万用表的设计.docx
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万用表的设计
钦州 学 院
电路设计课程设计报告
万用表的设计
院系物理与材料科学学院
专业自动化
学生班级自动本101班
姓名潘倩玲
指导教师单位钦州学院
指导教师姓名申康
指导教师职称讲师
2013年10月
万用表的设计
自动化专业2010级潘倩玲韦棋文李彦霖
指导教师申康
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。
关键词：
直流电流，交直流电压，测量，设计等
设计目的:
（1）进一步掌握电路课程设计课程所学的理论知识。
（2）通过万用表组装实训，进一步熟悉万用表结构、工作原理和使用方法。
（3）了解电路理论的实际应用，熟悉仪表的装配和调试工艺，提高专业技能。
（4）掌握稳压电源的主要性能参数及其测试方法。
设计技术指标与要求:
设计一个能够测量电流、电压、电阻的万用表。
（1）电表电压源1.5V；
（2）测量电流、电压、电阻各有3个档位；
（3）电流的最大量程5mA;电压的最大量程500V；
（4）分析以色环计算电承担责任值与实际测量值误差的原因；
（5）电路板有一定抗振能力。
前言…………………………………………………………………………………………1
1万用表…………………………………………………………………………………1
1.1设计思想…………………………………………………………………………1
1.1.1设计方案………………………………………………………………………2
1.1.2设计所需的元件………………………………………………………………2
1.2设计原理…………………………………………………………………………3
1.2.1直流电流档部分………………………………………………………………3
1.2.2直流电压档部分………………………………………………………………4
1.2.3直流电阻电路部分……………………………………………………………5
1.2.4直流稳压电路部分……………………………………………………………6
2电路连接测试…………………………………………………………………………7
2.1校准………………………………………………………………………………7
2.2测试………………………………………………………………………………8
3使用方法………………………………………………………………………………8
4设计体会………………………………………………………………………………9
参考文献………………………………………………………………………………11
附1MF－47A元器件明细表……………………………………………………………12
附2实物图……………………………………………………………………………13
前言
万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表，它可以测量交直流电流、交直流电压和电阻，有些万用表还可以测量电容、功率、晶体管电流放大系数hFE等。
MF47型万用表具有26个基本量程和7个附加参考量程，是一种量限多、分档细、灵敏度
高、体形轻巧、性能稳定、过载保护可靠、读数清晰、使用方便的新型万用表。
1万用表
1.1设计思想
万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头，如下图。
当微小电流通过表头，就会有电流指示。
但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或分压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。
1.1.1设计方案
电源、电压及电阻的测量是电磁学实验中的基本测量.万用表实质上是把这三种测量线路巧妙地综合在一起用一个公用表头指示,而三种电路又有相对的独立性,满足各自的特殊要求,欧姆档含极值的设计方法更具有实际意义.综合起来,本题目是很有启发性的.
1.1.2设计所需的元件
1.电阻R1,0.47R2,5R3,50.5R4,555R5,15KR6,30KR7,150K
R8,800KR9,84KR10,360KR11,1.8MR12,2.25MR13,4.5M
R14,17.3MR15,55.4KR16,1.78KR17,165R18,15.3R19,6.5
R20,4.15KR21,20KR22,2.69KR23,141KR24,20KR25,20K
R26,6.75MR27,6.75MR28,0.025
2.可调电：
WH1,10KWH2,500（或1K）D1/D2/D3/D44007（*4）
3.保险丝夹2只
4.电容C1,10uf/16V
5.保险丝1只（0.5-1A内阻小于0.5）
6.连接线4根
7.短接线1根
8.线路板1块
1.2设计原理
MF47型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。
其原理图如下图1所示。
图1MF47型万用表原理图
1.2.1直流电流档的设计
图2电流档电路图
对于一个内阻为Rg,量限为Ig的微安表头,如果与其并联一只适当的电阻Rs,那么由于Rs的分流作用,可以使总的输入电流大于Ig.通常Rs是由几个电阻组合而成,而且总是被选取为一个较适当的固定不变的阻值,以确保表头内部转动部分始终处于近临界运动状态.
直流电流档电路如图4所示.设Ix为被测电流,有
对于给定的Rsx及RS,Ix与Ig成正比,在电流计的满度偏转时,此时对应的最大被测电流为Imx,则式（4-1）变成
由（4-2）式可知,当Rs取定值时,改装后的电流表的限量与该量限对应的分流电阻乘积为一常数,我们称这一常数V为表头回路电压或测量电压降.V对电流表的设计是非常重要的.如果要将电流表改装成多量程的电流表,则可以根据（4-2）式计算出各量程所对应流电阻值.
1.2.2直流电压档的设计
图5直流电压档电路图
上述的微安表在满度偏转时,表头的两端电压为,可见一只微安表也可以做为一个量程为V0的电压表.若按照图4-1所示的电路,表头与Rs并联时,其等效电阻为Rge=Rg//Rs.而测量端间的电压仍为V0,若想扩大限量，必须再串联电阻Rp,其电路如图4-2所示.
若扩大后电压表的量限为Vmx,则有
式中Rpx+Rge称为直流电压表的内阻.当Rs取定后,1/Ige为一常数.由此可知,直流电压档的内阻与相应的量限之比为一常数.通常称常数1/Ige=SV为直流电压表的“电压灵敏度”,（或称为表头的每伏欧姆数）,其单位是Ω/V,它表示在一伏电压的作用下,使表头指针满度偏转时所需要的内阻值.所以,在确定了电压表的灵敏度之后,可根据所取的量限及（3）式求出相应的倍率电阻Rpx.
1.2.3直流电阻挡的设计
图7直流电阻挡电路图
图4-2中电路左方为微安表头与Rs并联后构成一个等效表头,其内阻为,满量程时电压为.此时,等效表头的满度电流应为Ige=Igo（1+Rg/Rs）.其等效表头的等效电路如图8所示.欧姆计测量电阻的电路如图9所示,图中Rx为待测电阻.该电路在忽略电源内阻的情况下,有
可见,电路中的电流IRx与被测电阻Rx值是一一对应的,但并非是线性的.若Rx=0时,刚好使表头满度偏转,即,则（8-1）式改写为
由（8-1）和（8-2）式可知,待测电阻Rx接入时,等效表头的指示电流IRx与满度电流Ige之比为
由（8-3）式可以看出:
（1）当Rx=0时,有IRx=Ige,所以欧姆计的零点应在标尺工作部分的右端.
（2）Rx=RD+Rge时,有,即当欧姆计的外电阻等于其内阻时,表头指示电流为满度电流的一半.因此,通常把内阻RT=RD+Rge称为欧姆计的中心阻值,也叫中值电阻.
（3）当Rx=∞,即欧姆计开路时,有IRx=0,此时指针无偏转.
（4）比值IRx/Ige表示,当电路接有待测电阻Rx时,表针的偏转刻度对满度值的百分数,该比值仅与Rx/RT有关.当中值电阻确定后,有一个Rx值便有一个确定的电流比.从而可以确定电阻档表盘的刻度.但是由于IRx/Ige与Rx之间的非线性关系,使得电阻档表盘的刻度是不均匀的,标尺刻度从右至左逐渐变密.测量时只有Rx接近中值电阻RT（指针指示在标尺的中央）时,测量误差最小）.一般要求测量范围在0.1RT~10RT之间.所以,欧姆计一般都是多量限的,为了使各量限共用一个刻度盘,各档中心阻值均按10倍相差.如有1,10,100,1K等量限.
（5）电源E一般采用标称值为1.5伏的干电池,但当E的大小发生变化（如使用中逐渐变小）时,使欧姆计产生零点漂移,给测量带来一定的零点误差.为解决这一问题,在分流电阻RS中配接一个调零电位器RJ,如图4.3-5所示.电位器的滑动触头将RJ分为两部分,一部分与表头串联,另一部分与表头并联.当E>1.5伏时,电路中总电流偏大,可将滑动触头左移,以增加表头支路电阻;当E<1.5伏时,电路中总电流偏小,可将滑动触头右移,减小表头支路电阻,以便使欧姆计调零.
调零电位器的全电阻大小由E的变化范围决定.若电源电压由E1降到E2时,电路中总电流IR1降至IR2.而通过RJ的调整,可使在两种电压下保证表头达到满度偏转.由（4-2）式,得
由于RJ的电阻分配时对中心阻值影响较小,可认为RT=RJ,所以得
或
若取电源电压的变化范围在1.60~1.20V,得
RJ的滑动触头移动时,会使等效内阻Rge发生变化,若RJ串入表头支路部分的电阻为r,有
可以证明,当时,Rge有极大值.所以,设计电路时让电源电压的常规值对应Rge的极大值.即采用含有极值的电路,这样由于电阻档的调节使中心电阻RT的变化在极值左右摆动,从而使由于RJ的电阻分配对中心阻值的影响进一步减小.
由于0因为干电池的电动势大部时间处于标称电压1.5伏的情况下,所以根据不等式02电路连接测试
2.1校准
在没有专用校试设备的情况下，可用普通数字万用表电表校准，方法如下：
（1）线路板安装程序：
按线路板上的标注将电阻及元器件焊装到相应位置（注：
将电位器，输入插座及晶体管插座组件垂直焊接于线路板电路版面）。
（2）将装配好的万用表仔细检查，确保无措装、短路的情况下，讲万用表档位旋至最小电流档0.25V/50UA处，用数字万用表测量其“+”、“-”插座两端的电阻值，应在4.9K—5.1K之间。
如不符合要求，应调整电路中的750Ω电阻阻值，直至达到要求为止。
此时基准档位调试完毕。
（3）将基准档位调试正常的万用电表从电流档开始逐档检测其满度值。
检测时应从最小档位开始，首先检测直流电流档位，然后只直流电压，交流电压，直流电阻（中心值）及其他。
各档位检测合格后，该表即可正常使用。
2.2测试
把万用表两表棒插好，红表棒接“＋”，黑表棒接“－”，把档位开关旋钮打到直流电压档，并选择合适的量程。
当被测电压数值范围不确定时，应先选用较高的量程，把万用表两表棒并接到被测电路上，红表棒接直流电压正极，黑表棒接直流电压负极，不能接反。
根据测出电压值，再逐步选用低量程，最后使读数在满刻度的2/3附近。
测量交流电压
测量交流电压时将档位开关旋钮打到交流电压档，表棒不分正负极，与测量直流电压相似进行读数，其读数为交流电压的有效值。
测量直流电流
把万用表两表棒插好，红表棒接“＋”，黑表棒接“－”，把档位开关旋钮打到直流电流档，并选择合适的量程。
当被测电流数值范围不确定时，应先选用较高的量程。
把被测电路断开，将万用表两表棒串接到被测电路上，注意直流电流从红表棒流入，黑表棒流出，不能接反。
根据测出电流值，再逐步选用低量程，保证读数的精度。
测量电阻
插好表棒，打到电阻档，并选择量程。
短接两表棒，旋动电阻调零电位器旋钮，进行电阻档调零，使指针打到电阻刻度右边的“0”Ω处，将被测电阻脱离电源，用两表棒接触电阻两端，从表头指针显示的读数乘所选量程的分辩率数即为挥发油电阻的阻值。
如选用R×10档测量，指针指示50，则被测电阻的阻值为：
50Ω×10＝500Ω。
如果示值过大或过小要重新调整档位，保证读数的精度。
3使用方法
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。
（6）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。
（7）测电阻：
用万用表测量电阻时，可按以下步骤进行：
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。
其次选择合适的倍率挡。
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。
4设计体会
对这次模拟电子技术课程设计，我进一步加深了对模拟电路知识理论的认识与理解，掌握了集成直流稳压电源的设计、组装与调试方法。
提高了动手能力，独立分析问题、解决问题能力、协调能力和创造性思维能力。
在我们组遇到问题时，比如在滤波电容的容量、电阻的阻值选择上，大家分工明确，齐头并进，团结协作，最后终于解决了各种各样的困难。
调试是一个非常艰难而又需要耐心的任务，但是它的目的和意义是十分重大的。
我们要通过对万用表的检测与调试，了解一般电子产品的生产调试过程，初步学习调试电子产品的方法，培养检测能力及一丝不苟的科学作风。
首先我们要检查焊接的地方是否使印刷电路板损坏，检查个电阻是否同图纸相同，各个二极管是否有极性焊错、位置装错以及是否有电路板线条断线或短路，焊接时有无焊接造成的短路现象，电源的引出线的正负极是否正确。
第二，要通电检测，当用万用表测量交流电时一定要注意安全。
同时，指导老师在本次设计中对我们组给予了极大的帮助，对于本次设计的完成老师的功不可没。
这段时间的组装设计使我对电子元件和万用表的装机与调试更有一定的感性和理性认识，培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工作的能力。
最主要的是培养了我与其他同学的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。
具体如下：
1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。
2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与接。
熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。
3.能够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。
4.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的电子器件图书。
5.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用普通万用表和数字万用表。
6.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。
参考文献
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[2]余云飞.万用表应用技术略谈[J].芜湖职业技术学院学报,2005,01:
65-66.
[3]张晴.万用表的量程选择及测量误差分析[J].化工装备技术,2005,06:
62-63.
[4]杨柳,陈映芳.浅析万用表的设计、安装与调试实训中的问题及其解决方法[J].南方职业教育学刊,2012,04:
22-25+30.
[5]张明金.对万用表测量电压和电阻的研究[J].中国现代教育装备,2007,03:
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[10]闫道广,郭占山,王世杰,孙玉杰.万用表半自动检定系统的实现[J].工业计量,2002,06:
16-17.
[11]徐琳.《万用表设计与组装》实验教改的探索[J].合肥教育学院学报,2000,02:
12-16.
附1MF－47A元器件明细表
元件名称
文字符号
参数/数量
元件名称
文字符号
参数/数量
电阻
R1
0.47（1/2）
电阻
R23
141K
电阻
R2
5（1/2）
R24
20K
电阻
R3
50.5
R25
20K
电阻
R4
555
R26
6.75M（1/2）
电阻
R5
15K
R27
6.75M（1/2）
电阻
R6
30K
分流电阻
R28
0.025
电阻
R7
150K
压敏电阻
YM1
27V
电阻
R8
800K
二极管
D1D2D3
D4D5D6
1N4007
电阻
R9
84K
电位器
WH1
10K
电阻
R10
360K
电位器
WH2
500
电阻
R11
1.8M
电容
C1
10μF/16V
电阻
R12
2.25M
C2
0.01μF
电阻
R13
4.5M（1/2）
晶体管插座
1
电阻
R14
17.3K
晶体管插片
6
电阻
R15
55.4K
表棒插座
4
电阻
R16
1.78K
档位旋钮
1
电阻
R17
165（1/2）
保险丝夹
2
电阻
R18
15.3（1/2）
FU
2Cm
0.5A
电阻
R19
6.5
V型电刷
1
电阻
R20
4.15K
面板＋表头
46．2μA
电阻
R21
20K
表棒
1付
电阻
R22
2.69K
J1（短路线）
1根
电源线
5根
电池夹
4
附录2实物图
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