万用表电路的设计与组装
环境与化学工程学院 化工11级 祝铭 指导教师：徐朋
摘要：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。本次试验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，并检验电路。
关键词：万用表；设计组装；检验电路
1 实验部分
1.1 实验目的
1) 了解简单的万用表的简单电路。
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性能指标进行测试。 1.2 实验原理
1.2.1 指针式万用表的简易电路及使用方法
图1是简易万用表的实验电路，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。 B （-）点， 接表头负极，是所有测量档的公共接点，通常接黑色表笔。 A （+）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能档。 1.2.2 万用表的几个重要参数 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I g 称为表头灵敏度。I g 一般为 9.2~200μA。值越小，灵敏度越高，万用表的性能也越好。本实验取I g =50μA。 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R v 与该档满量程电压U m 的比值称为直流电压灵敏度，用S v 表
~
示。可写成S v =
R v U m
~
①
电压灵敏度越高，万用表的性能也越好。 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R k 的大小可以确定该档的测量范围。若中值电阻为R k ，则该档的测量范围是1.3 电阻的计算
1) 电流档的设计（计算R 1和R 2）
将直流电流5 mA 和50 mA 档的电路从图1中分离出来，如图2。R 1是50 mA 档的分流电阻，R 1和R 2是5
mA
14
R k —4R k 之间。
档的分流电阻。所有分流电阻与表头串联成一闭合回路。50 mA 档的电路中，总电流I m 在R 1和R 2的连接处分成两路，一路经R 2→R 3→R T →表头回到B 点，电流为I g ，另一路经R 1回到B 点，电流为（I m -I g ） ，因为这两个并联电路的电压降相等，所以有：
I g (R 2+R 3+R T +R m ) = （I m -I g ）R 1
又 R 2+R 3+R T = R s -R 1 代入上式得 I g (R s -R 1+R m ) = （I m -I g ）R 1 整理得 I m R 1= I g (R s +R m ) ②
②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，5 mA 量程的分流电阻R 1+R 2 也可以求出。
2) 直流电压档的设计（计算R 4和R 5）
直流电压5 V 档和50 V 档电路从图1中分离出来，如图3。DB 间电压量程为50 V ， A’B 间电压量程为5 V，而CB 间可以看成更小量程的电压档，其量程为0.15V 。据此，可分别求出这两档的内阻。内阻求出之后，根据R v =R 4+R //, R v =R 4+R 5+R //可求出R 4和R 5。
mA
3) 电阻档的设计（计算R T 、R 6、R 7和R 3）
将电阻档“×1K”和“×10” 两档的电路从图 1 中分离出来，如图4，其中（a ）与（b ）都是“×1K” 档，不
同的是调零电阻R T 的工作状态不同。（c ）是“×10”档的电路。R T 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，使表头满偏，以满足I g =
E R k
。
E 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R k 需适时调整，才
能使表头随时能够调零。E 的变化值在 1.2 - 1.65V 之间，R T 的大小也应适应E 的这种变化。显然，当E =1.2V 时，R T 的触点应移至最右端。如图 4（a ）。当E =1.65V
时，应
移至最左端，如图 4（b ）。在（a ）与（b ）两种状态下，R k 会有所变化，给测量带来误差，但只要R 6足够大， R T 的影响就可以忽略，中值电阻R k 也可以认为是不变的。下面求R 6，要想求R 6首先要求R k 。R k 决定于电池电压和表头灵敏度。在图 4（a ）中，E =1.2V ，
I m =2I g =100μA ，得R k =12k Ω。
而中值电阻 R k 即是该档的总内阻，所以R k =R 6+R //+r E 式中R //=1.5k Ω， r E =1Ω（电池内阻可忽略） R 6可求。 下面计算R T 。根据I g （R T +R m ）=(
1.65R k
-I g ) (R s -R T ) ，可求R T 。
根据R s =R 1+R 2+R 3+R T ，可求出R 3。
' '
根据R k =120Ω，R k =
(R 6+R //) R 7R 6+R //+R 7
+r E ，可求出R 7。
4) 交流电压档的设计（计算R 8和R 9）
交流电压档的分压电阻R 8和R 9的计算方法，与直流电压档的分压电阻R 4和R 5的计算方法相仿，分别求出 10 V交流电和50 V交流电档的内阻即可求出分压电阻R 8和R 9。 1.4 实验仪器
万用表组装板；标准电流表；标准电压表；电阻箱；导线；滑动变阻器；学生万用表 1.5 实验步骤
1.5.1 电流档的测试
自制万用表按电流档的设计，测定50mA 的电流。取R 1=11Ω，
R 2+R 3+R T =5489Ω组装万用表。串联标准电流表。调节滑动变阻
器，使两表的指针同向而行，记录5组数据。 1.5.2 电压档的测试
自制万能表按直流电压电路的设计，测定5V 的电压。取
R s =5500Ω，47250Ω组装万能表。并联标准电压表。调节滑动变
阻器，使两表的指针同向而行，记录5组数据。
2 结果与讨论
2.1 原始数据
5系列 R m =R s =5.5k Ω
R 1=11Ω; R 2=99Ω; R 3=3.89k Ω; R 4=47.25k Ω; R 5=450k ΩR 6=9.25k Ω; R 7=121.121Ω; R 8=41.15k Ω; R 9=176k Ω; R T =1.5k Ω
2.2 数据处理
2.2.1电流档的测试数据 1) 50mA 档
2) 5mA 档
2.2.2电压档的测试数据
2.3 误差分析
本次实验造成误差的主要原因有以下几点：
1. 理论计算得出的各元件电阻值并不精确，这将导致测量时所得出的结果与实际值不符。 2. 万用表组装板上各连接点均有电阻，对实验结果造成的影响不可忽略。 3. 表头本身不可矫正的机械误差。 4. 其他造成误差的客观因素。
3 结论
这次设计性试验让我获得了理论与实际相结合的经验，既有理论知识的运用又等结合实际考虑问题，提高了解决问题的综合能力。连接万用表电路看似简单，实际操作起来却不是那么容易，通过这次实验，使我受益匪浅。 参考文献
[1] 李学慧. 大学物理实验(万用表电路的设计与组装)[M].北京：高等教育出版社，2012.7 [2] 杨述武. 普通物理实验[M].北京:高等教育出版社,1997 [3] 季东炜. 万用表使用维修手册[M].北京:中国计量出版社,1995 [4] 沙占有. 万用表测量技巧[M].北京:电子工业出版社,1992