第四讲之一 三用表原理与设计

图 7
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2. 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 = 22Ω RX×10 的电阻中心值RZ2 = 220Ω RX×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 = 545μ A （c点） I标 = 1.5V / 2200Ω = 682μ A
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（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。
U1 U 0 R1 I
U 2 U1 R2 I
U3 U2 R3 I
方法B：可以由（4）直接计算分压电阻，如： R1 U 1 RD1 Rg
IK
方法C：可以由已知的交流档输入阻抗直接计算分压电阻。
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
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
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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。
图1－18 欧姆表刻度标尺
若：Rx ＝ r 则 Im＝ E/2r ＝1/2 I0
即仪表电路的总电流等于满偏电流I。的一半。
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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
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（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
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Hale Waihona Puke （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 ＝ Im b.当Rx＝∞(S置于位置2) IX ＝ 0 电阻测量原理图 c.当Rx IX ＝ E / (RX＋r)
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5
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由上图5 可见：
I = 2.3I0 I0 = I /2.3=0.435I 15
图6
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2．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= Ig Rg / (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+UD1 UD1为二极管上D1 的降，硅管约为0.65V。
则有 R18=（RZ3×RZ3） /（RZ3— RZ3）
= （RZ3×RZ3） / 0 = ∞
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（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。
（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。
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2.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
1.9 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。
DC.A ：
DC.V ：
2. 5 级
2. 5 级
AC.V ：
Ω ：
5. 0 级
2. 5 级
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指针式三用表设计：
一、直流电流表分流电阻的计算：
Rg
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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 = Ig Rg ，扩大电压量程的分压 U 电阻R= Rg
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图
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现给定设计参数（P204）： DC．A DC．V AC．V 1mA 10mA 5A 2.5V 10V 250V
1/电流灵敏度
DC． V 的输入阻抗为 10V
50V 250V 1000V
AC． V 的输入阻抗为； 4KΩ / v
Ω
×1
×10 ×100 ×1 K（扩展档）
电阻中心值：22
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正确度指标：
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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 / Imax C．RW = （ Rb+RW）— Rb
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3. 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 ½ RW ，接入Rd后 ，该档的总内阻同样要等于电阻中心值RZ3，因此有：
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4.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,
(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！ 18
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。
Ig
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2．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， U1 先计算R1 ： R1= Ig Rg 再用一段电路的欧姆定律分别计算R2和R3即可。
方法B：用电压灵敏度的方法来计算分压电阻，如已知 Ig=200µ A，则电压灵敏度为: 1/Ig = 5KΩ/V 13
三、交流电压的测量及元件计算： 1．半波整流的AC/DC转换器
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。
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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。