电路分析（第二版）课件 第8章 电路及元器件的测量

第8章

电路及元器件的测量8.1万用表简介8.2模拟万用表的工作原理8.3电路电流的测量方法8.4电路电压的测量方法8.5元器件的测量方法8.6结语8.7小知识——市电电压为什么是220V

8.1万

用

表

简

介

在电路的实际应用中，对支路电流、两点间电压和元器件参数的测量及元器件好坏的判断是必不可少的。通常，最快捷、最简单的测试方法是采用模拟式或数字式测量仪表进行测量。所谓模拟式测量仪表指采用动圈式表头（指针表头）作为示数装置的仪表，而数字式测量仪表指用数字显示屏示数的仪表。最常见的测量仪表是模拟式和数字式“万用表”。

模拟式万用表是一种平均值式仪表，其主要特点如下：

（1）显示直观、形象。

（2）结构简单，成本较低，维护方便。

（3）抗过流、过压能力较强。

（4）输出电压较高（通常大于3V），电流也大（100mA左右），可以方便地测试可控硅、发光二极管等元器件。

（5）没有放大器，内阻不够大，电压测量精度较低。比如MF500型万用表的直流电压灵敏度为20kΩ/V。

（6）功能较少。

（7）读数具有视角误差，准确度较低。

数字式万用表是一种瞬时取样式仪表，其主要特点如下：

（1）以数字形式显示结果，便于观察。

（2）内部采用运放电路，内阻可以做得很大，对被测电路影响较小，测量精度较高。

（3）内部采用了多种振荡、放大、分频、保护等电路，因此功能较多，比如可以测量温度、频率、电容、电感等，更高级的还可充当信号发生器等。

（4）没有视角误差，准确度高。

（5）结构复杂，维修不便。

（6）输出电压较低（通常不超过1V），不便于对一些元器件进行测试。

综上，模拟表和数字表的特点可概括如下：

模拟表的特点：指示形象，简单，皮实，电池使用时间长。

数字表的特点：准确，复杂，易损，需要经常换电池。

图8-1是模拟式和数字式万用表实物图。

图8-1模拟式和数字式万用表

8.2模拟万用表的工作原理

8.2.1动圈式表头磁电式（动圈式）表头的基本结构如图8-2（a）所示。磁电式表头的电路模型是一个指针表符号或电流字符与内阻相串联，见图8-2（b）

图8-2磁电式表头结构及模型

一个表头的参数主要有满偏电流值（满偏值）、灵敏度、内阻和量程。

满偏值：表头指针转到刻度盘最大值（最大偏转角度）时，流过线圈的电流值。

灵敏度：满偏值的倒数，灵敏度=1/满偏值，单位是Ω/V或kΩ/V。

如满偏值为50μA的电流表头，其灵敏度为1/50×10-6

=20kΩ/V。灵敏度实际反映的是单位电流使得指针偏转的角度，比如，一个表头通过1mA电流，指针偏转10°，而另一个表头通过1mA电流，指针偏转15°，则第二个表头灵敏度高。显然，灵敏度越高，说明表头可检测的电流越小且在测量过程中对被测电路的影响越小，检测结果也就越精确。

内阻：从表头两个测量端子看进去的等效电阻。

假设被测电压不变，则内阻越大，电流就越小，灵敏度也就越高。显然，有

表头端电压=表头满偏值

×

内阻

量程：仪表的测量范围（标称示值区间）。

需要注意的是，满偏值是示数最大值，而量程是示数范围。对于裸表头而言，满偏值与量程在数值上相等，比如上述表头的满偏值和量程都是50μA或75mV。

8.2.2电流的测量原理

裸表头因量程过小而无法直接用于实际测量，因此，需要对其进行量程扩展。但量程可变，满偏值不变。从本质上讲，所有扩展量程都是基于满偏值不变而进行分流或分压的结果。

电流表量程扩展的原理很简单，就是并联电阻的分流原理。给表头并联一个电阻，适当选择其阻值，即可控制一部分被测电流不经过表头而被电阻分流，从而实现量程扩展。

【例8-1】

已知一个动圈式表头的满偏值为100μA、内阻R0为2kΩ，若要将表头量程扩大为10mA和1A两挡，请给出实现方案。

解

根据并联电阻可以分流的结论，给出一种可能的电路图如图8-3所示。图8-3例8-1图

实际中，常采用图8-4（a）所示的艾尔顿（Ayrton）分流电路。该电路的优点是不管开关处在什么位置，分流电阻（支路）始终与表头并接，不会使表头出现过流现象。

设被测电流最大值为Ixm，表头满偏值为I0m，并联电阻为Rp，抽头电阻为Rb，则

图8-4艾尔顿分流电路及例8-2图

8.2.3电压的测量原理

虽然一个电流表头也可以直接测量电压，但量程很小。因此，也必须进行量程扩展才可以测量大电压。电压量程的扩展基于串联电阻分压原理，即给表头串联一个电阻（倍压电阻），并适当选择其阻值，即可使被测电压的大部分降在该电阻上，从而实现量程的扩展。

【例8-3】

给定一个量程为100μA、内阻为2kΩ的动圈式表头，若要把该表头改为量程为10V和100V两挡的直流电压表，请给出实现方案。

解

根据串联电阻分压原理，可设计电压表电路如图8-5所示。图8-5例8-3图

8.2.4电阻的测量原理

模拟表测量电阻的原理基于欧姆定律。测量时，需要把电流表、被测电阻与一个电压源串接在一起构成一个回路。因为表头内阻已知，电压源已知，则回路电流就与被测电阻成反比关系，所以，可根据回路电流（流过电流表的电流）大小算出被测电阻的值。用于测量电阻的仪表通常称为“欧姆表”。

【例8-4】

给定一个满偏值为100μA、内阻为R0

的动圈式表头和一个电压为US

的电压源，请给出一个测量电阻的方法。

解

设计测量电路如图8-6所示，图中R0+R=RT

称为欧姆表内阻。图8-6例8-4图

把测量端a、b短路，选择US

和RT，使得电流等于满偏值，即有

当接上被测电阻Rx

时，流过表头的电流为

式（2）表明，对于不同的Rx，流过表头的电流也不同。因此，可按照式（2）把不同的电流值变为不同的欧姆值，则电流表就变成了欧姆表。

设RT=R0+R=10kΩ，根据式（2）可得不同电流值所对应的Rx

值如表8-1所示。

欧姆表量程扩展方法与电流表和电压表都不一样，它是将中值电阻由大向小的方向扩展的，即将中值电阻按10倍、100倍、1000倍和10000倍地减小，由此形成×1、×10、×100、×1k和×10k的欧姆表挡位或量程。比如表针指向5Ω的位置，那么，若量程为×1挡，则被测电

阻

就

是5Ω;若

量

程

为

×100挡，则

被

测

电

阻

就

是500Ω;若

量

程

为×10k挡，则被测电阻就是50kΩ。因此，可得

被测电阻阻值=指针示数

×

倍率（量程）

综上所述，一个电流表头经过扩展可以变成电流计、电压计和欧姆计。所谓万用表实际上就是将以上“三计”合为一体，通过波段开关选择测量功能，因此，万用表也称为“三用表”。

目前，无论是模拟表还是数字表，其功能大都超过了“三用”，晶体管参数、电容值、电感值及温度的测量等功能在很多万用表上都可以看到，“万用表”也越来越“名副其实”。

8.3电路电流的测量方法

在电路中要测量某一支路的电流需要注意以下几点：

（1）将万用表的量程旋钮拨至合适的电流挡位。

（2）将万用表的两根测量表笔串入被测支路时，一定要将红表笔接到高电位处，黑表笔接到低电位处，如图8-7（a）所示。否则，表针会反转。

（3）在表盘中找到直流电流刻度线，将所选量程值平分到刻度之中，即可读出电流值。如图8-7（b）所示。

图8-7测量电流的方法

设量程选为100mA挡，则第二行满刻度读数为100mA，每个小格为2mA，每个大格为20mA，被测电流值为I=64mA。若量程选为500mA挡，则每个小格为10mA，被测电流值为I=320mA。因此，可得

被测电流值=指针示数（格数）×

量程/满偏示数（格数）

对于测量电流而言，因为仪表是串接在电路中的，要想减小仪表对测量结果的影响，需要仪表的内阻（从两个表笔看进去的电阻）越小越好，理想情况为零。另外，需要注意的是，普通的模拟电流表一般只能测量直流电流，而不能测量交流电流。

8.4电路电压的测量方法

在电路中测量某一支路或元件两端的电压需要注意以下几点：

（1）将万用表挡位旋钮拨至合适的电压量程挡位。

（2）将万用表的红表笔触到高电位处，黑表笔触到低电位处，如图8-8（a）所示。

（3）在表盘中找到直流电压刻度线，将量程值平分到刻度中，即可读出被测电压值，见图8-8（b）。

图8-8测量电压的方法

设量程为50V挡，则第二行满刻度读数为50V，每个小格为1V，每个大格为10V，被测电压值为U=32V。若量程改为100V挡，则被测电压值为U=64V。因此，可得

被测电压值=指针示数（格数）×

量程/满偏示数（格数）

对于测量电压而言，因为仪表是并接在电路中的，要想减小仪表对测量结果的影响，需要仪表的内阻（从两个表笔看进去的电阻）越大越好，理想情况为无穷大。另外，普通的模拟电压表可以测量交、直流电压。在测交流电压时，不需要考虑表笔的极性。

8.5元器件的测量方法8.5.1电阻的测量测量电阻的基本步骤如下：

（1）选择合适挡位（量程）。

（2）校零。

（3）将红黑表笔接在被测支路（电阻）两端（不分极性），读出示数，再乘挡位值即可得到真实阻值。

（4）如果表针偏转较小，可以降低挡位使之偏转角增大，以提高读数精度。反之，如果偏转角过大，则要增大挡位。

在图8-9中，若在×1挡，则电阻为6.9Ω;若在×10挡;则电阻为69Ω;若在×100挡，则电阻为690Ω。

图8-9测量电阻的方法

设量程为50V挡，则第二行满刻度读数为50V，每个小格为1V，每个大格为10V，被测电压值为U=32V。若量程改为100V挡，则被测电压值为U=64V。因此，可得

被测电压值=指针示数（格数）×

量程/满偏示数（格数）

对于测量电压而言，因为仪表是并接在电路中的，要想减小仪表对测量结果的影响，需要仪表的内阻（从两个表笔看进去的电阻）越大越好，理想情况为无穷大。另外，普通的模拟电压表可以测量交、直流电压。在测交流电压时，不需要考虑表笔的极性。

8.5.2电感和电容的测量

一般的模拟表不能测出电感的电感量和电容的电容量，但可大致判断它们的好坏。图8-10测量电感的方法

1.电感的测量

如图8-10所示，用电阻挡测量电感时，若指针摆动很大（电感线阻很小），说明电感基本上是好的。之所以不能肯定电感是好的，是因为无法判断电感内部线圈是否短路。若有几个同样的电感，则线电阻低于其他电感的电感就存在短路问题，其电感量会减小。

2.电容的测量

如图8-11所示的电路中，通常将量程开关放在电阻的最大挡，比如×1k，在表笔接通电容的瞬间，好的电容会使表针摆动，摆动幅度越大，说明电容量越大。摆动完后，表针应该慢慢回到起始位置（回零），即电阻为无穷大的位置。如果表针不回零，说明该电容有漏电问题，距离起始位置越远，漏电越严重。判断原理基于电容的充放电特性。

图8-11测量电容的方法

测电解电容时，要把黑表笔接电容正极，红表笔接电容负极。因为在模拟表内部，电池正极接黑表笔，负极接红表笔。另外，电解电容总会有一点漏电流，表针不可能完全归零。

对于小电容而言，表针摆动很小，一般看不出来。因此，只要表针在起始位置，就可以判定该电容没有漏电问题。

在×1k挡，根据经验，表针的位置与被测电容的电容量大小有如表8-2所示的关系。

8.5.3二极管的测量

将万用表设置在×1k挡，将红黑表笔搭接在二极管两端，若测出的电阻为几百至几千欧，则表明这是二极管的正向电阻，此时，黑表笔接的是二极管正极，红表笔接的是负极;若测出的电阻为几百千欧以上，则表明这是二极管的反向电阻，此时，黑表笔接的是二极管负极，红表笔接的是正极，如图8-12所示。因此，测量二极管必须对调表笔测两次，正反向电阻差别越大越好。如果两次的阻值很接近，说明二极管性能不好;如果两次的阻值都为零，说明二极管击穿了;如果两次的阻值都很大，说明二极管开路了。

图8-12测量二级管的方法

8.5.4变压器的测量

变压器常用于仪器仪表和家电等低压设备中，并称为“电源变压器”。这类变压器的初级只有1个绕组，次级多是1个单绕组或一个带抽头的绕组。其主要外特性是高压绕组（初级绕组，接市电220V）圈数多，线径细;低压绕组（次级绕组，接负载）圈数少，线径粗。据此，可以用万用表大致判断各绕组的好坏。通常，电阻大的绕组为初级绕组，电阻小的为次级绕组。变压器的功率越大，体积就越大，绕组的线径就越粗、线阻就越小。

8.6结

语

综上所述，本章的主要内容可以用图8-13概括。图8-13第8章主要内容示意图

最后，我们给出常用的MF10型万用表实物图及其电路

原理图，见图8-14和

图8-15，以帮助读者更好地理解本章内容。

图8-14MF10型万用表实物图

8.7小知识——市电电压为什么是220V

“市电”泛指城市民用及照明交流用电系统。目前，全球民用交流供电系统主要有两大标准：110~127V和220~240V系统。

我国内地、我国香港地区（200V）、英国、德国、法国、意大利、澳大利亚、印度、新加坡、泰国、荷兰、西班牙、希腊、奥地利、菲