万用表的设计原理

1万用表的设计原理F0803017陈子成5080309581万用表是一种多量程和测量多种电量的便携式电子测量仪器。一般的万用表可以测量电阻、测量交流直流电压、测量交流直流电流。万用表结构简单、便于携带，使用方便、用途多样、量程范围广，因此它是维修仪表和调试电路的重要工具，是一种常用的测量仪器。下面先对万用表的工作原理进行一些介绍。万用表通常由表头（指示部分）、测量电路、转换装置三部分组成。表头一般都采用灵敏度高、准确性好的磁电式直流微安表，其重要的参数包括表头内阻、灵敏度和直线性。测量电路使测量仪器具有不同的多量程功能。转换装置主要由转换开关、接线柱、旋钮、插孔等组成，用来接通相应的测量电路。一、直流电流测量电路直流电流测量电路实际上是一个多量程的直流电流表。由于表头通常是由磁电式直流微安表构成，其满偏电流很小，所以采用分流电阻来扩大量程。一种电路图如下：测量原理：如图27-2所示，并联支路的电压相等，即11IIIRIRIgxgg解此联立方程得ggxIRRRI(27-1)（27-1）式便是毫安计的测量原理公式。它表明：在如图27-1所示的毫安计中，如果R′按设计值取值，则用微安表测出Ig后便可由该式测定Ix。量程设计公式：如要把图27-2的毫安计设计成10mA的量程，这就要选定R`的值，使得流过毫安计的电流Ix为10mA，此时流过（uA）的电流恰好为（uA）的量程值（100uA），这个选定（计算）R′公式称为量程设计公式，此时应是Ix等于毫安计的量程Ixm时的（27-1）式，推导如下：当Ix=Ixm时，（27-1）式变为gmgxmIRRRI11即211RRRIIggmxm比值…gmxmII是量程扩大倍数，以n表示，则由上式解得11nRRg.(27-2)此式便是量程设计公式。它表明，要把微安表的量程扩大n倍，其分路电阻R′应按该式的计算值取值。二、直流电压测量电路直流电压测量电路是一个多量程的直流电压表，它是由转换开关换接电路中与表头串联的不同的附加电阻，来实现不同电压量程的转换，其电路图如下：测量原理：从图5-5-3得车直流伏特计的测量原理公式xUgxIRRU)(.（27-3）量程公式：由（27-3）式可推导出设计公式为ggmxmURIUR（27-4）此式表明：在给出了伏特计的量程Uxm后，可用此式算出实现该量程所需的Ru值。由图27-3可看出：gUgggggUUgggRnIUUIRIURRIRIU)1(/)(/)(（27-5）式中：gggURIUUUn——为电压扩大倍数。三、直流电阻测量电路3为了测量电阻，直流测量电阻电路内装有附属电源，一般由干电池提供，其电路如下所示：当待测电阻Rx接入测试端a和b时，流过电流表的电流为式中：E为干电池电动势；Rg为电流表内阻；R′为限流电阻。E、Rg、R′给定后，Ix仅由Rx决定。当Rx=0时，选择R′数值使电流表满偏，即xggRREI（27－7）当Rx=Rg+R′，Ix=2gI.时，电流表指针指向刻度线的中点，习惯上用R中表示Rg+R′，即R中=Rg+R′，称之为欧姆表中值电阻式，于是，（27-7）式可以写为中REIg（27－8）由公式（27-6）可以看出Ix和Rx不成线性比例关系，所以欧姆表的刻度是不均匀的。在使用欧姆表时一般用其中间一段刻度（比例R中~5R中这段范围）以减小测量误差。公式（27-8）是设计欧姆表的基本公式，E一般选用1.5v干电池，根据对R中的要求，由公式（27-8）可求出Ix，由此可选择合适的电流表做表头，以及限流电阻R′数值。例如，设计一个R中=1500Ω的欧姆表，则Ig=1.5v/1500Ω=1mA，因此可选用量程为1mA的电流表做为欧姆表的表头。若此表头内阻Rg=270Ω，则12302701500gRRR中以上设计的欧姆表要求电源E保持1.5v不变。但实际上干电池电动势并非恒定，这将给测量带来很大误差，因此需要有“零欧姆调整器”，即将测试端a和b短路，通过调节器使电流表指满刻度。实际欧姆表通常如图27-5所示，R1和R2是电流表的分流电阻，改变电阻R2（以电位器代之）可用做零欧姆调整器。设计欧姆表时，若Rx=0，可让回路总电流I略大于电流表满度时Ig（1mA）。比如选R中=1200Ω，则I=12005.1V，选择合适的R1和R2，4使得E=1.5V时R1和R2支路的分流I2=0.25mA，因此流过电流表的电流I1=1mA。当E下降，低于设计值时，增大R2使I2减小，以保持I1仍为1mA。同理，若更换新电池，E高于实际值，则可减小R2，使I2增大，仍可保持I1为1mA。这就是R2可用做零欧姆调整器的原理。四、改进，提高万用表的测量精度指针式万用表的缺点是不能测量微小电压和微小电流，同时，表头内阻不是0或者无穷而容易引起测量电流或者电压时的误差，因此，可以通过采用含有运算放大器的电路，改变为测量指示表头的特性，提高测量精度，实现高精度的直流电流测量和直流电压测量电路。具有高精度测量表头由含有运算放大器的电路构成，测量直流电流的电路如下所示：通过不同的电阻Ｒ１、Ｒ２和Ｒ３可以改变直流电流测量量程。当用于测量电流时，利用理想放大器的“虚短”和“虚断”性质，容易得到：ＩＸ＝ＩｇＲｆ／Ｒ１可见测量的直流电流值仅与电阻R1和R4有关，而与微安表的表头内阻R5无关，提高了测量精度。当电阻R4选用大电阻时，能测量较大的电流，并且由于运算放大器的应用，使电路的输入电阻高，对被测电路影响小。测量直流电压的电路示意图如下图所示：通过不同的电阻R1、R2和R3可以改变直流电压测量量程。当用于测量电压时，利用理想运算放大器的“虚短”和“虚断”性质，容易得到5Ux=Ｒ４Ｉｇ可见测量的直流电压值仅与电阻R4有关，而与微安表的表头内阻R5无关，提高了测量精度。当电阻R4选用较小电阻时，能测量较小电压；而且由于运算放大器的应用，使电路的输入电阻高，对被测电路影响减小。测量电阻的电路示意图如下所示：其中A、B两端接在待测电阻Rx两端。当用于测量电阻时，利用理想运算放大器的“虚短”和“虚断”性质，设理想运算放大器的正、负输入端的电压分别为U+和U-，易得：U+=U-=RxE/(Rx+R1)U+=U-=IgR4因此，可得被测电阻为Rx=IgR4/（E-IgR4）可见测量的电阻仅与电阻R4和电源E有关，而与微安表的表头内阻R5无关，提高了测量精度。同时由于运算放大器的应用，使电路的输入电阻高，对被测电路影响小。