萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)原理F 陳子成 萬(wàn)用表是一種多量程和測(cè)量多種電量的便攜式電子測(cè)量?jī)x器。一般的萬(wàn)用表可以測(cè)量電阻、測(cè)量交流直流電壓、測(cè)量交流直流電流。萬(wàn)用表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶，使用方便、用途多樣、量程范圍廣，因此它是維修儀表和調(diào)試電路的重要工具，是一種常用的測(cè)量?jī)x器。下面先對(duì)萬(wàn)用表的工作原理進(jìn)行一些介紹。萬(wàn)用表通常由表頭（指示部分）、測(cè)量電路、轉(zhuǎn)換裝置三部分組成。表頭一般都采用靈敏度高、準(zhǔn)確性好的磁電式直流微安表，其重要的參數(shù)包括表頭內(nèi)阻、靈敏度和直線性。測(cè)量電路使測(cè)量?jī)x器具有不同的多量程功能。轉(zhuǎn)換裝置主要由轉(zhuǎn)換開關(guān)、接線柱、旋鈕、插孔等組成，用來(lái)接通相應(yīng)的測(cè)量電路。一、直

2、流電流測(cè)量電路直流電流測(cè)量電路實(shí)際上是一個(gè)多量程的直流電流表。由于表頭通常是由磁電式直流微安表構(gòu)成，其滿偏電流很小，所以采用分流電阻來(lái)擴(kuò)大量程。一種電路圖如下：測(cè)量原理：如圖27-2所示，并聯(lián)支路的電壓相等，即解此聯(lián)立方程得 (27-1)（27-1）式便是毫安計(jì)的測(cè)量原理公式。它表明：在如圖27-1所示的毫安計(jì)中，如果R按設(shè)計(jì)值取值，則用微安表測(cè)出Ig后便可由該式測(cè)定Ix。量程設(shè)計(jì)公式：如要把圖27-2的毫安計(jì)設(shè)計(jì)成10mA的量程，這就要選定R的值，使得流過(guò)毫安計(jì)的電流Ix為10mA，此時(shí)流過(guò)（uA）的電流恰好為（uA）的量程值（100uA），這個(gè)選定（計(jì)算）R公式稱為量程設(shè)計(jì)公式，此時(shí)應(yīng)是I

3、x等于毫安計(jì)的量程Ixm時(shí)的（27-1）式，推導(dǎo)如下：當(dāng)Ix=Ixm時(shí)，（27-1）式變?yōu)?即 比值是量程擴(kuò)大倍數(shù)，以n表示，則由上式解得 . (27-2)此式便是量程設(shè)計(jì)公式。它表明，要把微安表的量程擴(kuò)大n倍，其分路電阻R應(yīng)按該式的計(jì)算值取值。二、直流電壓測(cè)量電路直流電壓測(cè)量電路是一個(gè)多量程的直流電壓表，它是由轉(zhuǎn)換開關(guān)換接電路中與表頭串聯(lián)的不同的附加電阻，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓量程的轉(zhuǎn)換，其電路圖如下：測(cè)量原理：從圖5-5-3得車直流伏特計(jì)的測(cè)量原理公式. （27-3）量程公式：由（27-3）式可推導(dǎo)出設(shè)計(jì)公式為 （27-4）此式表明：在給出了伏特計(jì)的量程Uxm后，可用此式算出實(shí)現(xiàn)該量程所需的Ru值

4、。由圖27-3可看出： （27-5）式中： 為電壓擴(kuò)大倍數(shù)。三、直流電阻測(cè)量電路為了測(cè)量電阻，直流測(cè)量電阻電路內(nèi)裝有附屬電源，一般由干電池提供，其電路如下所示：當(dāng)待測(cè)電阻Rx接入測(cè)試端a和b時(shí)，流過(guò)電流表的電流為式中：E為干電池電動(dòng)勢(shì)；Rg為電流表內(nèi)阻；R為限流電阻。 E、Rg、R給定后，Ix僅由Rx決定。當(dāng)Rx=0時(shí)，選擇R數(shù)值使電流表滿偏，即 （277）當(dāng)Rx=Rg+R，Ix=.時(shí)，電流表指針指向刻度線的中點(diǎn)，習(xí)慣上用R中表示Rg+R，即R中=Rg+R，稱之為歐姆表中值電阻式，于是，（27-7）式可以寫為 （278）由公式（27-6）可以看出Ix和Rx不成線性比例關(guān)系，所以歐姆表的刻度是不

5、均勻的。在使用歐姆表時(shí)一般用其中間一段刻度（比例R中5R中這段范圍）以減小測(cè)量誤差。公式（27-8）是設(shè)計(jì)歐姆表的基本公式，E一般選用1.5v干電池，根據(jù)對(duì)R中的要求，由公式（27-8）可求出Ix，由此可選擇合適的電流表做表頭，以及限流電阻R數(shù)值。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)R中=1500的歐姆表，則Ig=1.5v/1500=1mA，因此可選用量程為1mA的電流表做為歐姆表的表頭。若此表頭內(nèi)阻Rg=270，則 以上設(shè)計(jì)的歐姆表要求電源E保持1.5v不變。但實(shí)際上干電池電動(dòng)勢(shì)并非恒定，這將給測(cè)量帶來(lái)很大誤差，因此需要有“零歐姆調(diào)整器”，即將測(cè)試端a和b短路，通過(guò)調(diào)節(jié)器使電流表指滿刻度。實(shí)際歐姆表通常如圖27-

6、5所示，R1和R2是電流表的分流電阻，改變電阻R2（以電位器代之）可用做零歐姆調(diào)整器。設(shè)計(jì)歐姆表時(shí)，若Rx=0，可讓回路總電流I略大于電流表滿度時(shí)Ig（1mA）。比如選R中=1200，則I=，選擇合適的R1和R2，使得E=1.5V時(shí)R1和R2支路的分流I2=0.25mA，因此流過(guò)電流表的電流I1=1mA。當(dāng)E下降，低于設(shè)計(jì)值時(shí)，增大R2使I2減小，以保持I1仍為1mA。同理，若更換新電池，E高于實(shí)際值，則可減小R2，使I2增大，仍可保持I1為1mA。這就是R2可用做零歐姆調(diào)整器的原理。四、改進(jìn)，提高萬(wàn)用表的測(cè)量精度指針式萬(wàn)用表的缺點(diǎn)是不能測(cè)量微小電壓和微小電流，同時(shí)，表頭內(nèi)阻不是0或者無(wú)窮而容

7、易引起測(cè)量電流或者電壓時(shí)的誤差，因此，可以通過(guò)采用含有運(yùn)算放大器的電路，改變?yōu)闇y(cè)量指示表頭的特性，提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)高精度的直流電流測(cè)量和直流電壓測(cè)量電路。具有高精度測(cè)量表頭由含有運(yùn)算放大器的電路構(gòu)成，測(cè)量直流電流的電路如下所示：通過(guò)不同的電阻、和可以改變直流電流測(cè)量量程。當(dāng)用于測(cè)量電流時(shí)，利用理想放大器的“虛短”和“虛斷”性質(zhì)，容易得到：可見測(cè)量的直流電流值僅與電阻R1和R4有關(guān)，而與微安表的表頭內(nèi)阻R5無(wú)關(guān)，提高了測(cè)量精度。當(dāng)電阻R4選用大電阻時(shí)，能測(cè)量較大的電流，并且由于運(yùn)算放大器的應(yīng)用，使電路的輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。測(cè)量直流電壓的電路示意圖如下圖所示：通過(guò)不同的電阻R1、R2和R3可以改變直流電壓測(cè)量量程。當(dāng)用于測(cè)量電壓時(shí)，利用理想運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”性質(zhì)，容易得到Ux=可見測(cè)量的直流電壓值僅與電阻R4有關(guān)，而與微安表的表頭內(nèi)阻R5無(wú)關(guān)，提高了測(cè)量精度。當(dāng)電阻R4選用較小電阻時(shí)，能測(cè)量較小電壓；而且由于運(yùn)算放大器的應(yīng)用，使電路的輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響減小。測(cè)量電阻的電路示意圖如下所示：其中A、B兩端接在待測(cè)電阻Rx兩端。當(dāng)用于測(cè)量電阻時(shí)，利用理想運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”性質(zhì)，設(shè)理想運(yùn)算放大器的正、負(fù)輸入端的電壓分別為U+和U-，易得： U+=U-=RxE/(Rx+