万用表的设计与组装(北交)

1、姓名： 学号：学院：电子信息工程学院班级： 首次实验日期：2012年9月17日星期一 04时段实验名称万用表的设计与组装目录目录一、实验任务- 1 -二、实验目的- 1 -三、实验要求- 1 -四、主要仪器名称- 1 -五、实验原理- 1 -1.测量实验箱中微安表表头内阻：- 1 -2.制作直流电流档- 2 -3.制作直流电压档- 2 -4.制作交流电压档- 2 -5.制作电阻档×100- 3 -调零电路- 3 -6.电阻档×10电路及说明- 4 -六、操作步骤及实验数据- 4 -1.自制直流电源- 4 -2.用半偏法测量微安表内阻Rg- 5 -3.制作并校验直流电流档-

2、5 -4.制作并校验直流电压档- 5 -5.制作并校验交流电压档- 6 -6.制作并校验电阻档×100- 6 -七、数据处理- 7 -八、使用说明- 9 -九、误差分析与实验总结- 9 -1.误差分析- 9 -2.实验总结- 9 -参考文献- 10 -姓名： 学号： 通信 万用表的设计与组装一、实验任务分析研究万用表电路，设计并组装一个简单的万用表。二、实验目的1.了解万用表的基本工作原理，巩固和扩展电表改装知识；2.将微安表改装成简易万用表；3.掌握电表的校准方法，理解其意义。三、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

3、用表。直流电流挡：量程1.00mA；以自制的1.00mA电流表为基础的直流电压档：量程2.50V；以自制的1.00mA电流表为基础的交流电压档：量程10.00V；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。四、主要仪器名称一个含表头、二极管、电位器、变压器、电容等电路器件的实验箱3个电阻箱一个数字万用表。五、实验原理1.测量实验箱中微安表表头内阻：改装电表就是要并联或串联一个电阻来增加表头的电流或电压的量程，而所需要的扩程电阻除了和改装表的量程有关，还和表头的两个主要参数Ig和Rg有关

4、。其中表头量程Ig可以直接从表头读取，Ig=500A，内阻Rg则要在改装前加以测定。本次实验中采取半偏法进行测量，原理图见上页。半偏法大致可以分为以下两步：（1）置电阻箱R=0，再调节滑线变阻器R1和R2使得表头满偏，此时I=Ig，理论上U=IgRg（2）调节R，R1，R2使得表头半偏并保持毫伏表读数仍然为U，此时I=Ig/2，理论上U=Ig2R+Rg2.制作直流电流档表头本身就是一个电流表，它的量程已知，为Ig=500A，为了用它制作一个量程为1mA的电流表，就得并联一个电阻R2，如图6.2-2所示。考虑到要组装的万用表有电阻档，故还需同R2一起串联一个调零电阻R1， R1是一个电位器，具体

5、的工作机理后面进行解释。扩程后，流过微安表的电流仍为Ig，微安表及其分流电阻一起构成了一个量程较大电流表。这一电流表允许通过的电流为流过微安表的电流Ig和流过分流电阻的电流IR的和，又由于IgRg=IRR1+R2，所以由I=Ig+IR=1mA，可以计算出分流电阻的总阻值为IR=I-Ig=0.5mAR=R1+R2=IgRgI-Ig=Rg调零电阻R2的阻值可以用标准的万用表测量出。即可知电阻箱的阻值R1的大小。3.制作直流电压档对于上面制作的毫安表来说，它的总内阻为Rg'=RgR1+R2R1+R2+Rg=Rg2，量程为Ig'=I=1mA，它所能测量的电压为Ig'Rg'

6、;，为了在它的基础上制作量程较大的电压表，则需要串联分压电阻R3来扩大毫安表的电压量程，如图6.2-2所示。毫安表和R3一起构成了量程为U=2.50V的电压表。扩程后，通过微安表表头的电流仍为Ig，通过自制的毫安表的电流仍为Ig'，所以U=Ig'Rg'+R3，这样就可以算出R3=UIg'-Rg'4.制作交流电压档制作交流电压表时应该注意，微安表的表头是直流的，要测量交流信号，就要对信号进行整流，整流有全桥整流和半桥整流，本次实验采用半桥整流法，如图6.2-2所示。我们需要从表盘上读取的应该是交流电电压的有效值，但经过半桥整流后的交流电反映在直流电表上的是

7、平均值，因此要建立平均值和有效值的关系，以将表头指针的指示转换为有效值。所以需串联一个电阻R4，它不仅仅是扩程电阻，还避免了负向电流空载，起到了保护电源的作用。设交流电的峰值用Um表示，则根据中学物理知识可以算出有效值U和平均值U为U=02Um2sin2tdt=Um2=10VU=20Umsintdt=Um所以，U=2U=1024.50V，即微安表测量交流电压达到满偏，即流过最大电流Ig时，相当于接线柱两端加上了4.5V左右的直流电压。在计算R4的阻值时，还要考虑到二极管也会分得一部分电压，用标准万用表可以测量二极管的压降，设为U'，所以R4=U-U'Ig'-Rg'

8、;5.制作电阻档×100用微安表制作电阻档的时候必须接入电源，因为只有这样才能使表头指针偏转，这是电阻表不同于电流表或电压表的特点之一。在毫安表的基础上制作电阻档的原理如右图。电源为U=1.5V的干电池，在初次使用时调零电阻R1的滑动端调到最右端。电阻表的最右端是零刻度的位置，即Rx=0时流过微安表的电流达到满偏，据此，可以计算出电阻R5的阻值为R5=UIg'-Rg'当Rx=Rg'时，I0=Ig'2，此时表头指针恰好在刻度尺的正中央，因而将此阻值称为中值电阻，即电阻表的中值电阻等于此档电阻表的内阻。使用电阻表测量电阻，主要用刻度盘的右半和中值附近，中值

9、电阻对于电阻表就类似于电流表的量程。改变中值电阻，就可改变量程。在万用表中，不同量程的电阻档，就是利用这个方法来实现的。调零电路当干电池用久了，电动势会发生改变，将表棒短路，就令Rx=0，指针就不会只在“0”处，这个现象称为电阻档的零点偏移，它给测量带来一定的系统误差。对此，最简单的克服办法就是调节R5的阻值，是表头指针仍回到“0”处。这个办法虽补偿了零点漂移，但中值电阻发生了较大的变化，若再按原来电阻刻度读数，便会产生较大的测量误差。在一般万用表中，大都采用图6.2-3所示的方法。它是在表头回路里介入对零点偏移起补偿作用的电位器R1，电位器的滑动端将它分成两部分。一部分与表头串联，其余部分则

10、与表头并联。当电池电动势高于标准值，电路中的总电流偏大，可将滑动触头左移，较少与表头并联的阻值，是分流增加。当实际的电动势低于标准值时，可将滑动触头右移，增大流经表头的电流。当表棒短路时，流经电流表的电流仍保持满刻度。6.电阻档×10电路及说明根据上述说明，改电阻表的量程即为改变电阻表的内阻，即中值电阻。原理图见5.中的×100档的电路图，开关置于R6处即为×10档。在×100档电阻表的基础之上改装成×10档电阻表时，只需按照将中值电阻变为×100的1/10即可。即R6R5+Rg'R6+R5+Rg'=R5+Rg'

11、;10所以 R6=R5+Rg'9同样的道理也可以算出R7的阻值，在用某个档的时候只需将开关接在相应的位置即可。六、操作步骤及实验数据1.自制直流电源实验室中没有直流电源，只能使用实验箱里面的变压器输出的交流电，输出电压在10V -14V左右，而我们进行测量表头内阻和校准时需要使用直流电源，所以就需要自制一个简单的可调电压的直流电源方便我们使用。整流采用全桥整流，滤波用大容量的电容，电路图如下右端即作为直流电源的正负极输出，输出电压在10V12V左右。2.用半偏法测量微安表内阻Rg按照第2页的电路图测量微安表头的内阻Rg，G即为待测的微安表表头，毫伏表用标准的万用表来代替，电源用上面自制

12、的直流电源。记录毫伏表和电阻箱的读数。毫伏表： 11.2 V 电阻箱R： 475 3.制作并校验直流电流档首先，用标准万用表的电阻档测量调零电阻R1的阻值，然后让电阻箱R2的阻值为R-R1，按照直流电流档的组装电路进行组装即可。调零电阻R1： 202 据此计算出电路图中各个电阻箱的理论值为R=R1+R2=475所以R2的理论值为R2=273。然后进行校验，校验电路图如右图，自制的毫安表与标准表串联，然后连接在自制的可调电压直流电源上。首先进行满量程校验，使标准表指针满量程，观察微安表是否刚好满刻度，若不是，调节电阻R2，使微安表和标准表同时满刻度，记录调整后的电阻箱R2的阻值电阻箱R2： 28

13、3 然后进行分刻度校验，在被校验的刻度盘上，均匀选取11个校验点（包括零点，其示数记为Ix，标准值记为In），调节电压源的电压，从小到大依次在校验各点的刻度上，记下标准表相应的示数 I+，再由大到小重复一遍，记下标准表的示数 I-，取平均值 I0=I+I-2，数据填入表格中-Ix/A050100150200250300350400450500In/mA00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0I+/mA00.0980.2010.3040.4060.5110.6100.7100.8100.9061.001I-/mA00.0970.2000.3000.4060.5090.611

14、0.7080.8080.9031.0014.制作并校验直流电压档按照前面的组装电路进行直流电压档的组装。其中R3的理论值为R3=UIg'-Rg'=2262.5校验电压表，将自制的电压表与标准万用表并联后接在自制的可调电压的直流电源两端，如图所示。首先进行满量程校验，使标准表指针满量程，观察微安表是否刚好满刻度，若不是，调节电阻R3，使微安表和标准表同时满刻度，记录调整后的电阻箱R3的阻值电阻箱R3= 2248 然后进行分刻度校验，在被校验的刻度盘上，均匀选取11个校验点（包括零点，其示数记为Ix，标准值记为Un），调节电压源的电压，从小到大依次在校验各点的刻度上，记下标准表相应

15、的示数 U+，再由大到小重复一遍，记下标准表的示数 U-，取平均值 U0=U+U-2，数据填入表格中Ix/A050100150200250300350400450500Un/V00.250.50.751.001.251.501.752.002.252.50U+/V00.2480.5030.7581.0171.2771.5251.7752.0272.2692.502U-/V00.2460.4980.7541.0151.2701.5281.7772.0222.2652.5025.制作并校验交流电压档按照前面的组装电路进行交流电压档的组装。其中R4的理论值为R4=U-U'Ig'-Rg

16、'=3674.1用标准万用表粗略测量一下二极管的压降U'，记录下万用表的示数压降U'= 0.59 V进行校验，将交流电源接在分压电位器上，做成一个可调电压的交流电源。同直流电压档相同，将标准表同待校准表并联后接在制成的可调电压的交流电压源两端。首先进行满量程校验，使标准表指针满量程，观察微安表是否刚好满刻度，若不是，调节电阻R4，使微安表和标准表同时满刻度，记录调整后的电阻箱R4的阻值电阻箱R4= 3920 然后进行分刻度校验，在被校验的刻度盘上，均匀选取11个校验点（包括零点，其示数记为Ix，标准值记为Un'），调节电压源的电压，从小到大依次在校验各点的刻度上

17、，记下标准表相应的示数 U+'，再由大到小重复一遍，记下标准表的示数U-'，取平均值 U0'=U+'+U-'2，数据填入表格中Ix/A050100150200250300350400450500Un'/V01.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00U+'/V01.4242.4123.3764.3565.3346.2907.2058.1269.03610.002U-'/V01.4092.4013.3804.4085.3666.3407.2448.1939.08410.0016.制作并校验电阻档

18、×100按照前面的组装电路进行交流电压档的组装。其中R5的理论值为R5=UIg'-Rg'=1172.5由于干电池的电压可能已经降低，故需先用标准万用表测量一下干电池的电压，记录下万用表的示数干电池电压U= 1.41 V校验电阻档，外接一个电阻箱，令其阻值为Rx=0，观察微安表是否刚好满刻度，若不是，调节电阻R5，使微安表和标准表同时满刻度，记录调整后的电阻箱R5的阻值电阻箱R5= 1142 V调整电阻箱Rx的阻值，使微安表的指针指在刻度盘的正中央，记录此时电阻箱Rx的阻值电阻箱Rx= 1340 V均匀选取6个刻度，分别测量并记录微安表的指针在各个刻度时电阻箱Rx的阻值

19、，实验数据记入下表Ix/A100200250300400500Rx/5700210513409703900七、数据处理计算出各个档位的平均值I0、U0、U0'，并计算与标准值的差I=I0-In、U=U0-Un、U'=U0'-Un'，计算结果填入下表Ix/A050100150200250300350400450500In/mA00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0I0/mA00.09750.20050.3020.4060.510.61050.7090.8090.90451.001I/mA0-0.00250.00050.0020.0060.0

20、10.01050.0090.0090.00450.001Ix/A050100150200250300350400450500Un/V00.250.50.751.001.251.501.752.002.252.50U0/V00.2470.50050.7561.0161.27351.52651.7762.02452.2672.502U/V0-0.0030.00050.0060.0160.02350.02650.0260.02450.0170.002Ix/A050100150200250300350400450500Un'/V01.002.003.004.005.006.007.008.00

21、9.0010.00U0'/V01.41652.40653.3784.3825.356.3157.22458.15959.0610.0015U'/V00.41650.40650.3780.3820.350.3150.22450.15950.060.0015分别绘制各个档位的校准曲线：八、使用说明使用这个万用表进行测量直流电流、直流电压、交流电流时需要参照校准曲线对各数值进行校准，从而可以获得较高的准确度。测量电阻时参照表中已记录下的那几个值来粗略测量出电阻阻值。在使用电阻档之前，需要将两表笔短接，调节调零电阻，是指针指在电阻刻度尺的零位上，需要注意的是，如果无论怎么调都调不到零点，说明电池内阻过大，需要更换电池。在进行交流电压的测量时，同测量直流时一样，也是要注意表笔的正负的，因为采用的是半桥整流，所以不要误以为正接反接是一样的。其他注意事项与使用方法同所有电表相同。九、误差分析与实验总结1.误差分析从校准曲线来看，直流电流档和直流电压档的校准曲线趋势相同，可以认为主要是系统误差影响。系统误差的来源可以归结于导线的电阻，导线与其他装置连接处的接口电阻以及微安表表头的误差。而从交流电压档的校准曲线来看，此档位的误差是比较大的，主要来源于操作误差，感觉装置的连接上有一定影响；其次交流电的电压不是