设计万用表实验简介万用表是实验室和工程测量中最常备的“工具”，它包含了分流，分压，整流等多种基本电路和电表改装的各种方法。万用表实际上是一种多用途电表，由一个高灵敏度的电流表（通常量程为50uA或100uA），配以不同的电路组成，可以测量交流和直流的电流及电压，电阻（有些还可测电感和电容）等。实验室常用的模拟式万用表有多种型号，图1和图2是MF-30型万用表的面板图和线路图，作不同用途时，只需通过多档转换开关，就可以组成不同测量用途的仪表刻度盘机换调零能钮O欧姆零点旋钮功能转换开关红表笔插孔黑表笔插孔里红Rx图1万用表外形图2CP1112CP11SU+/6V2CPL2CP11232品81.5VK0 %224KQFTVT?本图2MF30型袖珍万用电表电路图
设计万用表实验 一、 简介 万用表是实验室和工程测量中最常备的“工具”，它包含了分流，分压，整 流等多种基本电路和电表改装的各种方法。 万用表实际上是一种多用途电表，由一个高灵敏度的电流表（通常量程为 50µA 或 100µA），配以不同的电路组成，可以测量交流和直流的电流及电压，电 阻（有些还可测电感和电容）等。实验室常用的模拟式万用表有多种型号，图 1 和图 2 是 MF-30 型万用表的面板图和线路图，作不同用途时，只需通过多档转 换开关，就可以组成不同测量用途的仪表 图 1 万用表外形图 图 2 MF30 型袖珍万用电表电路图
实验原理二、1.直流电流档当选择开关拨到mA档时，万用表示一个多量程毫安表。它是利用不同的分流电阻与表头并联，达到扩大量程的目的。设电流表头原量程为Ig，内阻为Rg，扩程后的量程为I，则分流电阻由式（1）决定。Rs=leRa=-1(1)T-1g=N-Rg式中：Rs---不同量程时需并联的分流电阻；N-.-（N=）为电表扩程的倍率。Ig由式（1）可知，电表扩程倍率越大，分流电阻越小。图3是电流扩程的原理图（R,分别由Rs1，Rs2，Rs3.组成)。2.直流电压档档位选择开关拨至V档时，万用表就是一个多量程直流电压表，电流表配上附加电阻R。即可组成电压表，R。的数值由式（2）决定Ro = - Rg(2)1g式中：VM---需要改装成电压表的满量程值；Ig---电流表的满量程值（如50μA或100μA）。由式（2）可知，附加电阻R。的大小由扩程后电压的满度值决定。量程越大，Ro就越大，图4是直流电压档的电路原理图（Ro分别为Rf，Rf1，Rf2组成)
二、 实验原理 1．直流电流档 当选择开关拨到 mA 档时，万用表示一个多量程毫安表。它是利用不同 的分流电阻与表头并联，达到扩大量程的目的。设电流表头原量程为I𝑔𝑔，内阻为 R𝑔𝑔，扩程后的量程为I，则分流电阻由式（1）决定。 R𝑠𝑠 = I𝑔𝑔∗𝑅𝑅𝑔𝑔 𝐼𝐼−I𝑔𝑔 = 1 𝑁𝑁−1 R𝑔𝑔 （1） 式中： R𝑠𝑠-不同量程时需并联的分流电阻； N-（N = 𝐼𝐼 I𝑔𝑔 ）为电表扩程的倍率。 由式（1）可知，电表扩程倍率越大，分流电阻越小。图 3 是电流扩程的原 理图（R𝑠𝑠分别由R𝑠𝑠1，R𝑠𝑠2，R𝑠𝑠3 ⋯ ⋯组成）。 2．直流电压档 档位选择开关拨至V档时，万用表就是一个多量程直流电压表，电流表配 上附加电阻R0即可组成电压表，R0的数值由式（2）决定 R0 = V𝑀𝑀 I𝑔𝑔 − R𝑔𝑔 （2） 式中： V𝑀𝑀-需要改装成电压表的满量程值； I𝑔𝑔-电流表的满量程值（如 50µA 或 100µA）。 由式（2）可知，附加电阻R0的大小由扩程后电压的满度值决定。量程 越大，R0就越大，图 4 是直流电压档的电路原理图（R0分别为R𝑓𝑓，R𝑓𝑓1，R𝑓𝑓2 ⋯组 成）
OR52Rs1RsRf2Im3oVm3Vm2Im1Vm0+0图3图43.电阻（欧姆）档欧姆计的原理性电路图如图5，其中虚线框部分为欧姆计，E为电源（于电池），表头内组为Rg，满刻度电流为Ig，R为限流电阻，a和b为两接线柱（表笔插孔），R为待测电阻。由欧姆定律可知，电路中的电流I由式（3）决定：E(3)IxRg+R+Rx对于给定的欧姆计（Rg，R，E已给定），Ix仅由R，决定，即Ix与Rx之间有一一对应的关系，如图6。在表头刻度上，将I标示成Rx，即成欧姆计。ERdRx图5图 6由图6和式（3）可知，当R无穷大时，I=0，指针指在Ix=0处（对应于Rx=8o）；当R=0时，回路中电流最大，如式（4)。电路设计时，使表头为满度值（对应于Rx=0）。E(4)Ix = I = Imax =Rg+R由此可知：(1)当R=Rg+R时，Ix=Ig，指针正好位于满刻度的一半，即欧姆
图 3 图 4 3．电阻（欧姆）档 欧姆计的原理性电路图如图 5，其中虚线框部分为欧姆计，E为电源（干 电池），表头内组为R𝑔𝑔，满刻度电流为I𝑔𝑔，R为限流电阻，a 和 b 为两接线柱（表 笔插孔），R𝑥𝑥为待测电阻。由欧姆定律可知，电路中的电流I𝑥𝑥由式（3）决定： I𝑥𝑥 = 𝐸𝐸 R𝑔𝑔+𝑅𝑅+R𝑥𝑥 （3） 对于给定的欧姆计（R𝑔𝑔，R，E已给定），I𝑥𝑥仅由R𝑥𝑥决定，即I𝑥𝑥与R𝑥𝑥之间有一 一对应的关系，如图 6。在表头刻度上，将I𝑥𝑥标示成R𝑥𝑥，即成欧姆计。 图 5 图 6 由图 6 和式（3）可知，当R𝑥𝑥无穷大时，I𝑥𝑥 = 0，指针指在I𝑥𝑥 = 0处（对 应于R𝑥𝑥 = ∞）；当R𝑥𝑥 = 0时，回路中电流最大，如式（4）。电路设计时，使表头 为满度值（对应于R𝑥𝑥 = 0）。 I𝑥𝑥 = 𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐸𝐸 R𝑔𝑔+𝑅𝑅 （4） 由此可知： （1） 当R𝑥𝑥 = R𝑔𝑔 + 𝑅𝑅时，I𝑥𝑥 = 1 2 𝐼𝐼𝑔𝑔，指针正好位于满刻度的一半，即欧姆
计标尺的中心电阻值，它等于该欧姆计的总内阻。这就是欧姆中心的意义，可将式（3）改写成式（5）：(5)Ix =Ro+R(2)改变中心电阻R.的值，即可改变电阻档的量程。如R。=1002，测量范围为20至5002；R。=10002，测量范围为200至50002，如此类推。(3)由式4和图6可知，1g与R+Rx，是非线性关系。当Rx《R时，有~=lg，此时偏转接近满刻度，随Rx的变化不明显，因而测量误差大；Ra当Rx》R时，Ix~0，因而测量误差也大。所以，在实际测量时，只在R<Rx<5R的范围，测量才比较准确。(4)由于电源在使用过程中会变化，因此用R来经常调零（Rx=0，Ix=Imax)。4.交流电压档交流档的测量原理是把被测交流电压，经整流器作全波或半波整流后，转化成直流电压使电表读数正比于整流后直流电压的平均值，但在刻度上以正弦波有效值进行标示（所以，当被测电压为非正弦波时，万用表读数不准确）。IDCUDC图7（a）直流测量（b）交流测量整流形式特点全波桥式整流输出的直流平均值，应为输入交流峰值的0.6366倍，为有效值的0.9005倍，但因整流效率小于1，所以实际上输出的直流平均值，只有输入交流有效值的0.878倍（叫做整流总因数)
计标尺的中心电阻值，它等于该欧姆计的总内阻。这就是欧姆中心的意义，可将 式（3）改写成式（5）： I𝑥𝑥 = 𝐸𝐸 R𝛺𝛺+𝑅𝑅 （5） （2） 改变中心电阻R𝛺𝛺的值，即可改变电阻档的量程。如R𝛺𝛺 = 100𝛺𝛺，测 量范围为 20 至 500Ω；R𝛺𝛺 = 1000𝛺𝛺，测量范围为 200 至 5000Ω，如此类推。 （3） 由式 4 和图 6 可知，𝐼𝐼𝑔𝑔与R𝛺𝛺 + 𝑅𝑅𝑥𝑥，是非线性关系。当𝑅𝑅𝑥𝑥 ≪ R𝛺𝛺时， 有I𝑥𝑥 ≈ 𝐸𝐸 R𝛺𝛺 = 𝐼𝐼𝑔𝑔，此时偏转接近满刻度，随𝑅𝑅𝑥𝑥的变化不明显，因而测量误差大； 当𝑅𝑅𝑥𝑥 ≫ R𝛺𝛺 时，I𝑥𝑥 ≈ 0，因而测量误差也大。所以，在实际测量时，只在 1 5 R𝛺𝛺 < 𝑅𝑅𝑥𝑥 < 5R𝛺𝛺的范围，测量才比较准确。 （4） 由于电源在使用过程中会变化，因此用R来经常调零（R𝑥𝑥 = 0，I𝑥𝑥 = 𝐼𝐼𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚）。 4．交流电压档 交流档的测量原理是把被测交流电压，经整流器作全波或半波整流后， 转化成直流电压使电表读数正比于整流后直流电压的平均值，但在刻度上以正弦 波有效值进行标示（所以，当被测电压为非正弦波时，万用表读数不准确）。 图 7 （a）直流测量 （b）交流测量 整流形式 特点 全波桥式 整流输出的直流平均值，应为输入 交流峰值的 0.6366 倍，为有效值的 0.9005 倍，但因整流效率小于 1，所以 实际上输出的直流平均值，只有输入交 流有效值的 0.878 倍（叫做整流总因 数）
图 (a)全波中心抽头式同上，R1,R2可兼作交流定度分流器图(b)半波并串式样整流输出的平均值与全波整流相比均降低了一半，整流总因数为0.439。R~图(c)表 1常见的整流形式由三种，如表1。从表中可知，由于整流损失和平均值的差率，欲共用直流电压档的电路时，则必须另配一个交流分流器来提升电路的灵敏度以作补偿。如图7，交流档的扩程电阻R，由式（1）改变为式（6）和式（7）决定。在全波整流时：Ig(式6)Rs = 0.8781Ac-lgR在半波整流时：Ig(式7)Rs =R90.4391AC-lg其中IAc为整流测量电路中的满刻度电流
图（a） 全波中心抽头式 图（b） 同上，R1,R2 可兼作交流定度分流 器 半波并串式样 图（c） 整流输出的平均值与全波整流相 比均降低了一半，整流总因数为 0.439。 表 1 常见的整流形式由三种，如表 1。从表中可知，由于整流损失和平均值 的差率，欲共用直流电压档的电路时，则必须另配一个交流分流器来提升电路的 灵敏度以作补偿。如图 7，交流档的扩程电阻R𝑠𝑠，由式（1）改变为式（6）和式 （7）决定。 在全波整流时： R𝑠𝑠 = 𝐼𝐼𝑔𝑔 0.878𝐼𝐼𝐴𝐴𝐴𝐴−𝐼𝐼𝑔𝑔 𝑅𝑅𝑔𝑔 （式 6） 在半波整流时： R𝑠𝑠 = 𝐼𝐼𝑔𝑔 0.439𝐼𝐼𝐴𝐴𝐴𝐴−𝐼𝐼𝑔𝑔 𝑅𝑅𝑔𝑔 （式 7） 其中𝐼𝐼𝐴𝐴𝐴𝐴为整流测量电路中的满刻度电流
三、实验内容从微安表表盘读取表头满量程电流I。和对应的表头内阻，实验中要求使用微安表500uA档位进行实验设计。1.电压表改装实验将微安表改装为量程等于5V的电压表，设计实验电路，计算出所需分压电阻值。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的电压表测量出待测信号箱的未知电压值。2.电流表改装实验将微安表改装为量程等于10mA的电流表，设计实验电路，计算出所需分流电阻值。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的电流表测量出待测信号箱的未知电流值。3.欧姆表改装实验将微安表改装为量程比率为×1的欧姆表，设计实验电路。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的欧姆表测量出待测信号箱的未知欧姆值。4.万用表改装实验利用提供的实验仪器，将微安表改装为万用表，并要求万用表的电压档量程为5V，电流档量程为10mA，欧姆档比率为×1。充分利用多档开关和单刀开关，将所有仪器封装为一个整体（只用表笔作为测量输入），设计实验电路。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的万用表分别测量出待测信号箱的未知电压、电流以及电阻值。四、实验仪器设计万用表实验装置包括：1.5V电池、微安表、六档位多档开关、四个99999.9型电阻箱、表笔、待测信号箱、单刀开关。1.5V电池：实际照片和程序中的显示：实际仪器实验中仪器操作提示：实验中只可进行连线操作，突出的金属端为正极，绿色的金属片一端为负极。微安表：
三、 实验内容 从微安表表盘读取表头满量程电流𝐼𝐼𝑔𝑔和对应的表头内阻，实验中要求使用微 安表 500µA 档位进行实验设计。 1.电压表改装实验 将微安表改装为量程等于 5V 的电压表，设计实验电路，计算出所需分压电 阻值。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的电压表 测量出待测信号箱的未知电压值。 2.电流表改装实验 将微安表改装为量程等于 10mA 的电流表，设计实验电路，计算出所需分流 电阻值。利用设计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的电流 表测量出待测信号箱的未知电流值。 3.欧姆表改装实验 将微安表改装为量程比率为× 1的欧姆表，设计实验电路。利用设计的电路 进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的欧姆表测量出待测信号箱的未 知欧姆值。 4.万用表改装实验 利用提供的实验仪器，将微安表改装为万用表，并要求万用表的电压档量程 为 5V，电流档量程为 10mA，欧姆档比率为× 1。充分利用多档开关和单刀开关， 将所有仪器封装为一个整体（只用表笔作为测量输入），设计实验电路。利用设 计的电路进行实验连线，完成仪器的调节，并根据改装好的万用表分别测量出待 测信号箱的未知电压、电流以及电阻值。 四、 实验仪器 设计万用表实验装置包括：1.5V 电池、微安表、六档位多档开关、四个 99999.9 型电阻箱、表笔、待测信号箱、单刀开关。 1.5V 电池： 实际照片和程序中的显示： 实际仪器 实验中仪器 操作提示： 实验中只可进行连线操作，突出的金属端为正极，绿色的金属片一端为负极。 微安表：
直流微安表，分为四个量程：100μA、200μA、500μA、1000μA，此实验只要求使用500uA档位；使用过程中注意保护流过微安表的电流不要超过量程。如果超量程烧毁后，请先将仪器从桌面上移除，并从实验仪器栏中重新加载更换好的仪器。在本实验中，仪器的表盘已经被改装，刻度盘上半部分的刻度线表示微安表自身的电流读数，刻度盘下半部分刻度线表示待改装的欧姆表刻度读数。p5030201540uA200uA~1.1kg100uA~1.2k010000A~300使用方法：仪器调零：鼠标左击或右击调零旋钮时，微安表指针发生相应的偏转：在无输入信号的条件下，当表盘指针指向被调节到指向零刻度线位置时，仪器完成调零。六档位多档开关：共有6个档位。当档位旋钮置于某一个档位时，该档位两端的接线柱被连接导通，此时开关的其他档位内部均处于断开状态
直流微安表，分为四个量程：100μA、200μA、500μA、1000μA，此实 验只要求使用 500μA 档位；使用过程中注意保护流过微安表的电流不要超过量 程。如果超量程烧毁后，请先将仪器从桌面上移除，并从实验仪器栏中重新加载 更换好的仪器。在本实验中，仪器的表盘已经被改装，刻度盘上半部分的刻度线 表示微安表自身的电流读数，刻度盘下半部分刻度线表示待改装的欧姆表刻度读 数。 使用方法： 仪器调零：鼠标左击或右击调零旋钮时，微安表指针发生相应的偏转；在无 输入信号的条件下，当表盘指针指向被调节到指向零刻度线位置时，仪器完成调 零。 六档位多档开关： 共有 6 个档位。当档位旋钮置于某一个档位时，该档位两端的接线柱被连接 导通，此时开关的其他档位内部均处于断开状态
使用方法：档位旋钮：鼠标左击档位旋钮，旋钮顺时针切换档位：鼠标右击档位旋钮旋钮逆时针切换档位。99999.9型电阻箱：为电路提供一定大小的电阻，同时有分压的功能，电阻箱上有六个不同档位的旋钮，依次对应0.19档、1Q档、10Q档、1000档、10009档、10000Q档。每个旋钮有0一9，共10个刻度值。电阻箱
使用方法： 档位旋钮：鼠标左击档位旋钮，旋钮顺时针切换档位；鼠标右击档位旋钮， 旋钮逆时针切换档位。 99999.9 型电阻箱： 为电路提供一定大小的电阻，同时有分压的功能，电阻箱上有六个不同档位 的旋钮，依次对应 0.1Ω档、1Ω档、10Ω档、100Ω档、1000Ω档、10000Ω档。 每个旋钮有 0—9，共 10 个刻度值
电阻箱视图使用方法：左击电阻箱上的旋钮，旋钮顺时针旋转；右击，旋钮逆时针旋转。表笔：使用方法：左侧两个接线柱与改装后的万用表电路相连：当测量不同的待测信号时，右侧两个接线柱与待测信号箱上对应的未知信号接线柱相连。待测信号箱：实验中待测量的信号装置，输出信号均是未知信号，需要使用改装后的万用表进行测量。1O待测信号箱使用方法：当使用“V"字上面对应的两个接线柱时，输出的是待测电压值：当使用“"字上面对应的两个接线柱时，输出的是待测电流值；当使用“Q"字上面对应的两个接线柱时，接入电路的是待测电阻；单刀开关：单刀开关，控制电路的闭合
电阻箱视图 使用方法：左击电阻箱上的旋钮，旋钮顺时针旋转；右击，旋钮逆时针旋转。 表笔： 使用方法：左侧两个接线柱与改装后的万用表电路相连；当测量不同的待测 信号时，右侧两个接线柱与待测信号箱上对应的未知信号接线柱相连。 待测信号箱： 实验中待测量的信号装置，输出信号均是未知信号，需要使用改装后的万用 表进行测量。 使用方法： 当使用“V”字上面对应的两个接线柱时，输出的是待测电压值； 当使用“I”字上面对应的两个接线柱时，输出的是待测电流值；当使用“Ω”字上面 对应的两个接线柱时，接入电路的是待测电阻； 单刀开关： 单刀开关，控制电路的闭合
开关X请选择开关状态断开闭合单刀开关视图使用方法：界面中有两个开关状态按钮，一个是闭合，一个是断开。点击闭合，开关闭合，显示闭合图片；点击断开，开关断开，显示断开图片。五、实验指导实验重点1.掌握将微安表头改装成较大量程的电流表和电压表的原理与方法。2.理解欧姆表测量电阻的原理，掌握用微安表头组装欧姆表的原理与方法。3.学会用比较法校准电表。实验难点1.欧姆表的刻度尺为反向刻度，且刻度是不均匀的，电阻值越大，刻度间隔越密，能够正确解释此现象。2.正确掌握欧姆表调零和量程变换方法。3.正确使用万用表。辅助功能介绍：界面的右上角的功能显示框：当在普通做实验状态下，显示实验实际用时、记录数据按钮、结束实验按钮、注意事项按钮：在考试状态下，显示考试所剩时间的倒计时、记录数据按钮、结束考试按钮、显示试卷按钮（考试状态下显示）、注意事项按钮。右上角工具箱：各种使用工具，如计算器等。右上角help和关闭按钮：help可以打开帮助文件，关闭按钮功能就是关闭实验。实验仪器栏存放实验所需的仪器，可以点击其中的仪器拖放至桌面，鼠标触及到仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不允许拖动仪器栏中的仪器了
单刀开关视图 使用方法：界面中有两个开关状态按钮，一个是闭合，一个是断开。点 击闭合，开关闭合，显示闭合图片；点击断开，开关断开，显示断开图片。 五、 实验指导 实验重点 1.掌握将微安表头改装成较大量程的电流表和电压表的原理与方法。 2.理解欧姆表测量电阻的原理，掌握用微安表头组装欧姆表的原理与方法。 3.学会用比较法校准电表。 实验难点 1.欧姆表的刻度尺为反向刻度，且刻度是不均匀的，电阻值越大，刻度间隔 越密，能够正确解释此现象。 2.正确掌握欧姆表调零和量程变换方法。 3.正确使用万用表。 辅助功能介绍: 界面的右上角的功能显示框:当在普通做实验状态下，显示实验实际用时、 记录数据按钮、结束实验按钮、注意事项按钮；在考试状态下，显示考试所剩时 间的倒计时、记录数据按钮、结束考试按钮、显示试卷按钮（考试状态下显示）、 注意事项按钮。 右上角工具箱:各种使用工具，如计算器等。 右上角 help 和关闭按钮： help 可以打开帮助文件，关闭按钮功能就是关闭 实验。 实验仪器栏:存放实验所需的仪器，可以点击其中的仪器拖放至桌面，鼠标 触及到仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不允许拖动 仪器栏中的仪器了