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工程教育初级报告

万用电表原理

一．万用表的组成

1.表头：

1）测量机构：

多采用高灵敏度的磁场系测量机构

（注：

灵敏度即万用表最小量程）

2）满偏电流：

数微安到数百微安，满偏电流越小，表头灵敏度越高。

本表头满偏电流为83.3µÀ，在一般指针式万用表中属中档灵敏度。

3）选择原则：

灵敏度越高越好

万用表在用于测量时，要从被测电路中获取能量，用以推动表针偏转，这一能量越小，对被测电路影响越小，测量结果越准确。

2.测量电路

1）用途：

通过测量线路的转换，把各种被测量（电压、电流或电平等）转换成表头偏转的直流微小电流，实现万用表的多功能测量，并且有多种量限（或称满量程）。

2）组成：

多用各种规格的电阻原件组成（如绕线电阻、金属膜电阻、电位器等），在特殊测量中也会用到其它电子器件，如测量交流电压的整流原件，测量电阻的内置电池，测量交流电流的交流电流互感电感。

3.转换开关

1）用途：

是万用表选择不同测量功能和不同量限时的电路切换器件。

2）工作原理：

转换开关通常采用多刀，多掷波段开关或专用的转换开关，通过旋转开关可以使万用表测量线（俗称表笔）与表内不同的测量线路接通，以满足不同的测量要求。

而此次安装的MF-50型万用表，是利用印刷版铜箔作为固定触点，而三头簧片作为旋转触点构成的专用旋转开关，共有18个档位，提供5种不同的测量功能。

二．测量电路原理分析

如上图所示为MF-50型万用表的电路原理

由图可知：

1）.表头灵敏度：

83.3µÀ

2）内阻（偏转线圈铜阻）：

约1200Ω左右

3）满偏时表头两端电压：

83.3µÀХ1200Ω=100mV

注：

该电压并不能使并于表头二端的二极管产生电流，而电容在直流电压作用下相当于开路。

（下面原理分析中，忽略此些器件的存在）

1.直流电流的测量线路（DCA）

此图利用闭路分流法，以达到量程扩展。

图中，表头与W2串联组成——满偏电流83.3µÀ，内阻为1500Ω的基本表。

测量电路采用环形分流式电路，显然为满足“A点”与“*”间流过100µÀ时的表头满偏。

则并联电阻总值应为：

R并=83.3µÀХ1500Ω/（100-83.3）µÀ=7500Ω

其中：

R并=R1+R2+…..+R8

此时，回路环阻总值为9KΩ，在此状态下我们可以求出每一测量档分流电阻的值。

设：

RN为第n档分流电阻总值（单位为Ω）

IN为第n档电流测量满度值（单位为mA）

则当第n电流测量档表头只是满度时应有下式：

（9KΩ-RN）Х83.3µÀ=（IN-83.3µÀ）RN

9KΩХ83.3µÀ-RN83.3µÀ=INRN-83.3µÀRN

RN=9KΩХ83.3µÀ/IN

根据上式我们可以求得：

第一档I1为2.5A，可得R1=0.3Ω

第二档I2为250mA，可得R2=3Ω

第三档I3为25mA，可得R3=30Ω

而具体的Rn则为RN与RN-1的差值，即：

Rn=RN-RN-1

于是我们可得：

R1=0.3Ω，R2=2.7Ω，R3=27Ω，余类推。

同样，根据上述分析，我们可以求出环型分流电路中任一点接入时的满偏电流值。

即：

IN=9KΩХ83.3µÀ/RN

式中：

R并=R1+R2+…..+R8

IN为此接入端对应的满偏电流值。

据此可求得：

R5与R6中间“B点”接入时的满偏值为：

250µÀ

R7与R8中间“C点”接入时的满偏值为：

112µÀ

2、直流电压的测量线路（DCV）

图中：

直流电压基本测量电路的表头分流接入端为A，此时的满偏电流为100µÀ，只要在A端串入相应的分压电阻，即可构成不同量程的电压表。

根据前述，制成的电压表对被测电路的影响越小越好，对电压表而言，内阻越大，从电路分走的电流越小。

本直流电压表的表头分流电路接入点电流满度为100µÀ，因此串入的分压电阻每分得1V电压所需的电阻值为：

1V/100µÀ=10KΩ，或称电压测量灵敏度为10KΩ/V

此值是表示电压表性能好坏的重要指标，此值越大，电压表性能越好。

如图：

A端与“*”间的等效电阻值为7.5KΩ//1.5KΩ，而任一电压测量档的总电阻为：

RVN=VN/100µÀ

式中：

VN为该测量档表头满偏电压值。

实际应串入的电阻值为：

RVN=RVN-1.25KΩ

本表的最低直流电压测量档的满度为2.5V。

所以R12=2.5V/100µÀ-1.25KΩ=25KΩ-1.25KΩ=23.75KΩ，由于不同量程的测量档其接入电阻是串联累加的，故相邻两测量档的串入电阻值应为：

R=（VN-VN-1）/100µÀ

本表2.5V档的相邻档满度电压值为10V，从上面分析可知：

R11=（10-2.5）V/100µÀ=75KΩ

依次可计算出：

R10=400KΩ，R9=2MΩ

必须指出，1000V直流电压档的表头分流接入端为B点，此时满偏电流为250µÀ，因此，该档应串入的电阻总值为4MΩ，本表借用了交流测量线路的分压电阻，它们的测量电阻和正好为4MΩ。

此时的电压测量灵敏度为4KΩ/V。

显然，如果在250V与1000V相邻档间串联R*，（如上图中虚线所示）同样可以获得满偏为1000V的测量范围，且测量灵敏度也高。

但是

（1）此时计算出的R*应为7.5MΩ，通常高值电阻的精度较低，印刷电路的基板绝缘对其影响较大。

该电阻二端要降去750V电压，对普通小型电阻器难以接受。

而采用现在的电路，则可避免上述弊病。

3、交流电压的测量线路（ACV）（交流定义：

方向随时间有规则变化）

从图中可见，线路中引入了D1和D2对正弦电压进行整流。

当被测电压在正半周时，D2导通，产生的电流推动表头偏转；当被测电压在负半周D1导通，产生的电流流回“*”端。

对表头电路而言，D2构成的仅是半波整流（半波整流后的直流电压平均值仅为实测电压有效值的0.45倍，流过表头电路的平均电流亦仅为实测电流有效值的0.45倍。

又从前面直流1000V的测量线路借用交流测量分压电阻可知，交流测量时的电压灵敏度也为4KΩ/V，即任一档满幅测量时的电流有效值应达250µÀ，而流经表头电路的平均电流只有（250Х0.45）µÀ=112µÀ，因此本测量电路的半波整流输出在表头分流电路的接入端改为C点，（即前面分析的R7与R8中间），正好满足表头满偏112µÀ的要求。

4、电阻测量线路：

注：

电阻是无源器件，不可能为电表提供能量，为使测量时表头偏转，电表内必须内装电池。

我们知道，万用表用于电阻测量时，表笔短接，表头满偏，表指针值为0；当接入被测电阻时，回路电流减小，表针偏转减小，指示值增加，被测电阻越大，回路电流越小，表针偏转越小，指示值越大。

欧姆表中值电阻：

MF-50型万用表表面Ω刻度线中值为10；即档在×1Ω档时指示此值为10Ω；×10Ω档时指示此值是100Ω。

余此类推。

图中可见，在测量回路中串入了1.5V电池，当测量端接入电阻，回路电流即可推动表头偏转。

分析R×1KΩ时的电路原理：

图中开关所呈位置为R×1KΩ状态，在“+”端间接入10K电阻，应使表针指示为中值，当短接此二端，应使表针满偏，显然此时测量线路的内阻与被测电阻相等，也为10K。

由此可知，满偏时的电流值应为：

1.5V/10K=150µÀ

在环形分流电阻中寻找合适的接入点，使其满足测量回路电流为150µÀ即可，在此接入状态下计算出表头电路等效内阻再串入R24，使其总电阻正好为10K即完成了R×1KΩ档的设计。

当IN=150µÀ时，可求得RN=5KΩ

此时表头电路内阻为5KΩ//（9KΩ-5KΩ）=2.23KΩ

R24=10KΩ-2.23KΩ=7.77KΩ

由下图可见，当转换开关置于R×100Ω时，实际在×1KΩ测量基础上再并联R22作为分流电阻而构成：

据前分析，此时表的中心值电阻应为1KΩ，相应测量表内阻也应为1KΩ，短接测试时满偏电流值应为：

1.5V/1K=1.5µÀ

根据分流原理，R22应分流掉1.35mA，则：

R22=10K×150µÀ/1350µÀ=1.11KΩ对于R×10Ω与R×1Ω档，计算方法类似。

在R×10K档时，中值电阻应为100K，电阻测量线路内阻也为100K。

为使表头达到满偏，原来的1.5V电压显然不够，本表采用15V电池（迭成电池）串入R23并利用×1K档的环型分流电阻接入端，可满足此档要求。

MF-50万用表装调与校验

一．MF-50型万用表电原理图：

见第三页

二．

MF-50型万用表的印版土和元器件装配图及引线走向明细图

1号（80mm）,引线接至表壳“2.5A”测试接线桩；

2号、3号（45mm），引线接至调零电位器W1两端；

4号（50mm），引线接至表壳“100µÀ”测试接线桩；

5号，此点不用引线，可直接由表头（+）极线接至此；

6号（130mm），引线接至表壳测试公共端“*”接线桩，同时将表头（－）极接至“*”端，晶体管测试端的PNP（e），NPN（c）也接至“*”端；

7号（150mm），引线接至表壳“+”测试接线桩，同时将1.5V电池座（－）极也接至“+”端；

8号（90mm），引线接至调零电位器W1中心端；

9号（110mm），引线接至15V电池座（+）极；

10号（90mm），引线接至1.5V电池座（+）极。

三．万用表的装配

1、清点配套元器件数量并按序标识电阻

（1）电阻（21个）：

R10.3Ω（已装），R22.7Ω，R327Ω，R4270Ω，R52.7KΩ，R61.1KΩ，R7500Ω，R8800Ω，R92MΩ，R10400KΩ，R1175KΩ，R1223.8KΩ，R1343.2KΩ（已装），R1436.5KΩ，R15160KΩ，R16800KΩ，R173MΩ，R1820.5KΩ，R1986.6KΩ，R209.1Ω，R21100Ω，R221.1KΩ，R2388KΩ，R247.78K。

（2）W2620Ω（3）二极管IN40074只（4）电容1只

（5）线路板1块（6）电刷1只

（7）其他零件导线若干，内齿垫圈1只（黑色），M4螺母1只，M2.5螺钉2只，M3自攻螺丝3只

2、表头电流灵敏度测试

（1）测试原理：

两电流表串联，其电流相等。

（2）测试方法：

①将校准仪功能开关置DCI，量程选择100µÀ档。

②用螺丝刀调整表头机械零点；用校准仪输出红鳄鱼夹接表头红线，黑鳄鱼夹接表头黑线。

③接通电源开关，“内/外”控开关置外控，调节外控盒“粗、中、细”调电位器，使被测电表满度，此时，校准仪读数即为被测表头灵敏度，一般为83µÀ左右，如过分偏离则表头不能用。

（3）测试结果：

万用表表头电流灵敏度为83.2µÀ。

（4）注意事项：

校准仪输出为恒流源，当外接开路时，会出现超载报警，应排除故障后，按“复位”继续调试。

3、.印刷版的安装

（1）照上页图，用三根合适长度的硬导线将印版上应连接的点连起来。

（2）将电阻按图示位置孔距弯脚，插入印版并紧贴印版焊牢。

装焊顺序为：

先装印版边缘的电阻，后装近中心孔的电阻。

当装好所有电阻检查无误后，奇根剪去电阻脚。

（3）将二极管按图示位置同样操作，注意极性。

（4）将电容插入印版并贴紧焊牢并剪去电容脚。

（5）根据引线去向选择合适长度的导线焊至印刷版相应的点位：

4、整机装配

（1）将表壳内晶体管测试端按图与“+”端和“*”端用导线进行连接；

（2）电池座（－）极与“+”端用导线进行连接；

（3）表头（－）极线直接接至“*”端；

（4）将焊好的印刷版装入表壳，仔细微调印版位置，使旋转开关轴正好位于印版孔中间，拧上三枚自攻螺丝；

（5）将印刷版引出线分别焊至合适的位置；

（6）将表头（+）极线接至5号引线位置；

（7）将三头簧片电刷安装到旋转开关轴上，加上垫圈，拧上螺母。

试旋动开关，使电刷的三个触点正好对准印版中间，并且三点压力均匀，再用尖头钳拧紧螺母；

（8）装上电池，Ω表可短路调零。

四．制作万用表中的相关问题

1.如遇触电事故应如何急救？

①快速断开电源；

②若电源无法切断则就近选择木质等绝缘体使触电者脱离带电器；

③脱离后立即拨打急救电话；

④若触电者停止呼吸则立即施用心脏复苏、并正确进行人工呼吸。

2.焊接过程中的几种情况

①焊点过大，运用倒转引流法

②焊点过小，重新上锡再焊

③锡不附在钢板上，电阻上有脏东西，加锡加热摩擦或拆下重装

注：

主要加热电阻，次要加热钢板。

千万不要把锡落在印刷版中间的铜片上，以防转动拨动开关时不平整。

3．当连接多股导线时可先将全部导线的头并在一起，用钳子拧紧，整股上锡后，再进行整股焊接。

4.全部安装完成后，表棒短接，指针没有发生偏转，无法调零

可能的情况有：

W2电位器，欧姆调零电位器，拨动开关，表棒及周围，表头或电阻发生短路，特别是拨动开关的电刷很容易接触不良，可用老师提供或同学做好的万用表来进行检查，我的原因是拨动开关装反了以致造成上述情况。

注意：

在调整拨动开关的电刷使其与印刷版完全接触时应注意力道，须按住电刷与塑料板结合处，以防脱落。

5.检测欧姆档时，表笔短接后各档均无法达到满偏。

研究思考询问之后得知其原因为所用电池电量不足，使得空载电压降低，以至电池内阻增大，欧姆表无法无法达到满偏。

购买一节新的优质电池即可解决问题。

6.检测欧姆档时，其余档均检测正常，而只有R×10K档无法满偏。

研究分析万用表电路原理图后，发现R×10K档的中值电阻为100KΩ,，电阻测量线路内阻也为100KΩ。

故为使表头达到满偏，只能由15V的电池串入R23并利用R×1KΩ档的环形分流电阻接入端提供电势差，满足要求。

因此如果15V的电池与金属片接触不良，则此档无法满偏。

7.检测欧姆档时，将两红黑表笔短接后没有现象，而当波动开关调至直流电压档时却出现了满偏。

打开盒盖查询，发现此时波动开关指向HFE档，但三头簧片电刷并未与波动开关的金属接触部分对齐，产生了错位，经调整后便可正常检测。

五．万用表的校准

100µÀ测量端的校正：

方法：

被校表置电流档，负表笔接校准仪黑夹子，正表笔100µÀ端接校准仪红夹子。

校准仪置DCI，100µÀ档，外控。

接通电源，调节外控盒“粗、中、细”调电位器，使校准仪显示80µÀ。

仔细调节印刷板上电位器W2，使被测表电流也为80µÀ。

注意：

（1）无输入时，预先调整表头机械零点

（2）读书时务必将被测表放水平，且视线应在法线方向

（3）调整中可能会引起基准表的读数变化，此时应多次重复上述过程，直至准确为止。

六．万用表其它各档的校验

1、直流电压测量档校验

a.校验方法：

被测表置DCV与校验仪DCV外控并联连接，调节外控盒“粗、中、细”调电位器，按要求测试。

b.注意事项：

（1）使用万用表电流档测量电流时，应将万用表串联在被测电路中，因为只有串联连接时才能使流过电流表的电流与被测支路电流相通。

测量时，应断开被测支路，将万用表红、黑表笔串接在被断开的两点之间。

特别应注意电流表不能并联接在被测电路中，这样做极易烧毁万用表。

（2）当选取用直流电流的2.5mA档时，万用表红表笔应插在2.5mA测量插孔内，量程开关可以置于直流电流档的任意量程上。

（3）高压测量时单手操作。

（4）相对误差=（测量值-标准值）/标准值Х100%

（5）当│相对误差│>2.5%时，应及时查找原因。

c.测量数据：

2.5V档：

校验1V、2V的准确度

校验仪显示：

0.9988V被校表显示：

1V，相对误差：

0.12%校验仪显示：

2.0248V被校表显示：

2V，相对误差：

0.0124%

10V档：

校验8V的准确度

校验仪显示：

8.0671V被校表显示：

8V，相对误差：

0.839%

50V档：

校验40V的准确度

校验仪显示：

40.337V被校表显示：

40V，相对误差：

0.8425%

2、交流电压测量档校验

a.校验方法：

被测表置ACV与校准仪ACV外控并联连接，调节外控盒“粗、中、细”调电位器，按要求测试。

b.注意事项：

（1）测交流电压的方法与测量直流电压相似，所不同的是因交流电没有正、负之分，所以测量交流时，表棒也就不需分正、负。

（2）读数时，数字应看标有交流符号“AC”的刻度线上的指针位置。

（3）高压测量单手操作。

（4）相对误差=（测量值-标准值）/标准值Х100%

（5）当│相对误差│>4%时，应及时查找原因。

c.测量数据：

10V档：

校验4V、8V的准确度

校验仪显示：

4.0067V被校表显示：

4V，相对误差：

0.1675%

校验仪显示：

8.0340V被校表显示：

8V，相对误差：

0.425%

50V档：

校验40V的准确度

校验仪显示：

39.739V被校表显示：

40V，相对误差：

0.6525%

3、直流电流测量档校验

a.校验方法：

被测表置DCI与校准仪DCI外控串联连接，调节外控盒“粗、中、细”调电位器，按要求测试。

b.注意事项：

（1）万用表串接在电路中。

（2）出现“超载”报警时，检查联结良好后按复位键继续校验。

（3）大电流校验时间不能过长。

（4）相对误差=（测量值-标准值）/标准值Х100%

（5）当│相对误差│>2.5%时，应及时查找原因。

c.测量数据：

2.5mA档：

校验1mA、2mA的准确度

校验仪显示：

0.98046mA被校表显示：

1mA，相对误差：

1.954%

校验仪显示：

1.97530mA被校表显示：

2mA，相对误差：

1.235%

25mA档：

校验20mA的准确度

校验仪显示：

20.025mA被校表显示：

20mA，相对误差：

0.1%

250mA档：

校验200mA的准确度

校验仪显示：

196.02mA被校表显示：

200mA，相对误差：

1.9%

4、电阻测量档校验

a.测量方法：

用标准电阻作为被测对象进行测量，在取下列标称值时，表针偏转应在表头1/2附近。

b.注意事项：

1、先进行欧姆调零，将表棒搭在一起短路，使指针向右偏转转，随即调整“Ω”调零旋钮，使指针恰好指到0。

2、每次换档，都应重新将两根表棒短接，重新调整指针到零位，才能测准。

3、由于“Ω”刻度线左部读数较密，难于看准，所以测量时应选择适当的欧姆档。

使指针在刻度线的中部或右部，这样读数比较清楚准确。

4、Ω表为非线性刻度，相对误差计算不同于前述，此处不作计算。

Х1Ω档：

标称值：

10Ω，实测值：

9.9Ω；

Х10Ω档：

标称值：

100Ω，实测值：

96Ω；

Х100Ω档：

标称值：

1KΩ，实测值：

1.02KΩ；

Х1KΩ档：

标称值：

10KΩ，实测值：

10.2KΩ；

Х10KΩ档：

标称值：

100KΩ,实测值：

97KΩ；

5.在校验中碰到的问题

在校验直流电流测量档时误差超过了规定的范围，可能的原因是100uA测量档没有校正或是R4电阻与270欧姆值相差太大（制作前应仔细检查各器件以防制作过程中遇到各种麻烦）。

用好万用表

应用测试一：

100µÀ电流表内阻测定：

一．测试内容:

1、按左图连接好电路。

2、测试开关K置“分”，调节电源电压使电流表满度（9V左右）。

3、开关置“合”，调节测试板上电位器，使电流表为50µÀ。

4、开关置“分”，用自己的万用表测电位器电阻，即本电流表内阻。

5、记录实验结果：

1300Ω

二．测试目的:

1、学习一种间接测量娇嫩器件电阻的方法。

2、通过电流表内阻的测定正确熟练掌握电流表、欧姆表的使用方法。

三．分析与思考:

1、能否用欧姆表测量100µÀ电流表内阻？

如何测？

能。

只要串联一个电阻R，使流过的电流值小于83.3uA就可以。

2、总结本测试中易犯错误的地方，应如何避免？

对正确使用万用表有何启迪？

1）使用欧姆档测电阻时忘记调零。

2）容易选错量程；正确估测被测物范围，选择合适量程，无法估读时先从大量程测起。

虽然万用表是“万用”的，但在使用时不仔细不注意一些细节的话，它也是会给使用者惹麻烦的。

注：

对娇嫩器件不能直接测电阻。

应用测试二：

观测电流表内阻不为零、电压表内阻不为无穷大时，对测量结果的影响：

一．测量2.5V电压加在100Ω电阻两端的工作电流。

1、用自己刚校验好的电压表准确测量2.5V电压。

2、分别用25mA档、250mA档测电路电流。

3、记录实验结果：

17.8mA24.5mA

二．测量11V电压加在240KΩ与24KΩ串联电路两端，在24KΩ电阻上的分压值。

1、用自己刚校验好的电压表准确测量11V电压。

2、分别用2.5V档、10V档测量24KΩ电阻上的分压值。

3、记录实验结果：

0.52V0.81V

三．分析与思考：

1.分别画出上述电流、电压测试的原理图，并计算理论值（考虑万用表内阻）

1、2.5V电压加在100Ω电阻两端测工作电流

①用25mA档

I1理=2.5/（100+30）A=19.2mA

②用250mA档

I2理=2.5/（100+3）A=24.3mA

2、11V电压加在240KΩ与24KΩ串联电路两端，测24KΩ电阻上的分压值

①用2.5V档

U1理=11-240*11/（240+24*25/49）v=0.53v

②用10V档

U1理=11-240*11/（240+24*100/124）v=0.82v

2.计算并比较不同档级的误差大小，分析其主要来源。

量程越大，误差越小。

主要是因为量程大了，内阻也大，对电路的影响相对较小

3.综合多种因素考虑，在通常实践测量中，我们应如何选择合适的量程来减小测量误差。

在不影响测量结果的前提下，可尽量使用较大量程来减小测量误差。

应用测试三：

常用器件的测试

1、测电阻：

选好量程，当指针指示于1/3～2/3满量程时测量精度最高，读数最准确。

注意：

用R×10K电阻档测兆欧级的大阻值电阻，不可将手指捏在电阻两端，人体电阻会使测量结果偏小。

2、用R×1KΩ电阻测量档判断小功率二极管的好坏（对于较大功率的二极管，则可用R×100Ω档或R×10Ω档）：

好的二极管应具有单向导电性能，正向导通有电阻，反向∞。

还可用这些测量档来判别二极管的极性，电阻测量时负表笔为内接电池正极，因此，测量二极管导通时与负表笔详解的是二极管正极。

3、测三极管：

1）判断NPN管还是PNP管：

万用表置R×1K或R×100Ω档，用红表笔接三极管的某一管脚（假设基极），再用黑表笔分别接另外两个管脚。

NPN管：

表针偏转的两次都很大

PNP管：

表针偏转的两次都很小

2）判断三极管特性的好坏：

置R×10Ω档测PN结正向导通电阻都在大约200Ω左右；置R×1Ω档测PN结正向导通都在大约30Ω左右，如果读数偏太多，可以断定管子的特性不好。

判断常见塑封三极管三个引脚哪个是b、c、e：

先确定b极：

将黑表笔接于三极管三个脚中的任一脚，红的分别接另外两端，均能导通的是b。

c、e极的判断：

第一种方法：

（对于有测三极管hFE插孔的指针表）

先测出b极，将三极管随意插到插孔中去，测一下hFE值，然后倒测一遍，测得hFE值比较大的一次，各管脚插入的位置是正确的。

第二种方法：

（对无hFE插孔的