万用表设计实验

万用表的设计与组装11291196朱光耀1北京交通大学大学物理实验设计性实验实验题目万用表的设计与组装学院班级学号姓名首次实验时间2012年11月6日指导教师签字万用表的设计与组装11291196朱光耀2万用表的设计与组装引言一实验任务：分析研究万用表电路，设计并组装一个万用表。二实验要求：1．分析常用万用表电路，说明个挡的够功能和设计原理；2．设计组装并校验具有下列四档功能的万用表。（1）直流电流挡：量程1.00mA；（2）以自制的1.00mA电流表为基础的直流电压档：量程2.50V。（3）以自制的1.00mA电流表为基础的交流电压档：量程10.00V。(4）以自制的1.00mA电流表为基础的电阻档（×100）电源使用1.5V电池。3．给出将×100电阻档改造为×10电阻档的电路。三主要仪器：表头，导线若干，电阻箱若干，万用表。四常用万用表电路的分析：1、图1是简易万用表及欧姆表的实验电路。电流，电阻，电压等被测信号经过输入电路和变换电路后，变成微安级电流，再流经表头，使指针偏转，通过欧姆定律等电学公式的计算转换，万用表的设计与组装11291196朱光耀3从而指示出被测量值AR1R2R4R3RgIg+VVmAAR1R2RgIg101100+2、直流电流挡原理如图1-1，在微安电流表头上并联一个适当的分流电阻R，从而达到扩充量程的目的。由公式𝑰=𝑰𝒈+𝑰𝑹=𝑰𝒈+𝑹𝒈𝑹𝑰𝒈=𝑹+𝑹𝒈𝑹𝑰𝒈可知，电流表的量程为原量程的𝑹+𝑹𝒈𝑹倍。ARgIgR直流电压挡原理如图1-2，在表头串联一个适当大的分压电图1图1-1万用表的设计与组装11291196朱光耀4阻，使经过表头的电压降低，扩充了它的量程。由公式𝑼=𝑼𝒈+𝑼𝑹=𝑰𝒈(𝑹+𝑹𝒈)=𝑼𝒈(𝟏+𝑹𝑹𝒈)可知，串联一大小为R的电阻，电表的量程变为原来的(𝟏+𝑹𝑹𝒈)倍。ARgIgR3、交流电压挡原理如图1-3，由于表头只能流过直流电，因此测量交流时还需要一个整流电路。万用表中一般采用通过串并联的两个二极管半波整流的形式将交流变为直流。当被测交流电处于正半周时，电流经分压电阻及整流二极管V2流经等效表头，表针偏转；而在被测交流电的负半周。电流直接从二极管V1流过分压电阻。而不经过表头。𝐔=𝟏𝟐𝛑∫𝐔𝐦𝛑𝟎𝐬𝐢𝐧(𝛚𝐭)𝐝𝐭≈𝟎.𝟒𝟓𝐔有效当外电路交流电压有效值为10V时，内电路直流电压为4.5V。考虑到二极管自身的电势降0.6/2=0.3V，加在表头上的电压为4.2V。ARgIg4、电阻挡原理如图1-4，当两表笔短接时，调节R2的值，使电流表满偏，有欧姆定律得：𝐈(𝐑𝟑+𝐑电)=𝐄外接电阻时，有欧姆定律得：𝐈𝟏(𝐑𝟑+𝐑电+𝐑𝐱)=𝐄图1-2图1-3万用表的设计与组装11291196朱光耀5𝐑𝐱=𝐄𝐈𝟏−𝐄𝐈由公式易知电阻与电流非线性变化，所以表盘刻度不均匀，当𝐑𝐱=𝐑𝟑+𝐑电时，电流表半偏，称其为中值电阻。R2AS2S1实验方案：用给定的表头通过与相应的电阻进行串并联可以组装成有直流电压、电流档的万用表。通过整流滤波电路可以组装成有交流电压档的万用表。该表头的内阻为R𝑔，满偏电流为𝐼𝑔。一：直流电流档表头满偏电流较小，不能直接测量较大电流。因此需要小电阻分流。分流电路如图（a）。设直流电流档的量程为I。并联电阻为𝑅𝑥。由欧姆定律的𝐼𝑔R𝑔=I1R𝑔+1𝑅𝑥………………………………………………………………...(1)图1-4万用表的设计与组装11291196朱光耀6(a)由公式（1）可以求得𝑅𝑥的理论值是𝑅𝑥=𝐼𝑔R𝑔I−𝐼𝑔二：直流电压档由于表头内阻较小，满偏电流也很小。因此满篇电压也很小则需串联一个较大的电阻分压。设直流电压档的量程为串联电阻为𝑅𝑦由欧姆定律得U=I𝑅𝑦+𝑈𝑔………………………………………………….(2)其电路图如图（b）(b)则由式（2）可求得分压电阻的理论值是𝑅𝑦=𝑈−𝐼𝑔R𝑔𝐈𝑅𝑦GG𝑅𝑥G𝑅𝑥万用表的设计与组装11291196朱光耀7三：交流电压档必须先把交流电压转为直流电压再测其电压。通过半桥整流电路可将交流电转化为直流电。如图（c）（c）电压的有效值为U的交流电输入后，经半桥整流后得到电压平均值为E的直流电。四：电阻档电阻档是在自供电压为E的直流电源下，与待测电阻串联形成通路。再测量电阻。在两极短接是电阻必须为零，故而电阻档须有调零电阻。电阻档电路图如图（d）G𝑅2𝑅1万用表的设计与组装11291196朱光耀8(d)实验内容一：制作可调电压的直流电源二：制作量程1.00mA直流电流表并校验三：制作量程2.50V的直流电压表并校验四：制作量程10.0V交流电压表并校验五：制作×100挡的欧姆表并校验六：将×100电阻档改造为×10电阻档的电路实验步骤一：制作可调电压的直流电源用以下电路图转交流为直流R万用表的设计与组装11291196朱光耀9测量得最大输出电压𝑈𝑚为V二：制作量程1.00mA直流电流表并校验1设计和制作：按图（a）组装电流表。测得表头内阻R𝑔=ῼ表头内固定的电阻R=ῼ则表头实际内阻为R𝑔=ῼ表头量程𝐼𝑔=Ma则𝑅𝑥=ῼ用下图电路进行校验2校验（1）校准方法：比较法（与标准万用表比较）。（2）校准要求：给出校准数据，画出校准曲线（折线）（3）校准电路：将组装表、标准表、限流电阻、电源接入电路（4）对组装表实际量程的调整：组装表、标准表均为1.00mA时方可进行校准三：制作量程2.50V的直流电压表并校验1设计和制作：在1mA电流表的基础上组装2.50V的电压表按图（b）组装电路可得𝑅𝑦=𝑈−𝐼𝑔R𝑔𝐼=ῼ按下图进行分刻度校验G𝑅𝑋A万用表的设计与组装11291196朱光耀102校验（1）校准方法：比较法（与标准万用表比较）。（2）校准要求：给出校准数据，画出校准曲线（折线）（3）校准电路：将组装表、标准表、所得的1mA电流表、电源接入电路（4）对组装表实际量程的调整：组装表、标准表均为2.5V时方可进行校准四：制作量程10.0V交流电压表并校验1半波整流后的正弦电流有效值和平均值的关系交流电流的有效值按电流的热效应来规定，定义为：因此，有效值也叫均方根值．有效值的意义是：在一个周期的时间内，交流电流通过电阻R产生的热量与稳恒电流通过同一个电阻产生的热量相等．或者说，就电流通过电阻产生的热量说，（变化）与（稳定）等效．类似地，交流电压、交流电动势的有效值定义为：𝑅𝑔𝑅𝑥GVR万用表的设计与组装11291196朱光耀11不同波形的交流电，有效值与最大值的关系不同．对正弦交流电，，由定义得：=即正弦交流电的有效值等于最大值被除对正弦交流电，由定义得：===0×637Im正弦交流电的有效值与平均值之比为：．经过半波整流后=*0.45万用表的设计与组装11291196朱光耀122设计和制作由于整流后的电流是平均值，则有𝐼均=0.45𝐼有效并且考虑到二极管的降压作用降压0.3v则10v交流电压经整流后对表头的作用只换句话说10v交流电压经半波整流后作用于表头时指针偏转角相当于4.2v直流电压作用下的偏转角。则有𝑅串=𝑈𝐼-𝑅𝐴=ῼ用如下电路图进行校验3校验（1）电路：半桥整流，只有半个周期电流通过毫安表（2）交流电压平均值：整流后的直流电压是交流电压的平均值,平均值在数学上的定义：（3）二极管正向压降0.6伏则（4）计算RG𝑅𝑥𝑅串V26.02~UUab万用表的设计与组装11291196朱光耀13（5）注意校准电路中电源接法：电压要可调五：制作×100挡的欧姆表并校验按图（d）组装电路即为×100挡的欧姆表。欧姆表自供电源为一节v的干电池。具体步骤为：（1）电源电压：电源为1.5伏电池，计算时取1.3伏．（2）R1取最大值（3）校准：用电阻箱进行校准，将其作为被测电RX接入电路；当RX=0时，表头指针应满偏，如不满偏，应调整调零电位器使其满偏，然后进行校准．（4）校准曲线：与电流、电压不同，因为RX与I不是简单的反比关系．（5）中值电阻：当被测电阻RX等于电阻表内阻时，指针指在表盘的中心位置，此时的阻值为电阻表的中值电阻．实验数据处理与分析1制作直流电流表Rg=0.949kΩIg=500μAR串理=0.9454kΩR串实=200Ω（调零电阻）+0.760kΩ（电阻箱）=960Ω格数100160240300380460500I测（mA）0.2000.3200.4800.6000.7600.9201.000I标（mA）0.2060.3920.4950.6220.7600.9101.000I差(mA)-0.06-0.072-0.015-0.0220.0000.0100.000表-1直流电流表测量值于是得到校准曲线万用表的设计与组装11291196朱光耀142制作2.5V直流电压表R串理=2.0kΩR串实=1900Ω格数100140200260340400500v测（v）0.500.701.001.301.702.002.50v标（v）0.490.711.021.311.702.02.51v差(v)0.01-0.01-0.02-0.010.000.00-0.01表-2直流电流表误差值于是得到校准曲线-0.08-0.06-0.04-0.0200.020100200300400500600I差格数I差(mA)万用表的设计与组装11291196朱光耀153。10V交流电压表R实=2980Ω格数0100200300400500V测（v）02.004.006.008.0010.00V标（v）02.514.306.277.9710.00V差（v）0-0.51-0.30-0.270.030.00表3电压表电压测量值于是得到交流电压表的校准曲线-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150100200300400500600v差(v)格数v差(v)-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10100200300400500600V差（v）格数V差（v）万用表的设计与组装11291196朱光耀164组装欧姆表R理=1300-960/2=820Ω电流计格数500400300250200100理论值电阻/Ω0330840118018805100表-4欧姆表测量值5将X100挡欧姆表改装成X10挡欧姆表设计方案设欧姆表内电源电压为1.3V，R5=820Ω，若改装成X10挡时，当电流表表头指针半偏时，接入测量电阻Rx应该为118.0Ω，由电路拓扑结构知道，此时应该给原来测量端口并联一电阻，设为R6。于是得电路图为：01000200030004000500060000100200300400500600理论值电阻/Ω电流计格数理论值电阻/Ω万用表的设计与组装11291196朱光耀17由集总参数电路原理得公式：R6×RxRx+R6=Rx‘将半偏值代入得R6=131.11Ω，于是得到当并联一个这样的电阻的时候能够达到X10挡的效果，改装完毕。万用表使用说明：（1）由于仪器限制电表测量值与真实值之间存在误差。因此在校验时给出了校验曲线，误差、真实值、测量值之间的关系为真实值=测量值-误差（误差即为校验曲线中的纵坐标）。（2）使用电表时请注意各表量程。使用交流电压表时由于二极管的原因请不要测量较大的交流电压以防电压击穿二极管。（3）欧姆表的调零电阻设计时已经内置在表头内，所以各表切换时不会有影响，应注意使用欧姆表时两表笔短接用调零电阻调零。（4）由于欧姆表制作较粗糙，只能用于粗侧电阻。若要精测电阻请使用更精密的仪器。参考资料磁电式万用表的组装调试经验张艳雯长江工程职业技术学院学报，2002(3)：27-28.1.11大学物理实验成正维牛原主编北京交通大学出版社2010年5月第一版基础电