万用表的设计doc.docx

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万用表的设计doc

摘要

万用表的发展迄今已有百年的历史，当今时代尽管各种电子侧量仪器、仪表日新月异，发展迅速。

但就单台整机所具有的测试功能，使用灵活及广泛性而言，它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，其操作简单，携带方便，容易维修，价格低廉，而且便于观察，便于测量。

目前万用表在我国应用十分的广泛，涉及到的领域之多，应用之深。

已经到很高的水平！

本次设计就是根据所掌握的电子知识设计指针式万用表！

已达到使用的高精度要求。

关键字：

直流电压直流电流磁场电路电阻及模拟运算放大器等

目录

1设计准备

1.1认识万用表

1.2万用表符号含义

1.3万用表的使用方法及注意事项

2设计过程

2.1模拟指针式万用表的表头电路

2.2模拟万用表测量直流电压直流电流及测电阻的原理分析

2.3直流电压直流电流及电阻测量的电路图

2.4模拟指针式万用表的搭接电路及进行调试

总结

致谢

1设计准备

1.1认识万用表

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。

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。

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。

1.2万用表的使用

熟悉表盘上各符号的意义及各个旋钮和选择开关的主要作用。

进行机械调零。

根据被测量的种类及大小，选择转换开关的挡位及量程，找出对应的刻度线。

选择表笔插孔的位置。

测量电压：

测量电压（或电流）时要选择好量程，如果用小量程去测量大电压，则会有烧表的危险；如果用大量程去测量小电压，那么指针偏转太小，无法读数。

量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。

如果事先不清楚被测电压的大小时，应先选择最高量程挡，然后逐渐减小到合适的量程。

交流电压的测量：

将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于交流电压的合适量程上，万用表两表笔和被测电路或负载并联即可。

直流电压的测量：

将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于直流电压的合适量程上，且“+”表笔（红表笔）接到高电位处，“-”表笔（黑表笔）接到低电位处，即让电流从“+”表笔流入，从“-”表笔流出。

若表笔接反，表头指针会反方向偏转，容易撞弯指针。

测电流：

测量直流电流时，将万用表的一个转换开关置于直流电流挡，另一个转换开关置于50uA到500mA的合适量程上，电流的量程选择和读数方法与电压一样。

测量时必须先断开电路，然后按照电流从“+”到“-”的方向，将万用表串联到被测电路中，即电流从红表笔流入，从黑表笔流出。

如果误将万用表与负载并联，则因表头的内阻很小，会造成短路烧毁仪表。

其读数方法如下：

实际值＝指示值×量程/满偏

测电阻：

用万用表测量电阻时，应按下列方法*作：

机械调零。

在使用之前，应该先调节指针定位螺丝使电流示数为零，避免不必要的误差。

选择合适的倍率挡。

万用表欧姆挡的刻度线是不均匀的，所以倍率挡的选择应使指针停留在刻度线较稀的部分为宜，且指针越接近刻度尺的中间，读数越准确。

一般情况下，应使指针指在刻度尺的1/3~2/3间。

欧姆调零。

测量电阻之前，应将2个表笔短接，同时调节“欧姆（电气）调零旋钮”，使指针刚好指在欧姆刻度线右边的零位。

如果指针不能调到零位，说明电池电压不足或仪表内部有问题。

并且每换一次倍率挡，都要再次进行欧姆调零，以保证测量准确。

读数：

表头的读数乘以倍率，就是所测电阻的电阻值。

注意事项

在测电流、电压时，不能带电换量程

选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测值接近于量程

测电阻时，不能带电测量。

因为测量电阻时，万用表由内部电池供电，如果带电测量则相当于接入一个额外的电源，可能损坏表头。

用毕，应使转换开关在交流电压最大挡位或空挡上。

注意在欧姆表改换量程时，需要进行欧姆调零，无需机械调零。

其他注意事项

有专用刻度表示干电池的电量及带负载能力，当指针在“GOOD”（好）范围内时，表示其电量充足，该电池具有功率输出能力。

”BAD”（坏）则表示电量不足，须立即更换电池。

若指在“？

”的区域，就表示电量即将不足，短期内还可以勉强使用。

在使用内置的运算放大器的万用表之前，须分别进行机械调零和放大器调零。

长期不用万用表时应将电池取出，避免电池存放过久而变质，渗出的电解液会腐蚀电路板。

更换电池时，新旧电池不能搭配使用。

特别需要注意的是当电池夹接触不良时也会导致Rx1挡无法调零。

在干燥天气下，表盘玻璃上容易产生静电，与指针之间发生静电引力，使指针动作呆滞，甚至停留在某一位置而不返回零点。

此时我们可以用沾过水的干净布擦拭表盘，使静电荷经人体导入大地，指针即可回零。

1.3万用表符号含义

（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

2设计过程

2.1模拟指针式万用表表头电路图

2.1.1万用表表头实物图：

（模拟实物图A）

万用的表盘如上图所示（仅供参考）。

通过转换开关的旋钮来改变测量项目和测量量程。

机械调零旋钮用来保持指针在静止处在左零位。

“Ω”调零旋钮是用来测量电阻时使指针对准右零位，以保证测量数值准确。

万用表的测量范围如下：

（直流电压：

分5档—0-6V；0-30V；0-150V；0-300V；0-600V；设计的只有1档——0-15V。

交流电压：

分5档—0-6V；0-30V；0-150V；0-300V；0-600V；

直流电流：

分3档—0-3mA；0-30mA；0-300mA；设计的只有1档——0-10mA。

电阻：

分5档—R*1；R*10；R*100；R*1K；R*10K;设计的只有1档——0-1K。

设计原理：

普通的模拟电表中最常见的是以磁式电流表（又称表头）作为指示器，具有灵敏度高，准确度高，刻度线性以及受外磁场和温度影响小等优点，但其性能还不能达到较为理想的程度。

某些测量电路中，要求电压有很高的内阻，而电流表要有很小的内阻。

将集成运放与磁电式电流表结合，可构成内阻大于10兆欧每付的电压表和内阻小于1欧姆的微安表等优良的电子仪器。

2.1.2直流电压表测量原理。

图1（a）

根据被测直流电压是从运放正相输入端还是反相输入端接入，可将直流电压表分为同相输入式和反相输入式两种。

直流电压表的表头总是接在运放的输出端。

图1所示即为同相输入式直流电压表，被测信号Vx接与运放的同相输入端。

图1（a）是原理电路，图1（b）是扩展为多量程的实际电路图

下面分析1（b）所示电路的工作原理。

在放大器的输出端接有量程为150毫伏的电压表，它有200微安表头和750欧姆的电阻（包括表头内阻）串联而成。

当输入电压Vx=25毫伏时，输出

Vo=（1+Rf/Ri）Vx=（1+25/5）=150mV

电压表达到满量程。

图1（b）

从1（b）虚线图中可知，同相输入方式的运放输入电阻非常大，所以电路可以看做是内阻无穷大的直流电压表，它几乎不从被测电路吸收电流。

通过电阻分压器可以扩大量程，分压后的各电压在同相输入端的值Vx均不超过25毫伏。

反相输入式电压表与同相输入式电压表的差别在与它的放大倍数为负的Rf/Ri,表头在输出端的极性应与图1相反，输入电阻应为R1,不能达到很大。

2.1.3直流电流表测量原理：

直流电流表测量的实质是将直流电流转换成电压。

仿照直流电压表的构成原理，电流表把表头接在运放的输出端，通过改变反馈电阻即可改变电流表的量程。

由于直流电流表希望内阻越小越好，所以被测电流Ix常有运放的反相输入端加入。

图2（a）

本设计采用表头接在反馈回路的直流电流表，其原理图如图2（a）.电阻Rm为表头内阻，表头流过的电流就是被测电流，即

If=Ix

且与表头内阻Rm无关。

电流表的内阻很小，约为

Ri=Rm/1+Avo

其中Avo为运放的开环电压放大倍数。

图2（b）

图2（b）为高灵敏度直流电流表电路。

由虚短原则V+=V-,可推导出表头流过的电流与被测电流的关系为

I=（1+R1/R2）Ix

可见被测电流Ix小于流过表头的电流I，所以提高了电流表的灵敏度。

利用运放和100微安的表头构成直流电流表，适当选取参数，可实现量程为10微安内阻小于1欧姆的高精度电流表，这是普通微安表所达不到的。

2.1.4电阻测量原理：

普通的万用表的欧姆档有测量精度不高的问题：

当被测电阻Rx与该挡的等效内阻（即中值电阻）Rz比较接近时，测量值较准确，但当Rx.远远大于Rz时，只能大致估计Rx的阻值，因为其刻度不均匀。

利用运放构成的欧姆表，可使测量电路的精度大大提高，并可获得线性刻度。

（1）线性刻度欧姆表

图（3）

由反相比例接法的运放及其外围电路构成的如图（3）所示。

被测电阻Rx作为运放的负反馈电阻接在反馈的输出端和反相输入端之间。

输入信号电压Vz固定，取自稳压二极管。

不同电阻的输入电阻R1组成不同的量程。

当Vz和R已知时，有输出电压

Vo=-（Rx/R1）Vz

。

。

。

。

。

。

。

上式表明，Vo与被测电阻Rx成正比，有线性欧姆刻度的电压表即可读出电阻Rx的阻值

Rx=-（Vo/Vz）R1其中Vo小于零。

欧姆表的刻度呈线性是由于它测量的实质是将电阻转换成直流电压，再用电压表测量，所以此电路亦称欧姆-----电压转换器。

由于输入端失调引起的不平衡，可用开关S2及运放1和5脚进行调零来调整，以提高测量精度。

（1）电桥测量电路

图（4）所示为利用电桥平衡原理测量电阻的欧姆表电路。

它实质上是一个差分出入运算放大器电路。

图（4）

被测电阻Rx接在同相输入端与地之间。

运放的输入为电桥的电源，调节Rw的大小，使输出端电压为零，相当于电桥平衡。

有差分比例运算关系的条件，可导出

Rx/Rw=R2/R1

即

Rx=（R2/R1）.Rw=KoRw

其中，Ko为欧姆表的倍率，当R2取值不同时，即构成不同倍率的电阻档量程。

Rw为带有刻度指示的可变电阻。

这种平衡电桥电路大大提高了精度，测量结果与输入无关，其精度取决于Rw的线性度以及调零准确与否。

二极管D1.和D2起输出限幅保护的作用，R/2为电源Vs的限流电阻。

2.2各元件功能介绍

2.2.1二极管：

具有单项导电性，二极管种类的不同有不同的作用，此设计中起到输出限幅保护作用。

2.2.2模拟运算放大器：

可以非常方便地完成信号的放大。

信号的运算，信号的处理。

总