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摘要
当代电子科学技术的迅猛发展，创造出了一个神奇的世界。
多少人闯进了电子宫殿，在那里自由地摘取一颗颗耀眼的明珠。
多少人刚刚迈入电子宫殿的大门，正在深深求精。
在这条走向成功的道路上，众多的电子爱好者无一不喜爱过手中必备的工具——万用表。
虽然万用表在向数字化、智能化方向发展，但是由于指针式万用表具有结构简单，用途广，使用方便，可靠性高，价格便宜等优点，仍是检测电器元件最常用的检测工具。
万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表。
这次设计的万用表是磁电系整流式便携式多量限万用电表。
可供测量直流电流，交直流电压，直流电阻等，具有量程多，分档细，灵敏度高，体形轻巧，性能稳定，读数清晰，使用方便，适合于电子仪器，无线电电讯，电工，工厂实验室等广泛使用的万用电表。
关键词：
表头指针准确度分辨力整流式
1万用表的应用
1.1万用表的种类
万用表分为指针式、数字式两种。
随着技术的发展，人们研制出微机控制的虚拟式万用表，被测物体的物理量通过非电量/电量，将温度等非电量转换成电量，再通过A/D转换，由微机显示或输送给控制中心，控制中心通过信号比较做出判断，发出控制信号或者通过D/A转换来控制被测物体。
1.2万用表的组成
万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。
1.2.1表头
它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。
表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。
测电压时的内阻越大，其性能就越好。
表头上有四条刻度线，它们的功能如下：
第一条（从上到下）标有R或Ω，指示的是电阻值，转换开关在欧姆挡时，即读此条刻度线。
第二条标有∽和VA，指示的是交、直流电压和直流电流值，当转换开关在交、直流电压或直流电流挡，量程在除交流10V以外的其它位置时，即读此条刻度线。
第三条标有10V，指示的是10V的交流电压值，当转换开关在交、直流电压挡，量程在交流10V时，即读此条刻度线。
第四条标有dB，指示的是音频电平。
1.2.2测量线路
万用表的测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，它由电阻、半导体元件及电池组成。
它能将各种不同的被测量（如电流、电压、电阻等）不同的量程，经过一系列的处理（如整流、分流、分压等）统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。
1.2.3转换开关
万用表中各种测量种类及量程的选择是靠转换开关的切换来实现的。
转换开关里面有固定触点和活动触点，当固定触点和活动触点闭合时接通电路。
活动触点称为“刀”,固定触点通常称为“掷”。
万用表中所用的转换开关往往都是特别的，通常有多刀和几十个掷，各刀之间是相互同步联动的，旋转“刀”的位置可以使得某些活动触点与固定触点闭合，从而相应的接通所需要的测量电路。
1.3万用表的结构特征
万用表采用高灵敏度的磁电系整流式表头，造型大方，设计紧凑，结构牢固，携带方便，零部件均选用优良材料及工艺处理，具有良好的电气性能和机械强度。
其特点为：
测量机构采用高灵敏度表头，性能稳定；
线路部分保证可靠、耐磨、维修方便；
测量机构采用硅二极管保护，保证过载时不损坏表头，并且线路设有0.5A保险丝以防止误用时烧坏电路；
设计上考虑了湿度和频率补偿；
低电阻档选用2＃干电池，容量大、寿命长；
装有提把，不仅便于携带，而且可在必要时作倾斜支撑，便于读数。
1.4万用表的应用
在电子电路的测试、家用电器设备的维修、电子仪器检修、电子元器件测量中，万用表是最普及、最常用的测量仪表。
由于它操作简单、功能齐全、便于携带、一表多用等特点，深受电工、电子专业工作者及广大无线电爱好者的喜爱。
事实证明，万用表不及能检测电工、电子元器件的性能优劣，查找电子、电气线路的故障，估测某些电气参数，有时还能代替专用测试仪器，获得比较准确的结果，基本上可以满足电工、电子专业人员和业余无线电爱好者的需要。
因此，推广万用表的应用技术，实现一表多用，既符合节约精神，又可在一定的程度上克服缺少专用仪器的困难。
2万用表的设计
2.1万用表的基本工作原理
万用表对被测电量进行测量的过程，是由测量电路实现的。
如果要设计一个型号的万用表，则首先要明白其最基本的工作原理，然后再按照所设计的万用表功能而进行电路的具体设计，这里先介绍一下万用表的基本工作原理见（图2.1）。
图2.1指针式万用表最基本的的工作原理
它由表头、电阻测量档、电流测量档、直流电压测量档和交流电压测量档几个部分组成，图中“－”为黑表棒插孔，“＋”为红表棒插孔。
当我们把档位开关旋钮SA打到交流电压档时，通过二极管VD整流，电阻R3限流，由表头显示出来；
当打到直流电压档时不须二极管整流，仅须电阻R2限流，表头即可显示；
打到直流电流档时既不须二极管整流，也不须电阻R2限流，表头即可显示；
测电阻时将转换开关SA拨到Ω档，这时外部没有电流通入，因此必须使用内部电池作为电源，设外接的被测电阻为Rx，表内的总电阻为R，形成的电流为I，由Rx、电池E、可调电位器RP、固定电阻R1和表头部分组成闭合电路，形成的电流I使表头的指针偏转。
红表棒与电池的负极相连，通过电池的正极与电位器RP及固定电阻R1相连，经过表头接到黑表棒与被测电阻。
Rx形成回路产生电流使表头显示。
回路中的电流为：
式（2.1）
从上式可知：
I和被测电阻Rx不成线性关系，所以表盘上电阻标度尺的刻度是不均匀的。
当电阻越小时，回路中的电流越大，指针的摆动越大，因此电阻档的标度尺刻度是反向分度。
当万用表红黑两表棒直接连接时，相当于外接电阻最小Rx=0，那么：
式（2.2）
此时通过表头的电流最大，表头摆动最大，因此指针指向满刻度处，向右偏转最大，显示阻值为0Ω.请看电阻档的零位是在左边还是在右边，其余档的零位与它一致吗？
反之，当万用表红黑两表棒开路时Rx→∞，R可以忽略不计，那么：
式（2.3）
此时通过表头的电流最小，因此指针指向0刻度处，显示阻值为∞。
2.1.1直流电流的测量
万用表的直流测量电路，实质上是一个多量程的直流电流表。
通常采用闭路式多量程分流器电路构成，见（图2.2）
图2.2直流电流测量电路
其关系式:
式（2.4）
式（2.5）
式（2.6）
式中，Rp=R1+R2+R3+R4,测量电路中，各分流电阻彼此串联，再与表头并联，形成一个闭合环路，经转换开关切换，改变与表头并联的分流电阻阻值，以实现测量不同量程的电流。
并联分流电阻的个数越多，并联支路电阻值就越大，其直流电流的量程就越小。
图中所示的电路中，R1—R3为分流电阻，经转换开关切换在不同位置上，直流电流量程I1>
I2>
I3。
2.1.2直流电压的测量
万用表的直流电压测量电路，实质上是一个多量程的直流电压表。
采用附加电阻与表头的串联，可以扩大电压测量的范围。
万用表常用的电路是高低电压档的附加电阻共用，即共用式附加电阻电路，见（图2.3）所示。
图2.3直流电压测量电路
其关系式：
式（2.7）
式（2.8）
式（2.9）
式中，R0是电流表的等效电阻，Sv称为直流电压灵敏度，它是电流表灵敏度的倒数。
例如，用50μA的电流表装成直流电压表，则Sv=1/50μA=20000Ω=20KΩ/V。
共用式电路中，高电压档的附加电阻共用了低压档的附加电阻。
这种电路的优点是可以节省绕制电阻的材料，但这种电路也有缺点，那就是当低电压档的附加电阻坏了，则高电压档也不能工作。
2.1.3交流电压的测量
由于万用表的表头是一个磁电系动圈式测量机构，只能接受直流信号，而不能直接接受交流信号。
用磁电系的表头测量交流电量，必须把交流信号整流成直流信号，再送给磁电系表头，即把被测的交流电转换成相应的直流电，才能进行交流电测量。
万用表的交流电压测量电路用的是半波整流或全波整流及共用附加电阻电路，见（图2.4）
图2.4交流电压测量电路
KO=P×
η×
K式（2.10）
式（2.11）
R10V=SV×
10
式（2.11）
R50V=SV×
50
式（2.12）
R250V=Sv×
250
式（2.13）
R500V=SV×
500
式（2.14）
式中，K0为整流电路的工作总功率。
P是整流因数，全波为1，半波为1/2.η是整流元件的整流效率，锗二极管η在0.98~1.00，硅二极管的η≈1.00。
表中的Sv是交流电压的灵敏度。
Rvo是由直流电流表等效内阻与整流元件内阻共同构成的整流系电压表内阻。
磁电系测量机构加上整流电路构成的整流式仪表，指针偏转角正比于整流电流的平均值，而正弦交流电的有效值与相应整流输出的平均值之间，存在着确定的正比关系，所以只要在万用表的刻度上，按正弦波的有效值来刻度，就可以直接读出正弦交流电的有效值。
显然，利用万用表测量非正弦交流电的有效值，将会由于波形的差异而带来测量误差。
由于受二极管非线性伏安特性和温度特性的影响，万用表的交流档的灵敏度要比直流档的灵敏度低。
2.1.4电阻的测量
万用表的电阻测量电路，实质上是一个多量程的电阻表。
电阻表的基本原理见（图2.5）所示
图2.5电阻测量电路
其关系式：
式（2.15）
式（2.16）
式（2.17）
式（2.18）
…式（2.19）
式中，Im是将表头扩展成简单最小整数的电流值。
Rz1表示电阻×
1的中心电阻值，Rz10表示电阻×
10档的中心电阻值，其余类推。
RP为电位器代号。
E’是欧姆表内附电源的计算值。
当表内电池电压E，表内电阻RC和调零电位器电阻RP一定时，表头电流I与被测电阻RX之间存在一定的对应关系，即不同的被测电阻RX就会有不同的表头电流I。
如果表头的刻度线直接按电阻值刻度，就可以直接读出电阻值的大小，所以测电阻值实际上仍是测电流值。
2.2各测量档的原理及设计过程
2.2.1档位设计要求
（1）直流电流档测量量程分5档
50μA;
0.5mA;
5mA;
50mA;
500mA
（2）直流电压档测量量程分6档
0.5V;
2.5V;
10V;
50V;
250V;
500V
（3）交流电压档测量量程分4档
10V;
500V;
（4）直流电阻档测量量程分4档
R×
1Ω;
10Ω;
1KΩ;
10KΩ
（5）音频电平档
﹣10——﹢22dB
2.2.2测量档的设计
根据所设计万用表的参数及其档位的要求，我设计出了以下的电路。
（1）直流电流档的设计见（图2.6）
从图中可以看出，利用转换开关的活动连接片“a”刀、“b”刀分别将固定触点1、2、3、4、5接到金属片A上，可以的得到五个不同的测量直流电流的量限。
0.5―500mA的四个电流量限采用的是闭路式分流器电路，而最小的电流量程0.05mA档除把0.5mA―500mA档的元件作为表头的分流支路外，另外单独配用了分流电阻以实现分流。
例如，当转换开关接通0.05mA的触点时，R1―R9与表头电阻RP、R10、R11并联构成分流器，此时分流电阻最大，所以电流最小。
当转换开关接通0.5mA的触点时，R1―R4与表头电阻R5―R9、RP并联构成分流器，由于与表头并联的分流电阻相对减小，所以量程就变大。
当转换开关接到“3”位置时，转换开关“A”的活动连接片“a”刀、“b”刀的“3”接通了5mA的电流档，分流电阻R1―R3构成了5mA电流档的分流器，与表头电阻R4―R9、RP并联，此时的分流电阻又相对的减小，所以电流档量程增大。
其他量程读者可以自己分析。
总之，万用表的电流档是由多多个电阻与表头并联，构成多量程的电流表，量程越大，则分流电阻就越小，串到表头支路的电阻个数就越多。
图2.6直流电流档测量电路
（2）直流电压档的设计见（图2.7）
从图中可以看出，利用转换开关的活动连接片“a”刀、“b”刀分别将固定触点5、6、7、8、、9、10接到金属片A或B上，相应可以得到六个不同的测量直流电压的量限。
只有最低电压档0.5V是单独配用附加电阻，其他各档则采用共用附加电阻的电路。
在这个电路中，表头仍保持与电流档所用的各分流电阻并联，然后串联附加电阻，这就相当于一个灵敏度较低而电阻较小的表头与附加电阻串联。
其好处是，可以使得电流电压档与交流电压档共用一个附加电阻元件。
例如，当转换开关A的活动连接片“a”刀、“b”刀与触点“5”连接时，此时与表头
串联的附加电阻只有5.5KΩ。
路径是：
从“＋”开始→A→a→b→5.5KΩ→2.33KΩ→1.4/2KΩ→μA→“－”。
因只串联一个5.5KΩ的分压电阻，所以量程最小，只能测量0.5V以下的直流电压。
当转换开关B的活动连接片“a”刀、“b”刀与固定触点“6”连接时，此时与表头串联的附加电阻路径是：
从“＋”开始→经35.5KΩ＋10KΩ→a→b→2.33KΩ→1.4/2KΩ→μA→“－”。
由于串联的附加电阻比较小，因此量程比较小，接通的是2.5V直流电压档。
当活动连接片“a”、“b”与触点“7”连接时，表头串联的附加电阻路径是：
从转换开关A的“＋”开始：
经35.5KΩ→10KΩ→150KΩ→“7”→a→b→B→2.33KΩ→1.4/2KΩ→μA→“－”。
因串联的附加电阻比2.5V档增加了一个150KΩ的电阻，所以量程增大为10V档。
当滑动刀“a”和“b”接通了固定触点“8”时，表头串联电阻是：
35.5KΩ→10KΩ→150KΩ→800KΩ→“8”→a→b→B→2.33KΩ→1.4/2KΩ→μA→“－”。
由于表头串联的附加电阻比10V档又增加了一个800KΩ的电阻，所以量程增大为50V。
读者可以自己分析250V档和500V档。
总之，多量程电压档，是靠改变与表头支路串联的附加电阻的阻值而达到改变其量程的目的，串联的附加电阻个数越多，则量程也就越大。
图2.7直流电压档测量电路
（3）交流电压档的设计见（图2.8）
从图中可以看出，由VD2组成的半波整流电路，采用的整流元件是2CP6或2CP硅二极管。
VD1起保护作用，它为反向电压提供泄放回路，以防止将VD2反向击穿。
该电路仍保留着用于直流电流档的分流电阻，它共用四个交流电压量程。
通过转换开关的“a”刀、“b”刀可以分别得到四个不同的测量交流电压的量程。
当转换开关C的活动连接片“a”和“b”接通10V交流电压档时，交流电流流经35.5Ω的附加电阻→“a”→“b”→经VD2整流为直流送给磁电式表头。
当转换开关C的活动连接片“a”和“b”接通50V交流电压档时，交流信号经35.5KΩ+10KΩ+150KΩ附加电阻→“a”→“b”→经VD2整流为直流送给磁电式表头。
图2.8交流电压档测量电路
当转换开关C的活动连接片“a”和“b”接通250V交流电压档时，交流信号经35.5KΩ+10KΩ+150KΩ+180KΩ附加电阻→“a”→“b”→经VD2整流为直流送给磁电式表头。
当转换开关C的活动连接片“a”和“b”接通500V交流电压档时，交流信号经35.5KΩ+10KΩ+150KΩ+180KΩ+1MΩ附加电阻→“a”→“b”→经VD2整流为直流送给磁电式表头。
通过以上的分析得知，交流电压档测量高低不同的电压时，也是以串联不同的附加电阻实现的，电压越高，串联的附加电阻就越大。
本电路采用闭合路式，即高量程档共用了低电量程档的附加电阻。
另外，为了使电路尽可能简化，交流电压的附加电阻也共用了直流电压的附加电阻。
（4）电阻档的设计见（图2.9）
图2.9电阻档测量电路
电路中3KΩ电位器为欧姆调零电位器，22.5KΩ电阻为表头的限流电阻。
该电路共有四个欧姆档，每一档的测量电路，都是通过转换开关切换而成的，活动连接片“a”刀、“b”刀、“c”刀分别将固定触点16、17、18、15接到金属片D和E上，就相应得到R×
1、R×
10、R×
1K、R×
10K四个测量电阻的倍率档。
各档的欧姆中心值分别为18Ω、180Ω、18KΩ和180KΩ。
2.3万用表总电路的设计
根据章节2.2.2中各档的测量电路，依此来组合成总电路图见（图2.10）
它的显示表头是一个直流μA表，两个二极管反向并联并与电容并联，用于保护限制表头两端的电压起保护表头的作用，使表头不至电压、电流过大而烧坏。
电阻档分为×
1Ω、×
10Ω、×
1kΩ、×
10kΩ、几个量程，当转换开关打到某一个量程时，与某
图2.10万用表测量电路的总电路图
一个电阻形成回路，使表头偏转，测出阻值的大小。
它由5个部分组成：
公共显示部分；
直流电流部分；
直流电压部分；
交流电压部分和电阻部分。
线路板上每个档位的分布，最左面为直流电流档，其次为直流电压档，然后为交流电压档，最右边是电阻档。
值得注意的是，测量交流电压档的附加电阻大部分是共用直流电档的附加电阻，从总电路中可以看出，交流250V档的附加电阻就是直流电压50V档的附加电阻。
可见，交流电压档内阻的每伏欧姆数比直流的要低5倍，这就是因为采用了整流电路之后，半波整流使效率较低的缘故。
电路中与表头相并联的3μF的电解电容，是用来平滑整流后的脉动电压的，可使万用表在测量低于10Hz的低频电压时指针不至于抖动。
2.4电路参数
根据目录2.1中各测量电路的基本原理及分流电阻的计算公式，计算出所设计电路的各元件的参数，见附录（表2.1）。
表2.1电路元件参数
序号
名称
规格
R1
碳膜电阻
154KΩ
R9
绕线电阻
10.8Ω
R17
5MΩ
R2
22.5KΩ
R10
108Ω
R18
4MΩ
R3
60KΩ
R11
3KΩ
R19
5.5KΩ
D
硅二极管
2CP6或2CP11
R12
碳膜电位器
470Ω
R20
800KΩ
R5
181Ω
R13
3.9KΩ
R21
150KΩ
R6
17.4Ω
R14
1MΩ
R22
35.5KΩ
R7
1.2Ω
R15
2.33KΩ
R23
R8
1080Ω
R16
小型电解电容器
3μF∕15V
3万用表的使用方法及注意事项
在使用前应检查指针是否指在机械零位上,如不指在零位时，可旋转表盖的调零器使指针指示在零位上。
将测试棒红黑插头分别插入“+”“—”插座中。
3.1直流电流测量
测量0.05~500mA时，转动开关至所需电流档，测量5A时,转动开关可放在500mA直流电流量限上而后将测试棒串接于被测电路中。
3.2交直流电压测量
测量交流10~1000V或直流0.25~1000V时,转动开关至所需电压档。
测量交直流2500V时，开关应分别旋转至交流1000V或直流1000V位置上,而后将测试棒跨接于被测电路两端。
3.3直流电阻测量
装上电池，转动开关至所需测量的电阻档，将测试棒二端短接,调整零欧姆调整旋钮，使指针对准欧姆“0”位上,（若不能指示欧姆零位，则说明电池电压不足,应更换电池），然后将测试棒跨接于被测电路的两端进行测量。
准确测量电阻时,应选择合适的电阻档位，使指针尽量能够指向表刻度盘中间三分之一区域。
测量电路中的电阻时,应先切断电路电源,如电路中有电容应先行放电。
当检查电解电容器漏电电阻时,可转动开关到R×
1K档，测试棒红杆必须接电容器负极，黑杆接电容器正极。
3.4音频电平测量
在一定的负荷阻抗上,用以测量放大极的增益和线路输送的损耗，测量单位以分贝表示音频电平与功率电压的关系式是：
NdB=10log10P2/P1=20log10V2/V1音频电平的刻度系数按0dB=1mW600Ω输送线标准设计，即V1=（PZ）1/2=（0.001×
600）1/2=0.775V，P2、V2分别为被测功率或被测电压。
音频电平是以交流10V为基准刻度，如指示值大于+22dB时可以在50V以上各量限测量：
其示值可按以下所示值修正。
量限，按电平刻度增加值，电平的测量范围10V-10~+22dB；
50V14dB+4~+36dB；
250V28dB+18~+50dB；
500V34dB+24~+56dB测量方法与交流电压基本相似，转动开关至相应的交流电压档,并使指针有较大的偏转。
如被测电路中带有直流电压成份时，可在“+”插座中串接一个0.1μf的隔离电容器。
3.5电容测量
转动开关至交流10V位置,被测量电容串接于任一测试棒，而后跨接于10V交流电压电路中进行测量。
3.6电感测量
与电容测量方法相同。
3.7晶体管直流参数的测量
3.7.1三极管管脚极性的辨别（将万用表置于Ω×
1K档）
①判定基极b：
由于b到c―b至e分别是二个PN结,它的反向电阻很大,而正向电阻很小。
测试时可任意取晶体管一脚假定为基极.将红测试棒接“基极”。
黑测试棒分别去接触另二个管脚，如此时测得都是低阻值,则红测试棒所接触的管脚即为基极b，并且是P型管，（如用上法测得均为高阻值，则为N型管）。
如测量时二个管脚的阻值差异很大，可另选一个管脚为假定基极,直至满足上述条件为止。
②判定集电极c：
对于PNP型三极管，当集电极接负电压,发射极接正电压时，电流放大倍数才比较大，而NPN型管则相反。
测试时假定红测试棒接集电极c，黑测试棒接发射极e，记下其阻值,而后红黑测试棒交换测试，将测得的阻值与第一次阻值相比,阻值小的红测试棒接的是集电极c，黑的是发射极e，而且可判定是P型管（N型管则相反）。
3.7.2二极管极性判别
测试时选R×
100档,黑测试棒一端测得阻值小的一极为正极。
万用表在欧姆电路中，红测试棒为电池负极,黑的为电池正极。
注意：
以上介绍的的测试方法，一般都用R×
100，R×
1K档，如果用R×
10K档，则因该档用15V的较高电压供电，可能将被测二极管的PN结击穿，若用R×
1档测量,因电流过大（约90mA）,也可能损坏被测二极管。
原理图见（图3.1）
图3.1测量二极管极性的原理
3.8万用表的使用注意事项
（1）测量时不能用手触摸表棒的金属部分，以保证安全和测量准确性。
测电阻时如果用手捏住表棒的金属部分，会将人体电阻并接于被测电阻引起测量误差。
（2）测量直流量时注意被测量的极性，避免反偏打坏表头。
（3）不能带电调整档位或量程，避免电刷的
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