文档介绍：数字电表改装与校准
数字电表改装与校准实验仪是针对现实生活中数字化技术的不断成熟、完善,指针式仪器逐步被淘汰而开发的。
指针式电子测量仪器是建立在指针电流计基础上,数字式仪器是建立在模数转换器(模拟电压量到数字量的转换,也称AD转换器)基础上的。因此本实验仪,以模数转换器工作原理为起点,通过具体实验操作,了解并掌握3位半AD转换器(ICL7107芯片)使用方法,在此基础上完成数字电压表、数字电流表及欧姆表的改装。
实验过程中,着重围绕AD转换器工作原理、输入动态范围与基准电压的关系、分压法扩展电压测量范围原理,电流-电压变换法测量电流原理、及电阻-电压法测量电阻方法等展开实验,让同学们了解、掌握工业中实际使用的测量方法。
一、实验仪器主要技术参数
FH3209型数字电表(万用表)改装与校准实验仪(改进型),是在原型号基础上增加了比例法测量电阻的方法。它们的主要技术指标如下:
讲解模数转换器原理用AD芯片:ICL7107芯片,输入的电压基准可调
改装表自带输入保护电路
标准电阻器1:1M、9M %
标准电阻器2:100Ω、1000Ω %
恒流源:1mA、10mA
直流稳压电源:0~2V、0~20V二档,带过流保护装置。电流大于250mA将作限流保护。
校准用标准电压表:2V、%
校准用标准电压表:20mA、%
十进制电阻箱: 0~110kΩ,调节细度1Ω
供电电源:交流220V±10%,50Hz,功耗20W
二、改装实验原理
1、模数转换器种类与双斜积分式模数转换器工作原理
(a) 常见的模数转换器种类有逐次比较式、Σ-Δ式(sigma-deta ADC)、积分式(包括单斜积分、多斜积分)及电压-频率变换式等多种。其中逐次比较方式多用于高速采样上,积分式多用于采样速度要求不高、但需要有较强的抗工频干扰的运用上,Σ-Δ式是近年来发展起来的一种即有积分式AD抗干扰能力强优点,又有采样率较积分式快等优点的AD转换器。像AD7711、AD7714芯片,采用的是Σ-Δ式转换,它们的无丢码位数达到24位,%非线性误差。
(b)双斜积分式模数转换器的工作原理如图1、图2所示。
双斜积分式模数转换器原理如下:电子开关先打以被测端,电子积分器对未知的输入电压
Va在固定的T0时间内积分,到达时间T0后,电子开关打到基准电压输入端由基准电压进行反向积分,直至积分器输出为0,计数器记录整个反向积分的时间d。
可以推导出,积分器的反向积分时间d与被测的模拟电压输入Va成正比,并且有 d=(Va/Vref)XA
这里,Va是被测电压,Vref是基准电压,A是AD转换器的比例系数,对于积分式3位半模数转换器,系数A=1000。若显示码为d,不考虑极性时显示值如下
显示值=(输入电压/基准电压)X1000
图2 双斜积分AD转换器时序图
图1 双斜积分AD转换器电原理图
(c) 本实验仪中使用的三片AD转换芯片,都是基于积分式的ICL7107。二片是在标准电压表和电流表中,一片用于数字电压改装(裸装在实验仪面板的中上部)。
采用这种芯片的原因是这个芯片性能稳定、使用广泛。目前,市场上现有的三位半数显电压表、电流表及三位半万用表几乎都采用ICL7107,是工业上使用最多、应用最广的一种AD转换器芯片。
ICL7107电路图如图3所示。ICL7107的转换结果可用下式表示
输出显示值=(输入电压/基准电压)X1000 ( 1 )
图3 ICL7107 三位半积分式AD电路图
比如,基准电压为1V,输入电压范围为-2V~+2V,对应的显示值为-1999~+1999;,输入电压范围为-~+,对应的显示值为-1999~+1999;也就是,它的输出值在-1999~+1999之间,低3位的数值可以是0~9之间任意数,而最高位只能是0或者±1,因此称它为3位半显示AD转换器。
2、大电压输入下的输入保护及模数转换器超量程指示
图4 AD转换器输入保护示意图
当输入电压超出AD转换器2倍基准电压时(即超量程),显示1---,表明输入的电压值超出能够测量的范围了。
同时,当输入电压值超过某个电压,若不加以保护,让此电压直接加到ICL7107三位半AD转换芯片上时,会烧毁这个芯片。所以实际使用时,都会采取措施在输入端加上保护装置,对输入到AD转换器的电压进行限幅保护(限制最高电压幅度)。本实验仪中采用的是二极管钳位限幅进行输入保护,图4是保护电路示意图。
输入保护电原理如下:在输入回路中串接一个限流电阻,并使这个电阻对测量的影响足够小。当输入电压大于过压保护管的正保护电压V保+时,保护