万用表电路的设计与组装

万用表电路的设计与组装

王亮

大连大学环化学院 化工10级 指导老师：徐朋

摘要：万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表，一般的万用表可以测量直流电流、交直流电压和电阻。本次试验通过设计熟练掌握万用表的组成结构、原理，明确组成万用表的各种电路的优缺点，能根据给定的技术参数，主要是表头灵敏度、内阻、波段开关结构、各档量程要求等，选择合适的电路设计万用表线路，并检验电路。 关键词：万用表；设计组装；检验电路

1.实验部分

1.1实验目的

（1）了解简单的万用表的简单电路.

（2）计算出所有电阻元件的阻值，并进行组装.

（3）对成功组装的万用表的准确度，电压灵敏度等性能指标进行测试 1.2实验原理

1.2.1指针式万用表的简易电路及使用方法

图1是简易万用表的实验电路。电流，电阻电压等被测信号经过输入电路和变换电路后，变成微安级电流，再流经表头，使指针偏转，从而指示出被测量值。

该万用表有四种功能、八个档级。档级的转换靠单级多位开关中单级触点位置的改变来实现。 B（-）点，接表头负极，是所有测量档的公共接 点，通常接黑色表笔。 A（+）通常接红色表笔，改变多位开关中单极的位置， 可以选择所需的测量功能档。

1.2.2万用表的几个重要参数 (1)准确度

万用表示值与被测量真值的一致程度称为万用表的准确度。它反映了测量结果的基本误

差的大小。同一块万用表，不同功能档的准确度也不尽相同。 (2)表头灵敏度

万用表所用表头的满量程值 I g 称为表头灵敏度。 I g 一般为 9.2 — 200 A 。值越小，灵敏度越高，万用表的性能也越好。本次实验取Ig=50μA (3)表头内阻

表头内线圈及上下两层盘丝的直流电阻之和称为表头内阻。万用表表头内阻多在几百到几千欧之间。一般来说，灵敏度越高，内阻越大。但灵敏度相同的表头，内阻也不尽相同。这是因为，在制造相同表头时，所选用的线圈和盘丝的阻值很难做到完全一致。 (4)直流电压灵敏度

直流电压档的内阻 Rv 与该档满量程电压 Um 的比值称为直流电压灵敏度，用 Sv 表示。可写成 Sv=Rv/Um ①

电压灵敏度越高， 万用表的性能也越好。 (5)直流电流档的内阻

电流表内阻的大小决定于表头内阻及分流电阻的大小。对同一块万用表而言，不同档级的电流表，其分流电阻不同，所以内阻也不相同。电流表的内阻越小，质量越好。测电流时，将电流表串联在被测电路中，对被测电路会造成两方面的影响：一是它的阻流作用会改变原电路的工作状 态；二是增加了被测电路的功耗。为了减少这两方面的影响，内阻越小越好。 (6)欧姆档的中值电阻

欧姆档的内阻称为该档的中值电阻。已知中值电阻 Rk 的大小可以确定该档的测量范围。若中值电阻为 Rk ，则该档的测量范围是 1/4Rk—4 Rk 之间。 1.3电阻的计算

（1）电流档的设计（计算R1 和R2 ）

将直流电流5mA 和50mA 档的电路从图 1 中分离出来，如图4。R1 是50mA 档的分流电阻， R1和 R2 是5mA 档的分流电阻。所有分流电阻与表头串联成一闭合回路。50mA 挡的电路中，总电流 I m 在 R1 和 R2 的连接处分成两路，一路经 R2 → R3 → RT →表头 回到 B 点，电流为 I g ，另一路经 R1 回到 B 点，电流为（ I m -I g ） ，因为这两个并联电路的电压降相等，

所以有

Ig (R2 + R3 + RT + Rm) = (Im - Ig) R1

又 R2 + R3 + RT = Rs – R1

代入上式得 Ig (Rs - R1 + Rm) = (Im - Ig) R1 经整理得 ImR1 = Ig (Rm + Rs) ②

②式说明，在闭路式分流电流表中，其电流量程与该量程分流电阻的乘积是一常数，其值等于表头灵敏度与闭合回路总电阻之积。根据这一结论，5mA量程的分流电阻 R1+R2 也可以求出。 (2) 直流电压档的设计（计算R4和R5）

直流电压 5V 档和 50V 档电路从 图 1 中分离出来，如图 5。DB 间 电压量程为 50V ， A’B 间电压 量程为 5V，而CB 间可以看成更小量程的电压档，其量程为 0.15V 。据此，可分别求出这两档的内阻。内阻求出之后，根据Rv=R4+R// ，Rv=R4+R5+R//可求出R4和R5。

(3) 电阻档的设计（计算RT 、R6 、 R7 和 R3 ）

将电阻档“×1K”和“×10” 两档的电路从图 1 中分离出来，如图 6，其中（a）与（b）都是“×1K” 档，不同的是调零电阻 RT 的工作状态不同。（c）是“×10”档的电路。RT 的作用是测量前将欧姆表调至零点。即在测量前，将“+” “-”表笔短接，使表头满偏，以满足 I g= E/Rk 。

E 是电池电压，在欧姆表的使用过程中，E 会不断下降，中值电阻 RK 需适时调整，才能使表头随时能够调零。 E 的变化值在 1.2 - 1.65V 之间， RT 的大小也应适应E 的这种变化。显然，当 E =1.2V 时，RT的触点应移至最右端。如图 6（a）。当E 1.65V 时，应移至最左端，如图 6（b） 。在（a）与（b）两种状态下， RK 会有所变化，给测量带来误差，但只要 R6 足够大， RT 的影响就可以忽略，中值电阻 RK也可以认为是不变的。下面求 R6 ，要想求 R6 首先要求 RK 。RK 决定于电池电压和表头灵敏度。在图 6（a）中， E =1.2V ， I m =2 I g =100μ A ，得Rk=12kΩ

而中值电阻 Rk 即是该档的总内阻，所以Rk=R6 +R//+ rE 式中 R // 1.5 KΩ， rE =1Ω（电池内阻可忽略） R6可求 下面计算RT。根据Ig（RT +Rm）=(1.65/Rk-Ig)(Rs- RT )，可求RT

根据Rs=R1+R2+R3+ RT ，可求出R3。

根据Rk’=120Ω，Rk’=[(R6+R//)R7] / (R6+R7+R//)+rE，可求出R7

(4) 交流电压档的设计（计算 R8 和 R9 ）

交流电压档的分压电阻 R8 和 R9 的计算方法，与直流电压档的分压电阻 R4 和 R5 的 计算方法相仿，分别求出 10 V交流电和50 V交流电档的内阻即可求出分压电阻R8和 R9 。 1.4 实验仪器

万能表组装板；标准电流表；标准电压表；电阻箱；导线；滑动变阻器 1.5 实验步骤 1.5.1 电流档的测试

自制万用表按电流档的设计，测定50mA的电流。取R1=9Ω，R2+R3+R4=4491Ω组装万用表。串联标准电流表。调节滑动变阻器，使两表的指针同向而行，记录6组数据。 1.5.2 电压档的测试

自制万能表按直流电压电路的设计，测定5V的电压。取Rs=4500Ω，R4=47750Ω组装万能表。并联标准电压表。调节滑动变阻器，使两表的指针同向而行，记录6组数据。

2.结果与讨论

2.1原始数据