电子基础与测量仪器 8

117模块三万用表§3-1模拟式万用表§3-2数字式万用表118§3-1模拟式万用表119

学习目标1．熟悉模拟式万用表的组成和工作原理。2．掌握模拟式万用表的使用和维修方法。120一、模拟式万用表的组成模拟式万用表一般由测量机构、测量电路和量程转换开关三部分组成。MF47型万用表的外形如图所示。121MF47型万用表的外形1．测量机构模拟式万用表的核心是测量机构（俗称“表头”），它的作用是把过渡电量转换为仪表指针的机械偏转角。测量机构的性能好坏直接影响整个万用表的性能好坏。因此，模拟式万用表的测量机构通常采用准确度和灵敏度都很高的磁电系直流微安表，其满偏电流为几微安到几百微安。一般情况下，满偏电流越小的测量机构，其灵敏度越高。万用表的灵敏度通常用电压灵敏度（Ω/V）来表示。1222．测量电路模拟式万用表中测量电路的作用是把各种不同的被测电量转换为磁电系测量机构所能测量的微小直流电流（即过渡电量）。测量电路中使用的元器件主要包括分流电阻、分压电阻、整流元件、电容器等。万用表的功能越多，测量电路越复杂。如图所示为MF47型万用表的内部结构。从图中可以看到，万用表中的测量电路一般都直接焊接在印制电路板上，这样既可以缩短接线长度，减小接线电阻的影响，又增强了仪表的牢固性。123124MF47型万用表的内部结构

3．量程转换开关模拟式万用表中量程转换开关的作用是把测量电路转换为所需要的测量种类和量程。万用表上的量程转换开关一般都采用多刀多掷开关。MF47型万用表依靠一只量程转换开关

（见下图）来实现各种测量电路的转换。它采用了三层两刀二十四掷开关，共24个挡位。如图所示为三层两刀二十四掷开关的结构示意图，它有24个固定触点（也称为“掷”），沿圆周分布，对应24个测量挡位。在其转轴上连接有两个可动触头（也称为“刀”）。当转动量程转换开关时，可动触头与接在固定触点上的相应测量电路接通，就构成了不同的测量电路。125126三层两刀二十四掷开关的结构示意图MF47型万用表的量程转换开关二、模拟式万用表的工作原理MF47型万用表和其他型号的模拟式万用表的工作原理基本相同，都是建立在欧姆定律及电阻串并联规律的基础之上。其总电路图如图所示。127MF47型万用表总电路图1．直流电流测量电路将万用表量程转换开关SA置于“mA”挡中任意一个电流挡，就组成如图所示的直流电流测量电路（图中是500mA挡）。128直流电流测量电路由上图可以看出，当将量程转换开关置于50μA挡时，所用的分流电阻是R21和可调电阻RP1。这样就将测量机构的灵敏度由原来的46.2μA扩展为极限灵敏度（即灵敏度的最小整数）50μA，通常也把50μA挡（加上隔离电阻同时也是0.25V挡）称为基础挡。当将量程转换开关置于0.5mA挡时，相当于在50μA的基础挡上并联一个分流电阻R4；置于5mA挡时，相当于在50μA的基础挡上并联一个分流电阻R3；置于50mA挡时，相当于在50μA的基础挡上并联一个分流电阻R2……129上图中的电阻R22起隔离作用，可以防止大浪涌电流对测量机构的冲击，从而保护测量机构。需要指出的是，由于万用表的电压挡、欧姆挡等都是在50μA直流电流挡的基础上扩展而成的，因此，可以把50μA的电流挡等效看成一个50μA的磁电系测量机构，这对以后分析电路是很方便的。另外，对于组成50μA电流挡的电阻，以及直流电流挡的各分流电阻，通常都采用温度系数小、电阻率很大的锰铜丝绕制而成，以保证整个万用表有足够的准确度。130上图中的RP2（阻值为500Ω）是可调电阻，它始终与测量机构串联，它在万用表电路中的第一个作用是温度补偿。因为若测量机构直接与分流电阻并联，由于分流电阻通常都采用温度系数很小的锰铜丝绕制而成，其阻值不随温度变化而改变。1312．直流电压测量电路测量直流电压时，只需将量程转换开关SA置于直流电压的任意挡位，就组成如图所示的直流电压测量电路（图中量程转换开关位于直流250V挡）。132直流电压测量电路由上图可以看出，万用表的直流电压测量电路就是在50μA直流电流挡的基础上组成的，它实质上是一只多量程直流电压表。MF47型万用表直流电压测量电路采用的是共用式分压电路。当将量程转换开关置于1V挡时，所串联的分压电阻是R5；置于2.5V挡时，所串联的分压电阻是R5、R6；置于10V挡时，所串联的分压电阻是R5、R6、R7；置于50V挡时，所串联的分压电阻是R5、R6、R7、R8；置于250V挡时，所串联的分压电阻是R9、R10、R11；置于500V挡时，所串联的分压电阻是R9、R10、R11、R12；置于1000V挡时，所串联的分压电阻是R9、R10、R11、R12、R13。133这里需要注意以下两点。（1）和交流电压挡的电流接入点不同，所有的直流电压挡除所用分压电阻外，都要串联隔离电阻R22，而交流电压挡不需要串联隔离电阻，这是因为交流电压挡和直流电压挡共用一套电阻和同一刻度尺。（2）直流电压挡的250V、500V、1000V挡中，测量机构两端都特意并联一只电阻R28，使得电流基础挡的满偏电流由原来的50μA扩展到110μA，如图所示。134135在测量机构两端并联电阻3．交流电压测量电路（1）用万用表测量交流电压的原理万用表的测量机构采用的是磁电系直流微安表，所以只能测量直流电流。如果要测量交流电流，只有加上整流器将交流转换成直流后，再送入测量机构，然后找出整流后的电流与输入交流电流之间的关系，才能在仪表标度尺上直接标出输入交流电流的大小。其工作原理与整流系交流电压表完全相同。于是，万用表交流电压的标度尺与整流系交流电压表的标度尺一样，可以直接按交流电的有效值进行标定，即万用表交流电压挡的读数是正弦交流电压的有效值。136（2）MF47型万用表交流电压测量电路将MF47型万用表的量程转换开关SA置于交流电压的任意挡位，就组成如图所示的交流电压测量电路。137交流电压测量电路由上图可以看出，交流电压测量电路也是在直流电流50μA挡的基础上扩展而成的，也采用共用式分压电路。MF47型万用表的交流电压测量电路采用半波整流电路，整流效率低。它的250V挡、500V挡和1000V挡的分压电阻与相应直流电压挡的分压电阻共用，并且去掉了隔离电阻R22和与测量机构并联的分流电阻R28，这样，用减小分压电阻的方法，补偿由于整流效率低而使测量机构电流下降的影响，从而达到节省材料和交、直流电压挡共用一条标度尺的目的。1384．电阻测量电路（1）欧姆表的基本原理用欧姆表测量电阻的原理电路如图所示。图中R0是欧姆调零电阻，r

是电池内阻，R1

是限流电阻，RC

是测量机构的内阻。139用欧姆表测量电阻的原理电路由全电路欧姆定律可知，电路中的电流为式中，RZ

为欧姆表总内阻，RX

为被测电阻，E

为电池电动势。上式说明，如果欧姆表总内阻

RZ

和电池电动势

E

保持不变，则线路中的电流

I

将随被测电阻

RX

而改变，且

I

与

RX

成反比关系。可见，用欧姆表测量电阻的实质是测量电流。140（2）欧姆表量程的扩大理论上讲，上述欧姆表可以测量0～∞任意阻值的电阻。但实际上，由于欧姆表刻度不均匀，所以它的有效使用范围一般只在10%欧姆中心值至10倍欧姆中心值的刻度范围内，超出该范围，将会引起很大的误差。为了使欧姆表能在较大范围内对被测电阻进行较准确的测量，万用表欧姆挡都做成多量程的。同时为了各量程能共用一条标度尺，以便于读数，一般都以

R×1挡为基础，按10的倍数来扩大量程。这样，各量程的欧姆中心值就应是10的倍数。141由于欧姆表量程的扩大实际上都是通过改变其欧姆中心值来实现的，所以随着欧姆表量程的扩大，欧姆表的总内阻和被测电阻都将增加，这必然会引起流过测量机构的电流减小。因此，在扩大欧姆表量程的同时，还必须设法增加测量机构的电流，通常可采取以下两种措施。1）保持电池电压不变，调整分流电阻的大小。2）提高电池电压。142143欧姆表量程的扩大a）保持电池电压不变，调整分流电阻的大小b）提高电池电压（3）MF47型万用表电阻测量电路当将万用表量程转换开关置于欧姆挡时，其电路如图所示。144电阻测量电路MF47型万用表的欧姆挡共有5挡倍率。R×1～R×10k各挡的欧姆中心值分别为15Ω、150Ω、1.5kΩ、15kΩ和150kΩ。在

R×1～R×1k各挡，电池电压为1.5V，采用改变分流电阻的方法扩大量程。在

R×10k挡，电池电压为1.5V+9V=10.5V，同时去掉了分流电阻，再串联一只141kΩ的限流电阻，使

R×10k挡的欧姆中心值达到150kΩ。1455．万用表常用保护措施（1）过压保护在MF47型万用表“+”接线端和“-”接线端之间，并联正、反向硅二极管VD6和VD5，起到过压保护作用。（2）过流自熔断保护MF47型万用表在表内输入端串联一只0.5A的快速熔断器，当发生此类事故时，熔丝迅速熔断，从而起到保护万用表的作用。实际中若发现万用表未接通，应检查原因，更换熔丝后再使用。146（3）表头过载限幅保护由于表头（测量机构）是万用表的核心，为防止表头被烧毁，MF47型万用表的表头两端并联有正、反向硅二极管VD3和VD4，保护表头不致因电流过载而损坏。（4）压敏电阻保护MF47型万用表采用了压敏电阻作为欧姆挡的过电压保护。一旦由于使用者操作失误导致高电压进入电阻测量电路，压敏电阻的阻值迅速降低，从而将电流予以分流，防止表头受到过大的瞬时电压而损坏。147三、模拟式万用表的使用与维修1．模拟式万用表的使用（1）使用之前要调零为了减小测量误差，在使用万用表之前要先进行机械调零。在测量电阻之前，还要进行欧姆调零。（2）要正确接线万用表面板上的插孔有极性标记，使用时将红表笔与“+”极性插孔相连，黑表笔与“-”极性插孔相连。（3）要正确选择测量挡位测量挡位包括测量对象和量程。148（4）要正确读数在万用表的表盘上有许多条标度尺，分别用于不同的测量对象，所以测量时要在对应的标度尺上读数，同时应注意标度尺读数和量程的配合，避免出错。（5）要注意操作安全在进行高电压测量或测量点附近有高电压时，一定要注意人身和仪表的安全。在进行高电压及大电流测量时，严禁带电切换量程转换开关，否则有可能损坏量程转换开关。另外，万用表用完之后，最好将量程转换开关置于空挡或交流电压最高挡，以防下次测量时由于疏忽而损坏万用表。1492．模拟式万用表电路图识读及故障排除（1）模拟式万用表电路图识读方法1）熟悉各元件的符号、作用及在实物中的位置，明确量程转换开关触点的位置。2）由于直流电流挡是万用表的基础挡，因此，识读万用表电路图时一般先识读直流电流测量电路，然后依次识读直流电压测量电路、交流电压测量电路、电阻测量电路。3）识读电流、电压测量电路时，应从红表笔出发，经测量电路到达黑表笔；识读电阻测量电路时，应从表内电池的正极出发，经测量电路、被测电阻，最后回到电池的负极。150（2）模拟式万用表故障排除1）直流电流挡的故障及排除。找一只准确度较高的毫安表或无故障的万用表作为标准表，与故障表串联后测量某直流电流。若故障表读数比标准表大得多，则多为分流电阻开路所致。若故障表无读数，可将故障表量程转换开关置于直流电压较低挡（如2.5V挡），直接测量一节新干电池的电压，若仍无读数，则为表头线路开路；若有读数且指示值大于1.6V，则为分流电阻开路。排除方法：若表头线路开路，应找出其开路的原因。若分流电阻开路，需打开仪表后盖，逐一检查各个分流电阻（一般为绕线式电阻），并将损坏的分流电阻换掉。1512）电压挡的故障及排除，具体见下表。152电压挡的故障及排除3）欧姆挡的故障及排除（见下图）。153欧姆挡的故障及排除§3-2数字式万用表154

学习目标1．了解数字式万用表的组成及工作原理。2．掌握数字式万用表的使用方法。155一、数字式万用表的组成及工作原理1．直流电压测量电路数字式万用表直流电压测量电路是利用分压电阻来扩大电压量程的，如图所示。156利用分压电阻扩大电压量程2．直流电流测量电路只要使被测电流在分流电阻上产生压降，并以此作为数字式电压基本表的输入电压，仪表即可显示出被测电流的大小。因此，数字式直流电流表是由数字式电压基本表和分流电阻并联构成的，如图所示。由于数字式电压基本表的输入阻抗极高，可视为开路，对电流的分流作用近似于零，所以这里的分流电阻RA

只起到将被测电流

I

转换为输入电压的作用。利用欧姆定律可以方便地计算出分流电阻

RA

的阻值。157数字式直流电流表的构成3．交流电压测量电路在数字式万用表中，为提高测量交流信号的灵敏度和准确度，一般采用先将被测交流电压降压后，经线性AC（交流）/DC（直流）转换器变换成微小直流电压，再送入数字式电压基本表中进行显示的方法。如图所示为DT-830型数字式万用表交流电压测量电路。分压电阻R7～R12与直流电压挡共用。VD5、VD6、VD11、VD12接在AC/DC转换器输入端作过压保护。C1、C2是输的情况，可引入校正值。具体操作方法为将相应的校正值引入测量结果中，即把测量值加上相应的校正值，从而消除系统误差。入耦合电容，R21、R22是输入电阻。AC/DC转换器的输出端接R26、C6、R31、C10构成的阻容滤波器，进行滤波。158159DT-830型数字式万用表交流电压测量电路4．电阻测量电路（1）数字式欧姆表的原理数字式万用表一般采用比例法测量电阻，这样不仅简化了电路，还保证了测量准确度，其原理如图所示。160用比例法测量电阻的原理（2）DT-830型数字式万用表电阻测量电路DT-830型数字式万用表采用比例法测量电阻，其电阻测量电路如图所示。161T-830型数字式万用表电阻测量电路测量电阻时，要将原来的基准电压分压电路全部断开，接入基准电阻（RP1、R7～R12），基准电阻上的压降作为基准电压。V+

输出的2.8V电压经限流电阻R13和二极管VD3、VD4串联分压，可提供0.6V和1.2V两种测试电压，并由S1-3切换。在200Ω挡用1.2V，其余各挡用0.6V。利用S1-2对基准电阻进行切换，使量程在200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ、20MΩ挡变化。1625．晶体管

hFE

测量电路晶体管

hFE

测量电路如图所示。163晶体管

hFE

测量电路a）PNP型b）NPN型由V+

输出的2.8V基准电压源作为测量电源。基极电阻Rb

是NPN型和PNP型共用的。2.8V电源通过Rb

向被测晶体管提供固定的10μA基极电流。取样电阻R0可将集电极电流

Ic（约等于发射极电流）转换为数字式电压基本表的输入电压，即UIN=IcR0=hFEIbR0如果已知

Ib=10μA，R0=10Ω，代入上式得UIN=100hFE（μV）=0.1hFE（mV）hFE=10UIN因此，利用数字式电压基本表200mV量程测量晶体管的

hFE，只要去掉小数点，则显示值就等于hFE

的值。164二、数字式万用表的使用1．DT-830B型数字式万用表的面板结构DT-830B型数字式万用表的前面板如图所示，前面板包括液晶显示器、电源开关、量程转换开关、输入插孔、hFE

插孔等，后面板装有电池盒。165DT-830B型数字式万用表的前面板（1）液晶显示器该万用表采用FE型大字号LCD显示器，最大显示值为1999（或

-1999）。该万用表具有自动调零和自动显示极性的功能。测量时若被测电压或电流的极性为负，会在显示值前出现“-”号。当仪表所用电源电压（正常为9V）低于7V时，显示屏左上方将显示箭头符号，提示应更换电池。若测量时输入超量程，显示屏左端会显示“1”或“-1”的提示符号。小数点由量程转换开关进行同步控制，使小数点左移或右移。166（2）量程转换开关位于面板中央的量程转换开关为6刀20掷转换开关，可提供20种测量功能和量程供使用者选择。在量程转换开关正中央标有“OFF”的位置就是电源开关。若将此开关拨到其他任意量程即接通电源，仪表可以使用。使用完毕，应将开关拨到“OFF”位置，以免空耗电池。（3）hFE插孔该插孔位于量程转换开关的左下方，旁边分别标有B、C、E。其中E孔有两个，在内部连通。测量时，应将被测晶体管三个极对应插入B、C、E孔内。167（4）输入插孔输入插孔共有三个，位于面板右下方。使用时，黑表笔插在“COM”插孔，红表笔应根据被测量的种类和量程，分别插在“VΩmA”或“10A”插孔内。使用时应注意，在“VΩmA”与“COM”之间标有“1000VMAX”

及“0.2AMAX”

的字样，

这表示从这两个插孔输入的交、直流电压不得超过1000V，输入的直流电流不得超过200mA。另外，在“10A”与“COM”之间标有“10AMAX”，表示在对应插