第四讲之一 三用表原理与设计

11.9指针式万用表1.9.1指针式万用表的结构和工作原理1.结构=测量机构+测量线路+量程转换开关（1）测量机构：测量机构采用高灵敏度的磁电系测量机构，其满偏电流为几微安到几十微安，准确度在0．5级以上。（2）测量线路：测量线路能将各种待测电量,转换为磁电系测量机构能接受的直流电流。（3）转换开关：转换开关是万用表实现多种电量、多种量程切换的元件，通常将活动触头称为“刀”，固定触头称为“掷”，万用表需切换的线路较多，因此采用多刀掷转换开关。22.工作原理（1）直流电流的测量：万用表测量直流电流采用分流的方法，原理线路见下左图（2）直流电压的测量：万用表直流电压测量线路，采用分流的方法，原理线路见右下图3（3）交流电压的测量由于万用表测量机构采用磁电系测量机构，测量交流电压必须采用AC/DC转换装置。原理线路见下图（4）交流电流的测量万用表测量交流电流除用AC/DC整流式转换装置外，还要考虑内阻。交流电压测量电路原理4（5）电阻的测量万用表电阻测量线路，通常采用被测电阻与表头及内附电池串联的电路，如图所示。在该电路中流过表头的电流为：a.当Rx＝0(S置于位置1)IX＝Imb.当Rx＝∞(S置于位置2)IX＝0c.当RxIX＝E/(RX＋r)电阻测量原理图5欧姆刻度与电流、电压刻度是相反的，而且是不均匀的，如图1-18所示。若：Rx＝r则Im＝E/2r＝1/2I0即仪表电路的总电流等于满偏电流I。的一半。图1－18欧姆表刻度标尺6只有在被测电阻等于欧姆中心值时误差才最小。只有在一般被测电阻的0.1～10倍欧姆中心值范围内读数才较准确。否则将造成很大的读数误差。为此万用表的电阻测量线路都做成多量程电路，为了共用一条标尺，一般都以R×1档为基础，按10的倍数来扩大量程。如R×1，R×10，及×100，及×1k，及×10k等。而各量程档的欧姆中心值Rt(即仪表总内阻)也按10的倍数扩大。当增大仪表总内阻后，流过表头的电流势必减少，在R＝0时，不能使指针指到欧姆零刻度。为此在扩大量程同时还需增大表头电流。增大表头电流常用的方法是在高阻档另接入一个电压较高的电池。7指针式三用表测量线路的设计一般给定技术参数有：•一个磁电系测量机构的微安表（表头），给出电流灵敏度（一般以满刻度电流给出）和其内阻。•直流电流的测量各量程和引入电流。•直流电压的测量各量程和灵敏度（输入阻抗）。•交流电压的测量各量程和灵敏度（输入阻抗）及整流元件。•电阻的测量则给定各量程的电阻中心值和电阻档的电池参数。8现给定设计参数（P204）：DC．A1mA10mA5ADC．V2.5V10V250VDC．V的输入阻抗为1/电流灵敏度AC．V10V50V250V1000VAC．V的输入阻抗为；4KΩ/vΩ×1×10×100×1K（扩展档）电阻中心值：229正确度指标：DC.A：2.5级DC.V：2.5级AC.V：5.0级Ω：2.5级10指针式三用表设计：一、直流电流表分流电阻的计算：Rg1112二、直流电压的分压电阻计算：1.如图3设表头内阻为Rg，电流灵敏度为Ig，则表头的压降为Ug=IgRg，扩大电压量程的分压电阻R=RgIgU132．多量程直流电压表方法A：对于如图4的多量程直流电压表，先计算R1：R1=再用一段电路的欧姆定律分别计算R2和R3即可。RgIgU1方法B：用电压灵敏度的方法来计算分压电阻，如已知Ig=200µA，则电压灵敏度为:1/Ig=5KΩ/V14三、交流电压的测量及元件计算：1．半波整流的AC/DC转换器用磁电系测量机构测量交流电量时，必要有将交流转换成直流的AC/DC转换器。指针式三用表中常用的AC/DC转换器是二极管整流电路，而且常用半波整流电路。如下图5。图515由上图5可见：I=2.3I0I0=I/2.3=0.435I16图6172．交流电压的分压电阻交流的分压电阻计算与直流相似，可：（1）根据给定的交流电压灵敏度（输入阻抗Z）计算出交流引入电流（二极管前）I=1/Z。（2）据图6，由交流引入电流I计算出半波整流后的（二极管后）的电流Ik=I×0.435（3）计算分流电阻R=IgRg/(Ik—Ig)（4）可调电阻RR一般由经验取输入阻抗Z的一半。（5）计算Uo=UR+URR+UD1UD1为二极管上D1的降，硅管约为0.65V。18（6）参考图6，计算分压电阻：方法A：参考图6中的R为磁电系表头分流电阻。D2为保护二极管。IUUR011IUUR122IUUR233(7)为保证半波整流的电流流过表头时不波动，一般最后在表头上并联一个小于10微法的电容！方法B：可以由（4）直接计算分压电阻，如：方法C：可以由已知的交流档输入阻抗直接计算分压电阻。gDKRRIUR11119四、欧姆档的电阻计算：1.欧姆档基本电路如图7中：电位器RW触点移到b点时E=1.6V，此时分流电阻为Rb。电位器RW触点移到a点时E=1.2V，此时分流电阻为Rb+RW。当E为标准电压（E=1。5V）时，电位器RW触点在RW中间。图7202.调零支路电阻Rb和RW的计算：各档电阻中心值：如RX×1的电阻中心值RZ1=22ΩRX×10的电阻中心值RZ2=220ΩRX×100的电阻中心值RZ3=2200Ω以电阻测量值最大的一档电阻中心值RZ3计算E不同时的电流，它能满足其它档的要求：如RZ3=2200Ω时（b点）Imax=1.6V/2200Ω=727μ（a点）Imin=1.2V/2200Ω=545μA（c点）I标=1.5V/2200Ω=682μA21当已知流过表头满刻度电流为Ig，表头总内阻为Rg时：A．计算RW指在a点时的总分流电阻Rb+RW：Rb+RW=IgRg/（Imin—Ig）B．计算RW指在b点时的分流电阻Rb：Rb=（Rb+RW）Imin/ImaxC．RW=（Rb+RW）—Rb223.串联电阻Rd的计算：串联电阻Rd是由低压高倍率的电阻中心值RZ3决定的。因为电位器RW是变数，设RW在中间为½RW，接入Rd后，该档的总内阻同样要等于电阻中心值RZ3，因此有：234.各倍率电阻的计算如图8：（1）设R16为中心电阻RZ1=22Ω时的并联电阻，考虑电池内阻r0一般为0.9～1.1Ω,从端口看：RZ1—r0=RZ3//R16则有R16=（RZ1—r0）RZ3/[RZ3—（RZ1—r0）]（2）设R17为中心电阻RZ2=220Ω时的并联电阻同样有R17=（RZ2×RZ3）/（RZ3—RZ2）（3）设R18为中心电阻RZ2=2200Ω时的并联电阻则有R18=（RZ3×RZ3）/（RZ3—RZ3）=（RZ3×RZ3）/0=∞24（4）设R1K为测量最高倍率档（×1K）串联电阻，由于其电阻中心值太大，至使灵敏度降低到端口短接（RX=0）时也无法调零，故需增加电源电压。由于最高倍率档电阻中心值RZ4=22KΩ,比高倍率档还大10倍，因而电源电压也高10倍，选电源EE为15V的层叠电池，见下图。同时高倍率档无分流电阻（R18=∞），可见最高倍率档也无无分流电阻，工作电流与高倍率档相同。则高倍率档串联电阻R1K=RZ4-RZ3-REE其中：为电源EE的内阻REE为1KΩ。25图8