萬用表的原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 楊述武.普通物理實驗(電磁學部分)[M].北京：高等教育出版社，2009.

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[5] 張真,周庭艷.探討數字電表的原理及應用[J].考試周刊，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.數字萬用表的設計性實驗研究[J].湖北廣播電視大學學報，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] 秦輝，李靜,等.全自動數字萬用表的設計[J].自動化與儀表，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] 劉瑞.基于單片機的數字直流電壓表的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，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高等學校教學研究項目(DWJZW201533zn)；河南省科技廳重點科技攻關(132102210222)；鄭州輕工業學院第十一批教改招標課題“基于河南省資源共享平臺的大學物理實驗在線學習教學模式的探究”。

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

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