直流電流電壓表是現代電子測量中最基礎的儀器,其核心電路經歷了從經典模擬指針式到現代數字式的演進,但設計哲學一脈相承:將未知的直流信號精確、安全地轉換為可供顯示的標準量。
一、經典模擬表頭:動圈式表頭與分壓/分流網絡
模擬萬用表的核心是動圈式表頭(D‘ArsonvalGalvanometer),它是一個敏感的電流計,其偏轉角度與流過線圈的電流成正比。
直流電壓測量電路-分壓原理:
表頭本身只能承受很小的電壓(滿量程電壓=表頭滿偏電流×內阻)。為了測量更高的電壓,需要在表頭串聯一個或多個高精度、低溫漂的電阻(稱為倍增電阻)。這構成了一個分壓器,使大部分電壓降落在倍增電阻上,僅讓小部分、與總電壓成比例的電壓驅動表頭。通過切換不同阻值的倍增電阻,即可實現多量程電壓測量。
直流電流測量電路-分流原理:
表頭滿偏電流通常為微安或毫安級。為了測量更大的電流,需要在表頭并聯一個低阻值的分流電阻。這樣,被測電流的大部分會從分流電阻通過,只有一小部分(與總電流成比例)流過表頭。通過切換不同阻值的分流電阻,即可實現多量程電流測量。
核心挑戰在于確保串聯/并聯電阻的精度和穩定性,并解決在切換不同量程時對電路的影響。
二、現代數字儀表:ADC與前端信號調理
數字萬用表的核心是模數轉換器(ADC),它將連續的模擬電壓轉換為離散的數字量。其前端電路負責將各種被測量安全、準確地轉換為ADC能夠測量的電壓范圍。
電壓測量前端-衰減與緩沖:
輸入的高電壓通過一個由精密分壓電阻構成的衰減器,將其縮小到ADC的輸入范圍(如±200mV)。通常會使用電壓跟隨器(運算放大器構成)進行緩沖,提供高輸入阻抗,避免對被測電路造成負載效應。
電流測量前端-分流與放大:
電流測量基于歐姆定律。被測電流流過一個精密低感分流電阻(ShuntResistor),產生一個成正比的壓降。對于小電流,此壓降很小,需要經由一個高精度、低漂移的運算放大器構成的儀表放大器進行放大,再送入ADC。對于大電流,則直接測量分流電阻上的壓降。通過切換不同的分流電阻,實現量程變換。
核心ADC與處理器:
現代手持式數字萬用表普遍采用雙斜率積分式ADC。這種ADC以其高精度、抗工頻干擾能力和低成本而著稱。它通過將輸入電壓在固定時間內轉換為積分器的斜率,再通過參考電壓進行反向積分,用時間脈沖計數來代表電壓值。最終,微處理器將ADC的結果進行處理、校準,并驅動顯示器顯示數值。
總結:無論是模擬表的“分壓分流+動圈表頭”,還是數字表的“信號調理+ADC”,其核心電路設計都圍繞著量程擴展、精度保證和信號隔離三大目標,體現了精妙的電子學基礎原理。