万用表的原理和使用

常用电子仪器原理与使用1万用表的原理与使用常用电子仪器原理与使用2学习目的：理解模拟式万用表的基本结构：表头、测量电路和转换开关。理解模拟式万用表的工作原理：直流电流测量原理；直流电压测量原理；交流电压测量原理；电阻测量原理；电平测量原理；掌握万用表的使用方法，了解使用的注意事项。掌握电阻、电容、电感、晶体二极管、稳压管、晶体三极管、运放、交流电源的测试方法。了解万用表常见故障产生的原因。常用电子仪器原理与使用3学习内容：§1.1模拟万用表的结构§1.2模拟万用表的工作原理§1.3模拟万用表的使用常用电子仪器原理与使用4万用表又称为多用表或复用表。一般用来测量直流电流、直流电压、交流电压、电平。还可以用来测量电阻、电容、电感、二极管、三极管、运放及其他器件的参数。常用电子仪器原理与使用5§1.1模拟万用表的结构万用表的面板上有带有多条标度尺的标度盘、带转换开关的旋钮、调零旋钮和接线柱等。常用电子仪器原理与使用6§1.1模拟万用表的结构万用表主要由表头（指示部分）、测量电路、转换开关等三部分组成。常用电子仪器原理与使用71、表头表头用以指示被测量的值。万用表的表头一般都采用灵敏度高，准确度好的磁电式直流微安表。表头的基本参数包括表头内阻、灵敏度和直线性。内阻指动圈所绕漆包线的直流电阻，严格讲还应包括上下两盘游丝的直流电阻。内阻高的万用表性能好。多数万用表表头内阻在几千欧姆左右。灵敏度指表头指针达到满刻度偏转时的电流值，数值越小，灵敏度越高，表头特性就越好。通常灵敏度只有几微安到几百微安。表头直线性是指表针偏转幅度与通过表头电流强度幅度是相互一致的。常用电子仪器原理与使用8常用电子仪器原理与使用9常用电子仪器原理与使用102、测量线路测量线路用以将各种被测量转换成适合表头测量的微小直流电流。万用表的测量电路实质上就是多量限的直流电压表，多量限的直流电压表，多量限的整流式直流电压表以及多量限的欧姆表的组合。常用电子仪器原理与使用11常用电子仪器原理与使用123、转换开关转换开关用以对不同测量线路进行选择以适应各种测量项目和量限的要求。转换开关是由固定触点和活动触点两大部分组成。通常将活动触点称为“刀”，固定触点称为“掷”。常用电子仪器原理与使用13万用表的转换开关是多刀多掷的，而且各刀之间是联动的。当转换开关转到某一位置时，可动触点就和某个固定触点闭合，从而接通相应的测量电路。常用电子仪器原理与使用144、万用表的符号常用电子仪器原理与使用15常用电子仪器原理与使用16§1.2模拟万用表的原理1、直流电流测量原理万用表的直流电流测量电路实际上是一个多量程的直流电流表。有开路个别转换式和闭路抽头转换式分流电路。常用电子仪器原理与使用171）开路个别转换式分流系数分路电阻值0FLxIkI01FLFLRkk常用电子仪器原理与使用18优点：各档分流电阻分别调整，不影响其他各档阻值。缺点：1、转换开关的接触电阻会引起小电流档较大误差。2、接触开关接触不良，会烧毁表头。3、各档位的阻尼时间不同，会引起误差。常用电子仪器原理与使用192）闭路抽头转换式各分流电阻彼此串联，然后再与表头并联，从而形成一个闭合回路。当转换开关K换到不同位置时，可以改变分流电路值，达到变化量程的目的。Im1Im2Im3常用电子仪器原理与使用20直流电流档分流电阻的确定*m030I(')FLnnFLRIRR第三步确定各原件的数值11FFLRR221FFLFLRRR322FFLFLRRR第二步确定各原件的数值第一步确定总分流电阻300*0m01IFLFLinRRIRKI常用电子仪器原理与使用21使用40.6μA的表头，内阻为3.25KΩ，用闭路抽头转换式分流器将其组装成一个量限为50μA、500μA、5mA、50mA、500mA的直流电流档，试确定其各分流电阻。常用电子仪器原理与使用22常用电子仪器原理与使用23常用电子仪器原理与使用24结论：任一档电流限和该档电阻的乘积为常数，等于：I0（RFL＋R’0）该值称为测量直流电流时的最大压降。常用电子仪器原理与使用25常用电子仪器原理与使用262、直流电压测量原理电压档是采用指针式的磁电式电流表作为指示器的。万用表的直流电压档实际上是一个多量程的直流电压表。通过电流表的电流大小（表现为指针偏转的角度）与被测电压成正比，并在电流表上直接读出电压值刻度。有单独配用附加电阻和共用附加电阻两种。常用电子仪器原理与使用271）单独配用附加电阻常用电子仪器原理与使用281）单独配用附加电阻优点：不同电压档用不同的附加电阻，互不影响。缺点：体积大、造价高常用电子仪器原理与使用292）共用附加电阻常用电子仪器原理与使用302）共用附加电阻优点：可以节省绕线，降低造价可以减小体积缺点：附加电阻变质或损坏时，会影响高电压档的测量。常用电子仪器原理与使用313、交流电压测量原理磁电式电流表只能测量直流信号，因此测量交流电压时需要在指示器前加检波器将其转换成直流电压来测量，并可提高仪器的输入电阻，降低输出电阻。万用表的测量装置为直流微安表头，以致测量交流电压时，必须引入整流元件，构成整流系的交流电压表，分为半波整流和全波整流两种，其中多用半波整流方式。常用电子仪器原理与使用32图中D2做半波整流用。当交流电压正半周时，D2导通，于是在表头和分流电阻R上产生整流电流，使表针偏转。D1为反向保护二极管，起到保护D2的作用。人们习惯以有效值来量度交流电压，因此万用表度盘上的刻度也是以有效值来表示的。对于全波整流kf=1.11，对于半波整流kf=2.22。常用电子仪器原理与使用331）整流原理由于被测电压的大小、频段及精度要求不同，检波器在电压表中所处的位置也不一样，从而形成了不同的交流电压测量方案，分别是放大—检波式、检波—放大式。常用电子仪器原理与使用342）放大—检波式放大—检波式电子电压表是将被测交流电压先经宽带放大器放大，提高测量灵敏度；再进行检波，检波器进行的是大信号检波，避免了因检波器的非线性产生的失真。又因在放大器之前有阻抗变换器，输入阻抗较高，减小了对被测电路的影响。但因宽带放大器在检波器之前，被测信号的频率受到宽带放大器带宽的限制，灵敏度受宽带放大器内部噪声的限制。其通频带一般为2Hz～10MHz，测量最小幅值为几百微伏或几毫伏，一般称为低频毫伏表。常用电子仪器原理与使用352）放大—检波式常用电子仪器原理与使用36放大—检波式电子电压表主要用于均值电压表。即先放大被测交流信号的电压，然后再检波将交流转化为直流驱动电流表。其检波后的直流输出正比与检波器的输入电压的平均值。检波器一般都采用二极管全波或半波整流电路。为了使指针稳定，在表头两端跨接滤波电容，滤去检波器输出电流中的交流成分。常用电子仪器原理与使用37图5.18（a）为全波平均值检波电路，图5.18(b)为半波平均值检波电路。常用电子仪器原理与使用38图5.18（a）为全波平均值检波电路，图5.18(b)为半波平均值检波电路，图5.18(c)、图5.18(d)为它们的变形。常用电子仪器原理与使用39以图5.18（a）为例，分析均值检波器的工作原理：检波器输出端A、B之间的电压波形是全波整流波形，A、B支路的直流分量流过表头，交流分量由C旁路，所以流过表头的就是A、B支路的平均电流。被测信号电压Ux加到输入端，在正弦波的正半周，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止。在正弦波的负半周，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，电路进行全波整流，整流后的单向导电电流通过微安表表头。设输入电压为Ux(t)，VD1～VD4具有相同的正向电阻Ｒd和反向电阻Ｒr，微安表表头内阻为rm。则正向平均电流为常用电子仪器原理与使用40反向平均电流为流过微安表的电流为一般Rd为１００Ω～５００Ω,rm为１kΩ～４kΩ，Ｒr≥３００kΩ～５００kΩ。所以上式可简化为由上式可以看出，流过表头的电流值正比与检波器输入电压的平均值，而与其波形无关。常用电子仪器原理与使用412.定度系数在放大—检波式电子电压表中，检波器对被测电压的平均值产生响应，即放大—检波式电子电压表的指针偏转正比于被测电压的平均值。但是，除特殊需要（例如，脉冲电压表）外，仪表的刻度盘均是按正弦电压的有效值来刻度的。也就是说，在电压表的额定工作频率范围内加正弦交流电压时的指示值就是正弦电压的有效值且正比于被测电压的平均值。即常用电子仪器原理与使用42式中：Uα——电压表读数；Uw——电压表所刻的正弦电压有效值；——被测电压平均值；KF-——正弦电压的波形因数。由此可知，只有测量正弦波电压时，从均值电压表上读得的读数才是它的有效值，才有实际意义。而当测量非正弦波电压时，示值没有直接物理意义，必须将示值经过换算，才能测出被测电压的有效值。波形换算方法是，当测量任意波形电压时，将从电压表刻度盘上读得的示值先除以波形因数KF-折算成正弦电压的平均值，然后再按照“平均值相等则读数相等”的原则，用被测波形的波形因数换算出被测的非正弦电压的有效值。常用电子仪器原理与使用43例5.1用均值电压表分别测量正弦波、方波及三角波，电压表均指在10V处，问被测电压的平均值、有效值、峰值各是多少？解：对于正弦波，示值就是其有效值。常用电子仪器原理与使用44按照示值相等则平均值也相等的原则，所以方波和三角波的平均值也都是9V，即可得：对于方波，因其KF与KP均为1V，所以方波的均值、有效值、峰值均是9V。对于三角波，因为它的KF=1.15,KP=1.73所以可得:常用电子仪器原理与使用453）检波—放大式检波—放大式电子电压表是将被测交流电压先检波变为直流电压，然后再经直流放大器放大，用放大后的直流电流去驱动磁电式电流表指针的偏转。此类电压表的频率范围主要取决于检波器的频率响应（一般在20Hz至数百兆赫兹），可用于测量高频电压或超高频电压，其框图如图5.19所示。常用电子仪器原理与使用46若被测电压UX(t)的周期为T，检波二极管的正向电阻为Rd，则上述电路必须满足下列条件才能作为峰值检波器。①充电时间常数≤被测信号的最小周期，即RdC≤Tmin。②放电时间常数≥被测信号的最大周期，即RC≥Tmax。常用电子仪器原理与使用47(1)串联电路的工作原理在被测电压UX(t)的正半周，经VD向C充电，因RdC≤Tmin，故C两端的电压很快上升到UX(t)的峰值UP。当从正半周峰值下降到UCmax≤UP时，C通过电阻R放电，因RC≤Tmax，所以放电非常缓慢，UC在一个周期T内下降很少，当下一个周期的正半周电压大于UCmin时，VD又导通，很快又将C上的电压充至UCmax=UP。这样在C的两端保持了接近于UP的电压，其平均值为。同时形成了二极管VD的反向偏压。使VD工作于丙类状态。常用电子仪器原理与使用48电容C充放电的波形图常用电子仪器原理与使用49(2)定度系数检波—放大式电压表的检波器输出的是峰值响应，即经过峰值检波器的直流电压是正比于被测电压的峰值的。而一般情况下，磁电式电流表的读数刻度是按正弦有效值来定度的，即电压表的读数正比于被测正弦信号的有效值。所以，采用峰值检波器的电压表进行刻度时，应通过波峰因数进行变换。常用电子仪器原理与使用503）外差式电子电压表前面所讲的检波—放大式和放大—检波式两种电压表，其频率响应和灵敏度之间存在着相互矛盾，很难兼顾。而外差式电子电压表则可以很好的解决此问题。外差式电子电压表的框图见图5.22，被测电压经包括输入衰减器及高频放大器在内的输入电路，在混频器中与本机振荡器频率fl混频，输出频率为fl-fX的中频信号由中频放大器放大，然后经检波，再由表头指示。常用电子仪器原理与使用513）外差式电子电压表常用电子仪器原理与使用524）热电耦变换式电子电压表热电耦变换式电子电压表是有效值电压表的一种类型。它是根据热电现象和热电耦原理，利用热电耦的热电变换功能可以将被测交流电压的有效值转换成直流电流。根据热电现象和热电耦原理，利用热电耦的热电变换来将被测交流电压的有效值转换成直流电流。常用电