实验七 万用电表的使用

１《大学物理实验指导（电磁学部分）》实验七 万用电表的使用[目的]1.了解万用电表的基本原理及设计方法；2.学会万用电表的使用。

[仪器和用具]1.万用电表(MF-50型)；2.直流稳定电源(MCH-305D-Ⅱ型0-30V 、0-5A)；3.单相自耦调压器(500V A 0－250V)；4.实验电阻板（3.0K Ω、15K Ω、47K Ω、56Ω、0.62K Ω、1.5K Ω 0.25 W 各1个）；5.电学暗盒（内装有47μF 电解电容1个、0.22μF 普通电容器1个、；6.3V 稳压二极管1个、1N4007硅二极管1个、47K Ω电阻器1个）6.单刀开关；[原理]一、万用电表的基本结构万用电表是实验室常用的一种仪表，可用来测量交直流电压、电流以及电阻等，还可用于检查元器件以及电路，排除电路故障。

万用电表主要由灵敏度较高的磁电系微安表（简称表头）和由转换开关控制的测量电路及保护电路组成。

它实际上是根据电表改装的原理，将一个表头分别通过转换开关连接各种测量电路而改成多量程的电流表、电压表及欧姆表的。

是既能测量直流电流、电压也能测量交流电压的复合表。

各个测量档共用一个表头,表头面盘上有相应于测量各种量的几条标度尺,标度尺按表的功能有各种不同的刻度,以指示相应值。

对于某一测量的内容,一般分成几个大小不同的几档(例如MF50型万用表,其电阻档有×1、×10、×100、×1K 、×10K 五档，电流有100µΑ、2.5m Α、25m Α、250m Α、2.5Α五档，直流电压有五档，交流电压亦有四档)。

除了电阻档标注的是倍率外，各档标注的均为该挡的量程值。

使用标度尺读数时，应注意不同的测量量不同的量程适用于不同的标尺。

例如：MF50型万用表，电阻档应使用由上往下数的第一条标尺，交流10V 档应使用第三条标尺，其余的电流、电压量程均看第二条标尺。

二、万用电表的主要测量电路 1. 直流电流、电压档万用表直流电流档一般采用如图2－1的闭路抽头式电路。

为了计算方便，通常在表头支路串入一个可调电阻R 0并取R A +R 0=R m 为整数值。

则，被改装表的内阻应为R m 。

由实验一可知，各电流档的总分流电阻R Si 及各抽头电阻R i 按下列公式计算：式中，R S 为与表头支路并联的总电阻值。

直流电流设计方法根据表头的外临界电阻值R 外临，按环形回路总电阻值略大于表头的外临界电阻值R 外临的原则确定表头支路并联的总电阻值R S 。

即取Rn R R R S +++= 21略大于R 外临。

（关于电流表的外临界电阻值R 外临值详()12-()()0000R R R I R R I U A S m S ++=+=()1--=i S i S i R R R ii S IU R 0=２见杨述编《普通物理实验（电磁学部分）》“灵敏电流计特性的研究”实验.）按式（2－1）先求出回路电压U 0然后逐档计算抽头电阻i R 。

并按下式求出改装以后的最小满程电流值I m i n 。

00I I I R R Smn mi +=(2-2) 万用表直流电压档一般采用如图2－2的共用分压电阻式电路形式。

（即前档的分压电阻与后档共用的形式。

）但是，其时改装电路是用扩程后的电流表作为被改装的表头（我们称其为电压档的等效表头），然后串联分压电阻构成。

设，电压档等效表头的满程电流值为I V0,其内阻为R V0。

则 各分压电阻R i 的数值为0011V V F R I U R -=()()()1)1(01---ℜ=-=i i i i V i F U U U U I R （2－3） 直流电压档设计方法设直流电压档的每伏欧姆数为ℜ。

则先按ni m I 1≤ℜ的原则确定出直流电压档的每伏欧姆数ℜ（ℜ应取整数值），再根据ℜ=10V I 求出电压档所需的满程电流值I V0，然后在电流档中设计出一量程为I V0的电流档，作为电压表的等效表头，按Sm Sm V R R R R R +=0求出该等效表头的内阻R V0。

再按式（2－3）计算出各电压档的分压电阻i F R 。

2. 交流电压档如图2－3所示，交流电压档基本原理是先将交流电压经分压电阻R N 分压，再经二极管整流器整流后输入等效表头测量。

图中D 1为整流管，D 2是为保护D 1而设计的。

当输入整流管的交流电为正半周时，二极管D 1被加上正向电压而导通，输入的电流通过D 1流经表头测量，表头指示出交流电压的有效值。

而当输入整流管的交流电为负半周时，D 1的正极性端为低电位，负极性端为高电位，D 1被加上反向电压而处于截止状态，测量电路中无电流。

其时，从万用表ab 输入端输入的被测电压将全部降落在D 1的两端，若被测电压幅值较大，将可能击穿整流管D 1，导致表头损坏。

串入二极管D 2后，当输入整流管D 1的交流电为负半周而使D 1截止时，D 2的负极性端为低电位，而其正极性端为高电位，D 2被加上正向电压而导通，输入的被测电压通过D 2降落在分压电阻i N R 上，使D 1两端的压降极小，从而保护了D 1管不被击穿。

图2－3中表头两端并联的两个二极管D 3、D 4是为了保护表头而３设计的。

当万用表使用不慎而选错档位使得表头过载时，二极管D 3或D 4将得到足够的正向压降而导通。

D 3或D 4导通后，大部分的电流将流经导通的二极管而分流掉，从而保证了表头不过载，确保其安全。

而当万用表正确使用时，表头两端的最大压降I 0R A 小于二极管的导通电压值，二极管D 3或D 4处于截止状态，其电阻数值相对于表头内阻为无穷大，故流进表头支路的电流全部流经表头测量，不影响测量结果。

设计方法设，交流电压档的每伏欧姆数为～ℜ。

则可先根据～ℜ＜ℜ的原则，确定一个合适的交流电压档的每伏欧姆数值，按～～ℜ=10V I 求出交流电压档所需的工作电流值～0V I ，再按I V0～0V I ⋅=-η算出～0V I 经整流后的直流电流量-Vo I （采用二极管半波整流时，取441.0=η；全波整流时，取882.0=η），然后又在直流电流档中设计一量程为-Vo I 的直流电流档，作为交流电压档的等效表头，计算交流电压档等效表头的内阻～VO R 值。

例如对图2－3，有()()()()DSm m Dm m V R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R ++++++++=++++++++++++++5143215352514321535251432153520＝～ (2-4)式中，R D 为整流二极管D 1的正向导通电阻值。

求出～VO R 后，按下式计算各交流电压档的分压电阻值i N R～～～0V 0V 11N R I U R -=()()()～～～～～～1i i )1i (i 0V i N U U U U I 1R ---ℜ=-=若上述计算得到的-0V I 大于电流档中的最小电流值min I ,说明～ℜ取得偏大,应减少～ℜ值,重求-0V I 直到n i m 0V I I ≤-为止。

3. 直流电阻档① 欧姆表测量原理欧姆表测量的原理如图2－4所示。

表头、干电池E 、可变电阻R 0以及待测电阻R x 串联构成闭合回路，电路中的电流Ix 流过表头即可使指针，其值为式中R x 为待测电阻；E 为干电池电动势，其内阻为r E ；R D 为可调电阻；R 内＝R A +r E +R D 为欧姆表内阻。

从上式可以看出，当电池电动势及其内阻一定的条件下，指针偏转和回路的总电阻()x R R ＋内成反比，当被测电阻R x 改变时，电流就相应变化，表头的指针位置也有相应的变化。

可见，表头的指针位置与被测电阻R x 的大小是一一对应的，如果表头标尺按与电流对应的电阻数值进行刻度，这样就可以直接用来测量电阻了。

)52(-()62-x E x D A x R R Er R R R E I +=+++=内４由（2－6）式可知，当R x ＝0时，调节R D 使表头的指针指在满刻度值I 0处，此时 0x I R EI ＝内，可见欧姆表的电阻零值点在电流表的满刻度值处。

当R x ＝∞时，I x ＝0这时表头的指针指在电流表的零值刻度处。

可见欧姆表的标尺刻度与电流表、电压表的标尺刻度反向且刻度非常不均匀，在I x 接近零时，R x 的变化对I x 的影响小，标尺上刻度线较密集，分度值较大，而在I x 接近I 0时则反之。

当R X ＝R 内 时，I X ＝I 0/2，这时表头的指针恰好指在标度尺的中心，因而将此时对应的电阻值称为中心阻值（或称为欧姆中心，用R 中 表示），即R 中 等于欧姆表的内阻。

显然，中心阻值R 中 越小，欧姆表标度尺右半的分度值就越小，由于一般使用欧姆表测量电阻时主要用标度尺的中心附近区域，因而中心阻值R K 就类似于电流表的量程。

②“零欧姆”校准电路由于电池电动势E 会逐渐下降，使得当R x ＝0时I x ≠I 0，表头的指针不指在零欧姆刻度处，这种现象称为“零点漂移”，它给测量造成了较大的误差，必须设计调整电路来解决零点漂移问题，这种电路称为“零欧姆”调节电路。

图2－5即为一种常见的万用表电阻档“零欧姆”调节电路,其等效电路如图2－5‵所示。

图中，R D 设计为定值电阻，R J 为调零电位器，其滑动端将R J 分成两部分，一部分与表头串联成为表头内阻，另一部分归入R S ‵，当E 值变化时，调节R J 滑动端使得R x ＝0时表头的指针仍指在满刻度值I 0处，即可消除零点漂移。

显然，当E 值高于其标称值1.5V 时，R J 滑动端应向左移动，以减小电阻档等效表头的总分流电阻R S ‵的数值，使得流过R S ‵的电流增大，保证通过表头的电流等于I 0值；而当E 值低于其标称值时，R J 滑动端应向右移动，以增大电阻档等效表头的总分流电阻R S ‵的数值，保证通过表头的电流等于I 0值。

注意：由于调节R J 滑动端时 ，电阻档等效表头的内阻R A Ω将发生改变，中心阻值R 中 随之改变，使测量产生误差，因此，R D 应尽量取得大些，以使得R A Ω的变化量相对于中心阻值R 中 可以忽略。

对于多量程欧姆表，可在R ×1K 档中并联不同的分流电阻R Di 而构成。

其电路如图2－6所示。

将上述的直流电流、电压、交流电压、直流电阻测量电路组合起来，就构成了图2－7的万用电表的基本原理图。

从原理图可知，电阻档用的干电池的负极与万用表的“＋”表笔插孔相连。

所以，对于电流、电压档b 端为正极性端，而对于电阻档，b端为负极性端，三、使用万用表应注意的几个问题1. 使用前先调好表头指针的机械零点，确定好档位。