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直流电流电压表的核心电路解析

 更新时间:2025-11-19 点击量:108
  直流电流电压表是现代电子测量中最基础的仪器,其核心电路经历了从经典模拟指针式到现代数字式的演进,但设计哲学一脉相承:将未知的直流信号精确、安全地转换为可供显示的标准量。
  一、经典模拟表头:动圈式表头与分压/分流网络
  模拟万用表的核心是动圈式表头(D‘ArsonvalGalvanometer),它是一个敏感的电流计,其偏转角度与流过线圈的电流成正比。
  直流电压测量电路-分压原理:
  表头本身只能承受很小的电压(满量程电压=表头满偏电流×内阻)。为了测量更高的电压,需要在表头串联一个或多个高精度、低温漂的电阻(称为倍增电阻)。这构成了一个分压器,使大部分电压降落在倍增电阻上,仅让小部分、与总电压成比例的电压驱动表头。通过切换不同阻值的倍增电阻,即可实现多量程电压测量。
  直流电流测量电路-分流原理:
  表头满偏电流通常为微安或毫安级。为了测量更大的电流,需要在表头并联一个低阻值的分流电阻。这样,被测电流的大部分会从分流电阻通过,只有一小部分(与总电流成比例)流过表头。通过切换不同阻值的分流电阻,即可实现多量程电流测量。
  核心挑战在于确保串联/并联电阻的精度和稳定性,并解决在切换不同量程时对电路的影响。
  二、现代数字仪表:ADC与前端信号调理
  数字万用表的核心是模数转换器(ADC),它将连续的模拟电压转换为离散的数字量。其前端电路负责将各种被测量安全、准确地转换为ADC能够测量的电压范围。
  电压测量前端-衰减与缓冲:
  输入的高电压通过一个由精密分压电阻构成的衰减器,将其缩小到ADC的输入范围(如±200mV)。通常会使用电压跟随器(运算放大器构成)进行缓冲,提供高输入阻抗,避免对被测电路造成负载效应。
  电流测量前端-分流与放大:
  电流测量基于欧姆定律。被测电流流过一个精密低感分流电阻(ShuntResistor),产生一个成正比的压降。对于小电流,此压降很小,需要经由一个高精度、低漂移的运算放大器构成的仪表放大器进行放大,再送入ADC。对于大电流,则直接测量分流电阻上的压降。通过切换不同的分流电阻,实现量程变换。
  核心ADC与处理器:
  现代手持式数字万用表普遍采用双斜率积分式ADC。这种ADC以其高精度、抗工频干扰能力和低成本而著称。它通过将输入电压在固定时间内转换为积分器的斜率,再通过参考电压进行反向积分,用时间脉冲计数来代表电压值。最终,微处理器将ADC的结果进行处理、校准,并驱动显示器显示数值。
  总结:无论是模拟表的“分压分流+动圈表头”,还是数字表的“信号调理+ADC”,其核心电路设计都围绕着量程扩展、精度保证和信号隔离三大目标,体现了精妙的电子学基础原理。
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