關于萬用表擴展毫伏精密檢測功能的設想

郭 璨，葛水河

（1.河南科技學院 機電學院，河南 新鄉453000；2.漯河食品職業學院 食品機械系，河南 漯河462300）

萬用表在我國已有幾十年的生產制造歷史，早在50、60年代以及70年代早期，萬用表就已經有108表、500表、10表等等幾個規格和型號。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，還有晶體管參數的檢測功能等，但是還沒有任何一款萬用表擴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系運用到萬用表擴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行擴大；

（3）加入什么樣的分壓電阻才可以將測量量程進行毫伏、微伏級的擴大等等。

這些問題都需要科研工作人員、工廠工程師、一線技術員等付出大量時間、大量精力、大量經費進行研究。沒有大量的相關理論知識及實踐經驗，要想研究出來比較困難，并且時間精力經費都是在研究成本里。這些表工廠使用最多，但工廠最講究效益，單獨抽出來一部分人來進行擴展研究在短期內對于工廠效益的提高是無益的，因此大多數工廠在檢測時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的發展。

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上的，數字萬用表的基本工作原理如下：當輸入電壓為Vx時，電容量為零的電容器C在一定時間T1內被恒流充電（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兩極間的電量隨時間線性減小，直至放電完成，記下所用時間T2。因此可以得出結論，T2也與Vx成正比。如果在C放電開始時用計數器計數時鐘脈沖，并在結束時停止計數，則獲得的計數值N2也與Vx成正比。以上為相對簡單的數字萬用表的核心部分雙積分模數轉換電路的原理。

以鄭州輕工業學院物理與電子工程學院實驗室實驗教學用到的3位半雙積分模數轉換器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、計數器、時鐘脈沖源、鎖存器、譯碼器和數字顯示電路組成。其轉換電路分為：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）。在轉換結束時，可以得出待測電壓VX與測量計數值N2成正比［1，2，3］。其采樣階段時間固定在1000個TCP，即N1的值保持為1000。N2的計數隨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TCP的總測量周期保持不變。即滿量程時N2max=2000=2xN1，VXmax=2Vref。即在實驗過程中，如果Vref為100 mV，那么VXmax為200mV。

圖1 ICL7107內部結構圖

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行功能擴展，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對這一領域的研究極限。MF-47型指針式萬用表測量交流電壓時必須采取整流措施，是因為其表頭只能測量直流，是磁電系測量機構［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，可將輸入交流轉換為脈動直流電流，并將其送至磁電系測量機構。D2是起保護作用的二極管，當輸入交流電壓為負半周時，可以防止D1反向擊穿。因為交流電的大小習慣上是指交流電的有效值，而表頭指針的偏轉角與脈動電流的平均值成正比，通過表頭的電流實際上是經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，標度尺可以根據交流電的有效值與平均值之間的關系進行刻度。對于半波整流I有效=2.22 I平均。即可以根據交流電的有效值直接對萬用表交流電壓的標度尺進行刻度，交流電壓的有效值即為萬用表交流電壓的讀數。

圖2 交流電壓檔測量電路原理圖

針對目前這種現狀，利用MF-47型萬用表的表頭靈敏度，依據電阻的分壓限流作用、二極管的整流限幅穩壓等作用、電容的通交流隔直流特性及三極管的放大原理設計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，并運用仿真軟件，仿真分析所設計電路的性能，最終確定電路元器件相關參數。這是對萬用表擴展毫伏精密檢測功能的設想。