指针式万用表原理设计与组装调试论文文档格式.docx
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4.3电路调试和故障分析14
第五章总结15
参考资料15
附录：
MF-47万用表原理图16
第一章课程设计的目的
1.1万用表简介
图1-1
指针万用表
万用表又叫多用表、三用表、复用表，万用表分为指针式万用表和数字万用表引。
是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数（如β）。
万用表的结构
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）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。
（2）测量线路
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。
（3）转换开关
其作用是用来选择各种不同的测量线路，以满足不同种类和不同量程的测量要求。
转换开关一般有两个，分别标有不同的档位和量程。
万用表符号含义
（1）~表示交直流
（2）V－2.5KV4000Ω/V表示对于交流电压及2.5KV的直流电压挡，其灵敏度为4000Ω/V
（3）A－V－Ω表示可测量电流、电压及电阻
（4）45－65－1000Hz表示使用频率范围为1000Hz以下，标准工频范围为45－65Hz
（5）2000Ω/VDC表示直流挡的灵敏度为2000Ω/V
钳表和摇表盘上的符号与上述符号相似（其他因为符号格式不对不能全部写上『表示磁电系整流式有机械反作用力仪表『表示三级防外磁场『表示水平放置）））
1.2课程设计的目的
1.进一步掌握万用表的组成与工作原理，掌握实际电路的设计方法和技巧。
2.熟悉常用电子元件、电工工具与仪表。
3.提高电工电子的实际操作技能和技巧。
4.熟悉产品的焊接工艺装配工艺和调试技巧。
5.掌握常见故障的处理方案与维修的基本技巧。
第二章万用表电路原理图设计
2.1万用表工作原理
指针式万用表的工作原理
图2-1
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。
测电压和电流时，外部有电流通入表头，因此不须内接电池。
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；
打到直流电档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：
I
＝
E
Rx+R
公式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：
I
R
公式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：
≈
→
Rx
公式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∞。
MF47型万用表的工作原理：
它的显示表头是一个直流μA表，WH2是电位器用于调节表头回路中的电流大小，D3、D4两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、×
100Ω、×
1kΩ、×
10kΩ、几个量程，当转换开关打到某一个量程时，与某一个电阻形成回路，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；
保护电路部分；
直流电流部分；
直流电压部分；
交流电压部分和电阻部分。
2.2原理图的设计
图2-2
第三章元件的识别与选择
3.1电阻的识别与选择
一、电阻器的分类
用途：
稳定和调节电路中的电流和电压，其次还可以作为分流器、分压器和消耗电能的负载等。
按结构分类：
固定式和可变式
1.固定式
根据工艺的不同分为：
膜式电阻：
碳膜电阻ＲＴ、金属膜电阻ＲＪ、合成膜电阻ＲＨ、氧化膜电阻ＲＹ
实芯电阻：
有机实芯电阻ＲＳ、无忌实芯电阻ＲＮ
特殊电阻：
ＭＧ型光敏电阻、ＭＦ型热敏电阻
2.可变式电阻
分为滑线式变阻器和电位器。
其中应用最广的是电位器。
电位器是由三个接头的可变电阻器，分为薄膜和线绕两种。
薄膜又可分为ＷＴＸ型小型碳膜电位器，ＷＴＨ型合成碳膜电位器，ＷＳ型有机实芯电位器，ＷＨＪ型精密合成膜电位器和ＷＨＤ型多圈合成膜电位器。
线绕的电位器误差不大于10％，非线绕不大于２％.
阻值变化关系：
Ｘ式：
直线（用于示波器的聚焦和外用表的调零）；
Ｄ式：
对数式（电视机的对比度：
先粗调后细调）；
Ｚ式（指数式）先细调后粗调。
二、电阻器的主要性能指标
1.额定功率
额定功率分十九个等级，常用的有1/20W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、4W、5W.....为保证安全使用，一般选其额定功率的1～2倍。
2.标称阻值（乘以10的n次方）
E24：
1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1
E12：
1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2
E6：
1.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8
3.允许误差
4.最高工作电压
一般1/8W的碳膜电阻器或金属膜电阻器工作电压分别不能超过150V或200V。
三、电阻的简单测试
1.根据欧姆定律简单测量
2.根据单臂电桥（惠斯登电桥）和双臂电桥（凯尔文电桥）
四、选用电阻器常识
1、根据电子设备技术指标和电路具体高球选择电阻型号和误差等级。
2、为提高可靠性，延长使用寿命，额定功率需大于实际消耗功率的1.5～2.0倍
3.电阻装接前要测量核准，头其实精密电子仪器装配设计时要经过人工老化处理，以提高稳定性
4.若非色环电阻，应将电阻标称值朝上，方便观察
5.焊接时时间不能过长
6.高频电路需注意电阻的选用，此时电阻可等效为一个R、L、C二端线性网络。
绕线电阻不能用到高频电路中
7.电路中如需串联、并联来获得所需阻值的，投影考虑其额定功率。
五、选择原则
1.金属膜电阻：
稳定性好、温度系数小、噪声小、用在要求较高的电路中、适合运放电路、宽带放大电路、不变放大电路和高频放大电路。
2.金属氧化膜电阻：
有好的脉冲、高频特性，其他同上
3.碳膜电阻：
温度系数为负，噪声大，精度等级低，用于一般场合
4.线绕电阻：
精度高、分布参数大，不适合高频电路
5.半导体电阻（敏感电阻）：
可作为传感器
3.2二极管的识别与选择
二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极）,也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。
发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。
半导体最重要的两种元素是硅（读“gui”）和锗（读“zhe”）
。
二极管的电流
每只二极管只在半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即
公式3-1
二极管承受的最大反向电压，由电路图可知，
公式3-2
最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR
考虑电源电压波动±
10％，在选用二极管时，至少有10%的余量，选择最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR分别为
公式3-3
单相桥式整流电路的优点：
输出电压高、变压器利用率高、脉动小。
单相桥式整流电路的缺点：
二极管的数量多，二极管的正向电阻不为零，整流电路内阻大，损耗也较大。
目前有不同性能指标的集成电路作为桥式整流电路，称之为“整流桥堆”。
3.3电容的识别与选择
识别方法：
电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。
电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：
毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
其中：
1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10uF/16V容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：
1m=1000uF1P2=1.2PF1n=1000PF数字表示法：
一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。
如：
102表示10×
102PF=1000PF224表示22×
104PF=0.22uF＃3、电容容量误差表符号FGJKLM允许误差±
1%±
2%±
5%±
10%±
15%±
20%如：
一瓷片电容为104J表示容量为0.1uF、误差为±
5%。
电容器是实现电源的宽范围电压和电流组合的最关键的无源元件之一。
尽管每种电容器都能储存电能，但对于特定的应用来说，电介质技术在电容器的选择中起着重要的作用。
电容器在电源中最重要的应用是在存储能量、浪涌电压保护、EMI抑制和控制电路等方面。
我们可以了解到针对不同的应用领域，这些电介质技术彼此竞争或互为补充的关系。
储能
储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。
电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000ΜF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。
根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。
要选择合适的电容值，需查看其额定直流电压、允许的电压波纹和充/放电周期。
但是，在选择用于该应用的电解电容器时，应当考虑以下参数。
典型电源中的电容器波纹电流为各个频率上的波纹电流的组合。
波纹电流的RMS（均方根）值决定了电容器的温升。
常见的一个错误是通过把各个频率上的波纹电流的平方值相加来计算RMS电流负载。
实际上，必须考虑到随着波纹频率的增加，电容器的ESR下降。
正确的做法是根据波纹因子的频率图估算出高频（到100HZ）时的波纹电流。
采用估算的电流平方值来确定波纹电流。
这才是真实的电流负载。
由于环境温度决定着负载条件下的电容器寿命，因此，那些声誉卓著的制造商们均精确定义了波纹电流负载、环境温度与概率寿命之间的关系。
在实际工作条件下，利用波纹电流负载和环境温度来确定概率寿命，而将公布的概率寿命作为绝对值。
3.4电位器的识别
电位器也可理解成阻值可变的可调电阻，但它并不同于可变电阻，电位器的引脚都在3脚以上。
电位器的作用主要是调节各种信号或电压的值，除了主机中的各板卡以外，它的使用还是很广泛的，从彩显到有源多媒体音箱几乎所有设备都有电位器的存在。
在通常情况下，我们最好不要去动电路中的电位器（机外各种调节旋钮电位器除外），尤其是电源部分的，因为很多值我们在手工条件下是根本无法调节到最佳值的。
当然，如果是因为损坏而一定要更换时就另当别论了，但是也一定要选用同一规格的电位器且要把它调到和原电位器差不多的条件下再试机，这样做就可保险一些了。
另外电位器的制作材料也是不尽相同的，大体上分三类：
金属膜电位器、合成碳质电位器、金属－玻璃釉电位器。
第四章MF47万用表硬件制作和调试
4.1锡焊技术
1．掌握好加热时间
锡焊时可以采用不同的加热速度，例如烙铁头形状不良，用小烙铁焊大焊件时我们不得不延长时间以满足锡料温度的要求。
在大多数情况下延长加热时间对电子产品装配都是有害的，这是因为
（1）焊点的结合层由于长时间加热而超过合适的厚度引起焊点性能劣化。
（2）印制板，塑料等材料受热过多会变形变质。
（3）元器件受热后性能变化甚至失效。
（4）焊点表面由于焊剂挥发，失去保护而氧化。
结论：
在保证焊料润湿焊件的前提下时间越短越好。
2．保持合适的温度
如果为了缩短加热时间而采用高温烙铁焊校焊点，则会带来另一方面的问题：
焊锡丝中的焊剂没有足够的时间
在被焊面上漫流而过早挥发失效；
焊料熔化速度过快影响焊剂作用的发挥；
由于温度过高虽加热时间短也造成过热现象。
保持烙铁头在合理的温度范围。
一般经验是烙铁头温度比焊料熔化温度高50℃较为适宜。
理想的状态是较低的温度下缩短加热时间，尽管这是矛盾的，但在实际操作中我们可以通过操作手法获得令人满意的解决方法。
3．用烙铁头对焊点施力是有害的
烙铁头把热量传给焊点主要靠增加接触面积，用烙铁对焊点加力对加热是徒劳的。
很多情况下会造成被焊件的损伤，例如电位器，开关，接插件的焊接点往往都是固定在塑料构件上，加力的结果容易造成原件失效。
锡焊操作要领
1．焊件表面处理
手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子零件和导线，除非在规模生产条件下使用“保险期”内的电子元件，一般情况下遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作，去除焊接面上的锈迹，油污，灰尘等影响焊接质量的杂质。
手工操作中常用机械刮磨和酒精，丙酮擦洗等简单易行的方法。
2．预焊
预焊就是将要锡焊的元器件引线或导电的焊接部位预先用焊锡润湿，一般也称为镀锡，上锡，搪锡等。
称预焊是准确的，因为其过程合机理都是锡焊的全过程——焊料润湿焊件表面，靠金属的扩散形成结合层后而使焊件表面“镀”上一层焊锡。
预焊并非锡焊不可缺少的操作，但对手工烙铁焊接特别是维修，调试，研制工作几乎可以说是必不可少的。
3．不要用过量的焊剂
适量的焊剂是必不可缺的，但不要认为越多越好。
过量的松香不仅造成焊后焊点周围需要清洗的工作量，而且延长了加热时间（松香融化，挥发需要并带走热量），降低工作效率；
而当加热时间不足时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷；
对开关元件的焊接，过量的焊剂容易流到触点处，从而造成接触不良。
合适的焊剂量应该是松香水仅能浸湿将要形成的焊点，不要让松香水透过印制板流到元件面或插座孔里（如IC插座）。
对使用松香芯的焊丝来说，基本不需要再涂焊剂。
4．保持烙铁头的清洁
因为焊接时烙铁头长期处于高温状态，又接触焊剂等受热分解的物质，其表面很容易氧化而形成一层黑色杂质，这些杂质几乎形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。
因此要随时在烙铁架上蹭去杂质。
用一块湿布或湿海绵随时擦烙铁头，也是常用的方法。
5．加热要靠焊锡桥
非流水线作业中，一次焊接的焊点形状使多种多样的，我们不可能不断换烙铁头。
要提高烙铁头加热的效率，需要形成热量传递的焊锡桥。
所谓焊锡桥，就是靠烙铁上保留少量焊锡作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。
显然由于金属液的导热效率远高于空气,而使焊件很快被加热到焊接温度,如图四。
应注意作为焊锡桥的锡保留量不可过多。
6．焊锡量要合适
过量的焊锡不但毫无必要地消耗了较贵的锡，而且增加了焊接时间，相应降低了工作速度。
更为严重的是在高密度的电路中，过量的锡很容易造成不易察觉的短路。
但是焊锡过少不能形成牢固的结合，降低焊点强度，特别是在板上焊导线时，焊锡不足往往造成导线脱落。
7．焊件要牢固
在焊锡凝固之前不要使焊件移动或振动，特别使用镊子夹住焊件时一定要等焊锡凝固再移去镊子。
这是因为焊锡凝固过程是结晶过程，根据结晶理论，在结晶期间受到外力（焊件移动）会改变结晶条件，导致晶体粗大，造成所谓“冷焊”。
外观现象是表面无光泽呈豆渣状；
焊点内部结构疏松，容易有气隙和裂隙，造成焊点强度降低，导电性能差。
因此，在焊锡凝固前一定要保持焊件静止，实际操作时可以用各种适宜的方法将焊件固定，或使用可靠的夹持措施。
8．烙铁撤离有讲究
烙铁处理要及时，而且撤离时的角度和方向对焊点形成有一定关系。
撤烙铁时轻轻旋转一下，可保持焊点适当的焊料，这需要在实际操作中体会。
4.2硬件电路制作过程和工艺要求
1.表头安装
2.电刷安装
3.印刷电路板安装
4.大旋钮的安装
5.提把的安装
4.3电路调试和故障分析
调试过程：
1.按说明书调试步骤2将档位旋至0.5V150μA处，用另一块数字万用表测量所装万用表红黑表笔间的电阻值，应为4.9K——5.1K之间。
2.检测直流电压档：
用DCV2.5V检测一节2号干电池（1.5V）电压，应在1.5V——1.7V之间
3.检测点阻挡：
先将档位旋至点阻挡，红黑表笔短节，用调零电位器调零。
指针直到Ω档0刻度后，再测一个电阻的阻值，应该和你原来测得的数值相同。
注意：
测量电阻时应装入干电池
4.电流档检测
DCmA、50mA档测2号1.5V干电池串联180Ω电阻电路的电流，应为7.8——8.2mA之间。
第五章总结
通过本次课程设计，我对MF47型号万用表有了认知和了解，并通过和小组同学的合作完成了对万用表电路板的焊接过程和组装过程，虽然有些累但是很成功，对于电路方面更真实的接触，使我感到愉快，与此同时产生了深厚的兴趣。
小组的共同努力也体现了合作精神和吃苦耐劳的精神。
但在实践过程中我发现，我们是需要很谨慎的。
对于电路，错一个小电阻就会影响性能，接错一根线就会使仪器无法正常使用。
这样是严重也培养了我们谨慎的作风。
实践中我们要注意人身安全，比如电烙铁要正确放置和使用。
对于实验器材我们要爱护。
报告的完成，是我电脑方面又增加了许多知识，明白还有很多要学习。
最后希望以后有更多的实践机会，来增强动手能力，希望学校的实验室会更加完善。
参考资料
[1]韩广兴编著.万用表检测技能上岗实训.电子工业出版社,2008
[2]沙占友等编著.便携式数字万用表原理与维修.电子工业出版社,2008
[3]杜虎林编著.指针式万用表实用测量技法与故障检修。
人民邮电出版社，2002
MF-47万用表原理图
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