万用表的设计与组装.doc

毕 业 设 计 学生姓名学生姓名学学 号号 系系 (部部)机电工程系 专专 业业机电一体化 题题 目目万用表的设计与组装 指导教师指导教师 ） 2011 年 6 月 毕业设计 3 摘摘 要：要：万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表,一般的万用表可以测量直 流电流、交直流电压和电阻，有些万用表还可测量电容、功率、晶体管共射极直流 放大系数hfe等。mf47型万用表具有26个基本量程和电平、电容、电感、晶体管直流 参数等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。 万用表是电工必备的仪表之一，每个电气工作者都应该熟练掌握其工作原理及 使用方法。通过本次万用表的原理与安装实习，要求学生了解万用表的工作原理， 掌握锡焊技术的工艺要领及万用表的使用与调试方法。 关键词：关键词：万用表， 电路设计，工作原理 毕业设计 4 abstract： a multimeter is a multi-function, multi-range portable electrical instruments, general multimeters can measure dc current, ac/dc voltage and resistance, some multimeter can also measure capacitance, power, transistor were shot extremely dc amplification coefficient hfe, etc. mf47 type with 26 basic ranges multimeter with level, capacitance and inductance, transistor dc parameters, such as seven additional reference ranges, is a quantity limit, fine, high sensitivity, divides class shape legerity, stable performance, overload protection，reliable, clear reading, use convenient new-style multimeter. keywords：multimeter,circuit design,dc voltage sensitivity 毕业设计 5 目目 录录 1 引言.6 2 指针万用表的简易实验电路.6 3 指针式万用表的结构、组成与特征.6 3.1 万用表的结构特征.7 3.2 指针式万用表的组成.7 3.3 万用表的结构.8 4 指针式万用表的工作原理.8 5 万用表的几个重要参数.10 6 电阻的计算 .12 7 组装表的测试 .15 8 实验结果的分析与讨论.15 结 论.18 致 谢.19 参 考 文 献 .20 毕业设计 6 1 引言 万用表是一种常用的多功能、多量程的便携式电工仪表。一般的万用表可以测 量直流电流、交直流电压和电阻, 有些万用表还可测量电容、功率、晶体管共射极 直流放大系数hfe等。通过设计熟练掌握万用表的组成结构、原理，明确组成万用表 的各种电路的优缺点，能根据给定的技术参数，主要是表头灵敏度、内阻、波段开 关结构、各档量程要求等，选择合适的电路设计万用表线路。 设计目的 （1）了解简单的万用表的简单电路以及工作原理。 （2）计算出所有电阻元件的阻值，并进行组装。 （3）对成功组装的万用表的准确度，电压灵敏度等性能指标进行测试。 （4）熟练掌握万用表的各种使用方法，万用表大量用于各种机电行业中，便于 以后出去好就业。 2 指针万用表的简易实验电路 图1是简易万用表的实验电路。 是微安表头。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，从而指示 出被测量值。 该万用表有四种功能、八个档级。档级的转换靠单级多位开关中单级触点位置 的改变来实现。（-）点，接表头负极，是所有测量档的公共接点，通常接黑色表b 笔。（+）通常接红色表笔，改变多位开关中单极的位置，可以选择所需的测量功a 能档。 3 指针式万用表的结构、组成与特征 毕业设计 7 3.1 万用表的结构特征 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 强度。其特点为： 测量机构采用高灵敏度表头，性能稳定； 线路部分保证可靠、耐磨、维修方便； 测量机构采用硅二极管保护，保证过载时不损坏表头，并且线路设有 0.5a 保险丝以 防止误用时烧坏电路； 设计上考虑了湿度和频率补偿； 低电阻档选用 2干电池，容量大、寿命长； 配合高压按着，可测量电视机内 25kv 以下高压； 配有晶体管静态直流放大系数检测装置； 表盘标度尺刻度线与档位开关旋钮指示盘均为红、绿、黑三色，分别按交流红色， 晶体管绿色，其余黑色对应制成，共有七条专用刻度线，刻度分开，便于读数；配 有反光铝膜，消除视差，提高了读数精度。 除交直流 2500v 和直流 5a 分别有单独的插座外，其余只须转动一个选择开关，使用 方便；装有提把，不仅便于携带，而且可在必要时作倾斜支撑，便于读数。 3.2 指针式万用表的组成 指针式万用表的型式很多，但基本结构是类似的。指针式万用表的结构主要由 表头、档位转换开关、测量线路板、面板等组成（见图 3）。 表头是万用表的测量显视装置，南京电子仪表厂提供的指针式万用表采用控制 显示面板表头一体化结构；档位开关用来选择被测电量的种类和量程；测量线路 板将不同性质和大小的被测电量转换为表头所能接受的直流电流。万用表可以测量 直流电流、直流电压、交流电压和电阻等多种电量。当转换开关拨到直流电流档， 可分别与 5 个接触点接通，用于测量 500ma、50ma、5ma 和 500a、50a 量程的直 流电流。同样，当转换开关拨到欧姆档，可分别测量 1、10、100、1k、10k 量程的电阻；当转换开关拨到直流电压 档，可分别测量 0.25v、1v、2.5v、10v、50v、250v、500v、1000v 量程的直流电压； 当转换开关拨到交流电压档，可分别测量 10v、50v、250v、500v、1000v 量程的交 流电压。 毕业设计 8 注意请学生对照幻灯片认识每一个部分，将万用表的盒子打开散件放在后盖中， 电阻等元器件放在塑料袋中，不能丢失。对照幻灯片可以看到控制显示面板由上部 的显示表头和下部的控制开关面板组成。注意表头不能跌坏或者拿在手里晃动。档 位开关由安装在正面的档位开关旋钮和安装在反面的电刷旋钮组成。测量线路板有 黄绿两面，绿面用于焊接，黄面用于安装元件。 3.3 万用表的结构 万用表由机械部分、显示部分、与电器部分三大部分组成，机械部分包括：外壳、档位开关 旋钮及电刷等部分组成，显示部分是表头，电器部分由测量线路板，电位器，电阻，二极管，电 容等部分组成（见图 4）。 图 4 万用表的结构 4 4 指针式万用表的工作原理指针式万用表的工作原理 1 指针式万用表最基本的的工作原理 指针式万用表最基本的的工作原理（见图 5） 图 5 指针式万用表基本的测量原理图 它由表头、电阻测量档、电流测量档、直流电压测量档和交流电压测量档几个 部分组成，图中“”为黑表棒插孔，“”为红表棒插孔。 测电压和电流时，外部有电流通入表头，因此不须内接电池。 毕业设计 9 当我们把档位开关旋钮 sa 打到交流电压档时，通过二极管 vd 整流，电阻 r3 限 流，由表头显示出来； 当打到直流电压档时不须二极管整流，仅须电阻 r2 限流，表头即可显示； 打到直流电档档时既不须二极管整流，也不须电阻 r2 限流，表头即可显示； 测电阻时将转换开关 sa 拨到“”档，这时外部没有电流通入，因此必须使用 内部电池作为电源，设外接的被测电阻为 rx，表内的总电阻为 r，形成的电流为 i，由 rx、电池 e、可调电位器 rp、固定电阻 r1 和表头部分组成闭合电路，形成的 电流 i 使表头的指针偏转。红表棒与电池的负极相连，通过电池的正极与电位器 rp 及固定电阻 r1 相连，经过表头接到黑表棒与被测电阻 rx 形成回路产生电流使表头 显示。回路中的电流为： i e rx+r 从上式可知： i 和被测电阻 rx 不成线性关系，所以表盘上电阻标度尺的刻度是不均 匀的。当电阻越小时，回路中的电流越大，指针的摆动越大，因此电阻档的标度尺 刻度是反向分度。 当万用表红黑两表棒直接连接时，相当于外接电阻最小 rx=0，那么： i e rx+r e r 此时通过表头的电流最大，表头摆动最大，因此指针指向满刻度处，向右偏转最大， 显示阻值为 0。请看电阻档的零位是在左边还是在右边，其余档的零位与它一致吗？ 反之，当万用表红黑两表棒开路时 rx， r 可以忽略不计，那么： i e rx+r e rx 0 此时通过表头的电流最小，因此指针指向0刻度处，显示阻值为。 2.mf47型万用表的工作原理 请看今天要安装的mf47型万用表的原理图： 毕业设计 10 测量线路板线路板： 。 它的显示表头是一个直流a表，wh2是电位器用于调节表头回路中的电流大小， d3、d4两个二极管反向并联并与电容并联，用于保护限制表头两端的电压起保护表 头的作用，使表头不至电压、电流过大而烧坏。电阻档分为 1、10、100、1k、10k、几个量程，当转换开关打到某一个量 程时，与某一个电阻形成回路，使表头偏转，测出阻值的大小。 它由5个部分组成：公共显示部分；直流电流部分；直流电压部分；交流电压部分和 电阻部分。线路板上每个档位的分布（见图8），上面为交流电压档，左边为直流电 压档，下面为直流ma档，右边是电阻档。 5 万用表的几个重要参数 毕业设计 11 1. 准确度 万用表示值与被测量真值的一致程度称为万用表的准确度。它反映了测量结果的 基本误差的大小。同一块万用表，不同功能档的准确度也不尽相同。 2. 表头灵敏度 万用表所用表头的满量程值称为表头灵敏度。一般为。值越小， g i g i2 . 9a200 灵敏度越高，万用表的性能也越好。 3. 表头内阻 表头内线圈及上下两层盘丝的直流电阻之和称为表头内阻。万用表表头内阻多在 几百到几千欧之间。一般来说，灵敏度越高，内阻越大。但灵敏度相同的表头，内 阻也不尽相同。这是因为，在制造相同表头时，所选用的线圈和盘丝的阻值很难做 到完全一致。 4. 直流电压灵敏度 直流电压档的内阻与该档满量程电压的比值称为直流电压灵敏度，用 v r m u 表示。可写成 v s （1） m v v u r s 电压灵敏度单位是或，简称每伏欧姆数。电压灵敏度越高，万用表的 vvk 性能也越好。 5. 直流电流档的内阻 电流表内阻的大小决定于表头内阻及分流电阻的大小。对同一块万用表而言，不 同档级的电流表，其分流电阻不同，所以内阻也不相同。电流表的内阻越小，质量 越好。测电流时，将电流表串联在被测电路中，对被测电路会造成两方面的影响： 一是它的阻流作用会改变原电路的工作状态；二是增加了被测电路的功耗。为了减 少这两方面的影响，内阻越小越好。 6. 欧姆档的中值电阻 欧姆档的内阻称为该档的中值电阻。已知中值电阻的大小可以确定该档的测 k r 量范围。若中值电阻为，则该档的测量范围是4之间。 k r 4 1 k r k r 7. 交流电压灵敏度 交流电压档内阻与该档量程之比称为交流电压灵敏度 (2) m v v u r s 单位是。对同一块万用表来说交流电压各档的电压灵敏度的量值是相同的。 vk 毕业设计 12 只要已知,则任何测量档的内阻都可以求出。 （1）式中的是直流电压值， （2） v s m u 式中的是交流电压的有效值。可以证明二者比例关系为: m u 44 . 0 1 m m u u 代入（2） ，得 m v v u r s44 . 0 再与式（1）比较得 （3） vkss v v /4 . 444 . 0 6 电阻的计算 1. 电流档的设计（计算和） 1 r 2 r 将直流电流 5ma 和 50ma 档的电路从图 1 中分离出来，如图 4。是 50ma 档的分流电 1 r 阻，是 5ma 档的分流电阻。所有分流 21 rr 电阻与表头串联成一闭合回路。50ma 挡的电 路中，总电流在和的连接处分成两 m i 1 r 2 r 路，一路经表头回到 b 点， 2 r 3 r t r 电流为，另一路经回到 b 点，电流为（ g i 1 r ） ，因为这两个并联电路的电压降相 gm ii 等，所以有 132 )()(riirrrri gmmtg 又 132 rrrrr st 代入上式得 11 )()(riirrri gmmsg 经整理得 （4） )( 1smgm rriri （4）式说明，在闭路式分流电流表中，其电流量程与该量程分流电阻的乘积是一常 数，其值等于表头灵敏度与闭合回路总电阻之积。根据这一结论，5ma量程的分流电 阻也可以求出。 21 rr 毕业设计 13 7.6 1 r 60 2 r 2. 直流电压档的设计（计算和） 4 r 5 r 直流电压 6v 档和 60v 档电路从图 1 中分离 出来，如图 5。间电压量程为 60v ， db 间电压量程为 6v，而间可以看成更 b a cb 小量程的电压档，其量程为 0.15v 。它的 电压灵敏度。据此，可分别 vksv/10 求出这两档的内阻。内阻求出之后，可求 出和分别为： 4 r 5 r = = 4 r k585 r k540 3. 电阻档的设计（计算、和 t r 6 r 7 r ） 3 r 将电阻档“1k”和“10” 两档的电路从图 1 中分离出来，如图 6，其中（a）与 （b）都是“1k” 档，不同的是调零电阻的工作状态不同。 （c）是“10”档 t r 的电路。 的作用是测量前将欧姆表调至零点。即在测量前，将“+” “-”表笔短接，使 t r 表头满偏，以满足。 kg rei 是电池电压，在欧姆表的使用过程中，e 会不断下降，中值电阻需适时调整， ek r 才能使表头随时能够调零。的变化值在 1.2 1.65v 之间，的大小也应适应 et r 的这种变化。显然，当时，的触点应移至最右端。如图 6（a） 。当 eev2 . 1t r 时，应移至最左端，如图 6（b） 。在（a）与（b）两种状态下，会有所 ve65 . 1 k r 变化，给测量带来误差，但只要足够大，的影响就可以忽略，中值电阻也 6 r t r k r 可以认为是不变的。下面求，要想求首先要求 。由（6）式，决定于电 6 r 6 r k r k r 池电压和表头灵敏度。 毕业设计 14 在图 6（a）中，等效表头灵敏度由（3）式给出： ve2 . 1 ，代入（6）式得 aii gm 1002 krk121012 10100 2 . 1 3 6 而中值电阻即是该档的总内阻，所以 k r ek rrrr /6 式中，（电池内阻可忽略） ，= kr5 . 1 / 1 e r 6 r k10 下面计算 rt。图 6（b）中， “+”与“-”表笔短接时，回路总电流 ve65 . 1 k r v i 65 . 1 于是有 )(/65. 1 ()( tsgkmtg rrirrri 式中，均已知，故= g i sm rr ， k r t r k8909. 3 下面计算。 根据，可求出= 3 r ts rrrrr 3213 r k842 . 2 下面计算“10”档中值电阻及 k r 7 r 120 1000 10 kk rr 由图 6（c） ， “10”档的内阻为 ek r rrr rrr r 7/6 7/6 )( 由上式可解出 = 7 r 2 . 121 4.交流电压档的设计（计算和）交流电压档的分压电阻和的计算方法，与直流 8 r 9 r 8 r 9 r 毕业设计 15 电压档的分压电阻和的计算方法相仿，根据（3）式给出的，分别求出10和60档 4 r 5 r v s v v 的内阻即可求出分压电阻和。= = 8 r 9 r 8 r k 7 . 509 r k 2 . 211 7 组装表的测试 1. 电流档的测试： 电流档的测试电路是通过将其与一只标准电流 表串联起来，测量同一支路中的电流，比较二者的 示值来实现的。其测试电路如右图。其中的变阻器 阻值要足够大，标准表的内阻要与组装表的内阻相 当，以提高准确度。 2. 电压档的测试： 电压档的测试电路是通过将其与一只标准电压表 并联起来，测量同一支路两端的电压，比较二者的示 值来实现的。其测试电路如右图。其中的变阻器阻值 要尽量大，标准表的内阻要与组装表的内阻相当，以 提高准确度。 8 实验结果的分析与讨论 表1各阻值的计算值 电阻 r1 r2r3r4r5r6r7r8r9rtrmrs 计算 值/ 欧 6.7602842 5800054000010000121.2507002112003890.966 表2电流档的测试数据 格数6ma对比项 量程 标准表50ma组装表6ma标准表10ma组装表6ma 百分误差（%） 7.05.24.33.619.5 7.55.84.94.313.6 8.06.05.34.812.7 8.56.25.85.116.5 9.06.56.25.518.2 6ma 9.56.86.86.121.2 平均 8.256.085.554.916.95 标准表20ma组装表60ma标准表20ma组装表60ma 百分误差（%） 60ma72.511.036.2523.435.17 毕业设计 16 58.08.529.021.429.21 45.57.022.7518.528.68 35.05.017.512.027.43 26.04.013.09.626.15 13.02.08.54.816.15 平均 41.676.2520.8314.9527.13 注：注：标准表格数为100，万能表格数为25。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1234567 标准表10ma 组装表6ma 6ma图 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1234567 标准表20ma 组装表60ma 60ma图 表3 直流电压档的测试数据 量程格数6v 毕业设计 17 对比项标准表60v组装表15v标准表60v组装表15v百分误差（%） 39.03.80.780.9724.3% 52.05.01.041.2521% 72.07.01.441.7521.5% 99.09.11.982.27514.9% 108.910.02.1782.514.8% 60v 122.512.12.453.02523.5% 平均8223 7.831.641.9620% 标准表6v 组装表 7.5v 标准表6v组装表7.5v百分误差（%） 9.51.01.92.531.6% 17.11.83.424.531.6% 21.02.04.2519.0% 31.03.06.27.521.0% 36.03.57.28.7521.5% 6v 41.24.18.2410.2524.4% 平均 26.02.575.196.4224.85% 注：注：标准表格数为150，万能表格数为20。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 1234567 标准表60v 组装表15v 60v图 0 2 4 6 8 10 12 1234567 标准表6v 组装表7.5v 6v 图 毕业设计 18 结 论 对于本实验，是我一次很好的学习机会，既能加深理解，学会运用所学理论知 识；又能提高我的考虑实际问题、解决实际间题的综合分析能力与独立动手能力。 使我了解要取得实效，达到预期目的，必须充分做好准备工作，既要有必要的物资 准备，更要有足够的思想准备，明确实验的目的、任务及其实施的艰辛。 造成误差的几个主要原因 1.组装万用表所用的电阻都是根据给出的标准算出的，但是实际用的电阻与理 论计算出的电阻并不完全一致，这必然将导致实际的量程与理论值不符，也必将导 致测量结果与标准表的测量结果有出入。 2.组装万用表时，电路各连接点的电阻不容忽视，这也给实验造成了一定的影 响。 3测试万用表性能时，所用的电表与组装表的规格相差过大，导致测试数据的 可信度降低。 4.表头的本身存在的误差。 5.其它导致误差的因素，如读数误差等在这次实验中我深深的感受到物理世界的 伟大，使我对物理有了更高的兴趣，希望我以后有更多的机会与这样的实验来提高 自己，丰富自己。 毕业设计 19 致 谢 本设计及论文是在我的指导老师魏立国和诸位老师的亲切关怀和悉心指导下完 成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染 和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，魏老师和各位专业老师都始终给予 我细心的指导和不懈的支持。在此谨向各老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年生活的各位同学，正是由于你们的帮 助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将 完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的 师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢 培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 毕业设计 20 参 考 文 献 1.李学慧.大学物理实验.北京.高等教育出版社.2005 2.科泰仪器（昆山）有限公司. 7001型指针式万用表的组装.电子制作2004年 第3期 3.游平. mf47型万用表组装技能.文章编号：1671802x（2003）05.2003 4.张艳雯. 磁电式万用表的组装调试经验.文章编号：10090908（2002） 03002702.2002 5.成正维.大学物理实验.北京交通大学出版社.2010年5月第一版 硕士论文 是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高 的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更 强的实用价值和更高的科学价值。硕士论文是硕士研究生所撰写的学术 论文。优秀的硕士论文能够反映出作者对所学习专业的理论知识掌握的 程度和水平，能够帮助作者构建起良好的完整的知识体系，还能够反映 作者独立的科研能力和学术理论的应用水平，对研究的课题的思考和独 立见解。较之学士论文，硕士论文应当具有一定的理论深度和更高的学 术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的 实用价值和更高的科学价值。因而撰写硕士论文将对作者提出更高的要 求数据资料翔实充分、论证分析详尽缜密、推理演算思路清晰、论 文结构规范清晰、专业词汇运用准确。 毕业设计 21 电路与系统 学科研究电路与系统的理论、分析、测试、设计和物理实 现。它是信息与通信工程和电子科学与技术这两个学科之间