1、北 京 交 通 大 學(xué)大學(xué)物理實驗設(shè)計性實驗實驗題目 萬用表的設(shè)計與組裝 學(xué)院 班級 學(xué)號 姓名 首次實驗時間 2012年 11 月 6 日指導(dǎo)教師簽字 萬用表的設(shè)計與組裝引言一實驗任務(wù)：分析研究萬用表電路，設(shè)計并組裝一個萬用表。二實驗要求：1 分析常用萬用表電路，說明個擋的夠功能和設(shè)計原理；2 設(shè)計組裝并校驗具有下列四檔功能的萬用表。 （1）直流電流擋：量程1.00mA；（2）以自制的1.00mA電流表為基礎(chǔ)的直流電壓檔：量程2.50V。（3）以自制的1.00mA電流表為基礎(chǔ)的交流電壓檔：量程10.00V。(4）以自制的1.00mA電流表為基礎(chǔ)的電阻檔（100）電源使用1.5V電池。3給出將

2、100電阻檔改造為10電阻檔的電路。三主要儀器：表頭，導(dǎo)線若干，電阻箱若干，萬用表。四常用萬用表電路的分析：1、圖1是簡易萬用表及歐姆表的實驗電路。電流，電阻，電壓等被測信號經(jīng)過輸入電路和變換電路后，變成微安級電流，再流經(jīng)表頭，使指針偏轉(zhuǎn)，通過歐姆定律等電學(xué)公式的計算轉(zhuǎn)換，從而指示出被測量值圖12、直流電流擋原理如圖1-1，在微安電流表頭上并聯(lián)一個適當(dāng)?shù)姆至?電阻R，從而達到擴充量程的目的。由公式I=Ig+IR=Ig+RgRIg=R+RgRIg可知，電流表的量程為原量程的 R+RgR 倍。圖1-1直流電壓擋原理如圖1-2，在表頭串聯(lián)一個適當(dāng)大的分壓電阻，使經(jīng)過表頭的電壓降低，擴充了它的量程。由

3、公式U=Ug+UR=IgR+Rg=Ug1+RRg可知，串聯(lián)一大小為R的電阻，電表的量程變?yōu)樵瓉淼?+RRg倍。圖1-23、交流電壓擋原理如圖1-3，由于表頭只能流過直流電，因此測量交流時還需要一個整流電路。萬用表中一般采用通過串并聯(lián)的兩個二極管半波整流的形式將交流變?yōu)橹绷?。?dāng)被測交流電處于正半周時，電流經(jīng)分壓電阻及整流二極管V2流經(jīng)等效表頭，表針偏轉(zhuǎn)；而在被測交流電的負半周。電流直接從二極管V1流過分壓電阻。而不經(jīng)過表頭。U=120Umsintdt0.45U有效當(dāng)外電路交流電壓有效值為10V時，內(nèi)電路直流電壓為4.5V?？紤]到二極管自身的電勢降0.6/2=0.3V，加在表頭上的電壓為4.2V。

4、圖1-34、電阻擋原理如圖1-4，當(dāng)兩表筆短接時，調(diào)節(jié)R2的值，使電流表滿偏，有歐姆定律得：IR3+R電=E外接電阻時，有歐姆定律得：I1R3+R電+Rx=ERx=EI1-EI由公式易知電阻與電流非線性變化，所以表盤刻度不均勻，當(dāng)Rx=R3+R電時，電流表半偏，稱其為中值電阻。圖1-4實驗方案： 用給定的表頭通過與相應(yīng)的電阻進行串并聯(lián)可以組裝成有直流電壓、電流檔的萬用表。通過整流濾波電路可以組裝成有交流電壓檔的萬用表。該表頭的內(nèi)阻為Rg，滿偏電流為Ig。一：直流電流檔表頭滿偏電流較小，不能直接測量較大電流。因此需要小電阻分流。分流電路如圖（a）。設(shè)直流電流檔的量程為I。并聯(lián)電阻為Rx。由歐姆定

5、律的IgRg=I1Rg+1Rx.(1)GRx (a)由公式（1）可以求得Rx的理論值是Rx=IgRgI-Ig二：直流電壓檔由于表頭內(nèi)阻較小，滿偏電流也很小。因此滿篇電壓也很小則需串聯(lián)一個較大的電阻分壓。設(shè)直流電壓檔的量程為串聯(lián)電阻為Ry由歐姆定律得U=IRy+Ug.(2)其電路圖如圖（b）RyGGRx (b)則由式（2）可求得分壓電阻的理論值是Ry=U-IgRgI三：交流電壓檔 必須先把交流電壓轉(zhuǎn)為直流電壓再測其電壓。通過半橋整流電路可將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。如圖（c） （c）電壓的有效值為U的交流電輸入后，經(jīng)半橋整流后得到電壓平均值為E的直流電。四：電阻檔電阻檔是在自供電壓為E的直流電源下，與

6、待測電阻串聯(lián)形成通路。再測量電阻。在兩極短接是電阻必須為零，故而電阻檔須有調(diào)零電阻。電阻檔電路圖如圖（d）GR2R1 (d)實驗內(nèi)容一：制作可調(diào)電壓的直流電源二：制作量程1.00mA直流電流表并校驗三：制作量程2.50V的直流電壓表并校驗四：制作量程10.0V交流電壓表并校驗五：制作100擋的歐姆表并校驗六：將100電阻檔改造為10電阻檔的電路實驗步驟一：制作可調(diào)電壓的直流電源用以下電路圖轉(zhuǎn)交流為直流R測量得最大輸出電壓Um為 V二：制作量程1.00mA直流電流表并校驗1設(shè)計和制作：按圖（a）組裝電流表。測得表頭內(nèi)阻Rg= 表頭內(nèi)固定的電阻R= 則表頭實際內(nèi)阻為Rg= 表頭量程Ig= Ma則R

7、x= 用下圖電路進行校驗2校驗GRXA（1）校準方法：比較法（與標準萬用表比較）。（2）校準要求：給出校準數(shù)據(jù)，畫出校準曲線（折線）（3）校準電路：將組裝表、標準表、限流電阻、電源接入電路（4）對組裝表實際量程的調(diào)整：組裝表、標準表均為1.00mA時方可進行校準 三：制作量程2.50V的直流電壓表并校驗1設(shè)計和制作：在1mA電流表的基礎(chǔ)上組裝2.50V的電壓表按圖（b）組裝電路可得Ry=U-IgRgI= 按下圖進行分刻度校驗RgRxGVR2校驗（1）校準方法：比較法（與標準萬用表比較）。（2）校準要求：給出校準數(shù)據(jù)，畫出校準曲線（折線）（3）校準電路：將組裝表、標準表、所得的1mA電流表、電源

8、接入電路（4）對組裝表實際量程的調(diào)整：組裝表、標準表均為2.5V時方可進行校準 四：制作量程10.0V交流電壓表并校驗1半波整流后的正弦電流有效值和平均值的關(guān)系交流電流的有效值按電流的熱效應(yīng)來規(guī)定，定義為： 因此，有效值也叫均方根值有效值的意義是：在一個周期的時間內(nèi)，交流電流 通過電阻R產(chǎn)生的熱量與穩(wěn)恒電流 通過同一個電阻 產(chǎn)生的熱量相等或者說，就電流通過電阻產(chǎn)生的熱量說， （變化）與 （穩(wěn)定）等效類似地，交流電壓、交流電動勢的有效值定義為： 不同波形的交流電，有效值與最大值的關(guān)系不同對正弦交流電， ，由定義得： = 即正弦交流電的有效值等于最大值被 除對正弦交流電，由定義得： = = = 0

9、637Im正弦交流電的有效值與平均值之比為： 經(jīng)過半波整流后=*0.452設(shè)計和制作由于整流后的電流是平均值，則有I均=0.45I有效并且考慮到二極管的降壓作用降壓 0.3 v則10v交流電壓經(jīng)整流后對表頭的作用只換句話說10v交流電壓經(jīng)半波整流后作用于表頭時指針偏轉(zhuǎn)角相當(dāng)于 4.2 v直流電壓作用下的偏轉(zhuǎn)角。則有R串=UI-RA= 用如下電路圖進行校驗GRxR串V3校驗（1）電路：半橋整流，只有半個周期電流通過毫安表（2）交流電壓平均值：整流后的直流電壓是交流電壓的平均值, 平均值在數(shù)學(xué)上的定義：（3）二極管正向壓降0.6伏則 （4）計算R（5）注意校準電路中電源接法：電壓要可調(diào)五：制作10

10、0擋的歐姆表并校驗按圖（d）組裝電路即為100擋的歐姆表。歐姆表自供電源為一節(jié) v的干電池。具體步驟為：（1）電源電壓：電源為1.5伏電池，計算時取1.3伏（2）R1取最大值（3）校準：用電阻箱進行校準，將其作為被測電RX接入電路；當(dāng)RX=0時，表頭指針應(yīng)滿偏，如不滿偏，應(yīng)調(diào)整調(diào)零電位器使其滿偏，然后進行校準（4）校準曲線：與電流、電壓不同，因為RX與I不是簡單的反比關(guān)系（5）中值電阻：當(dāng)被測電阻RX等于電阻表內(nèi)阻時，指針指在表盤的中心位置，此時的阻值為電阻表的中值電阻實驗數(shù)據(jù)處理與分析1 制作直流電流表Rg=0.949kIg=500AR串理=0.9454kR串實=200（調(diào)零電阻）+0.76

11、0 k（電阻箱）=960格數(shù)100160240300380460500I測（mA）0.2000.3200.4800.6000.7600.9201.000I標（mA）0.2060.3920.4950.6220.7600.9101.000I差(mA)-0.06-0.072-0.015-0.0220.0000.0100.000表-1 直流電流表測量值于是得到校準曲線2制作2.5V直流電壓表R串理=2.0kR串實=1900格數(shù)100140200260340400500v測（v）0.500.701.001.301.702.002.50v標（v）0.490.711.021.311.702.02.51v差(

12、v)0.01-0.01-0.02-0.010.000.00-0.01表-2 直流電流表誤差值于是得到校準曲線3。10V交流電壓表R實=2980格數(shù)0100200300400500V測（v）02.004.006.008.0010.00V標（v）02.514.306.277.9710.00V差（v）0-0.51-0.30-0.270.030.00表3 電壓表電壓測量值于是得到交流電壓表的校準曲線4組裝歐姆表R理=1300-960/2=820電流計格數(shù)500400300250200100理論值電阻/0330840 1180 1880 5100 表-4 歐姆表測量值5將X100擋歐姆表改裝成X10擋歐

13、姆表設(shè)計方案 設(shè)歐姆表內(nèi)電源電壓為1.3V，R5=820，若改裝成X10擋時，當(dāng)電流表表頭指針半偏時，接入測量電阻Rx應(yīng)該為118.0，由電路拓撲結(jié)構(gòu)知道，此時應(yīng)該給原來測量端口并聯(lián)一電阻，設(shè)為R6。 于是得電路圖為：圖-10 歐姆表改裝電路圖 由集總參數(shù)電路原理得公式：R6RxRx+R6=Rx 將半偏值代入得R6=131.11，于是得到當(dāng)并聯(lián)一個這樣的電阻的時候能夠達到X10擋的效果，改裝完畢。萬用表使用說明：（1） 由于儀器限制電表測量值與真實值之間存在誤差。因此在校驗時給出了校驗曲線，誤差、真實值、測量值之間的關(guān)系為真實值=測量值- 誤差（誤差即為校驗曲線中的縱坐標）。（2） 使用電表時

14、請注意各表量程。使用交流電壓表時由于二極管的原因請不要測量較大的交流電壓以防電壓擊穿二極管。（3） 歐姆表的調(diào)零電阻設(shè)計時已經(jīng)內(nèi)置在表頭內(nèi)，所以各表切換時不會有影響，應(yīng)注意使用歐姆表時兩表筆短接用調(diào)零電阻調(diào)零。（4） 由于歐姆表制作較粗糙，只能用于粗側(cè)電阻。若要精測電阻請使用更精密的儀器。參考資料 磁電式萬用表的組裝調(diào)試經(jīng)驗 張艷雯 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002(3)：27-28. 1.11大學(xué)物理實驗 成正維 牛原主編 北京交通大學(xué)出版社 2010年5月第一版基礎(chǔ)電路分析 聞躍 高巖主編 北京交通大學(xué)出版社 2003年10月第二版實驗總結(jié)這是到大學(xué)以來第一次做這種設(shè)計類實驗，在設(shè)計實驗的時候真的感覺到無從下手，不得不從網(wǎng)上查找資料，去圖書館翻閱書籍，向?qū)W長請教做實驗的經(jīng)驗和設(shè)計的思路等等。經(jīng)過一番努力，也終于完成了最初的設(shè)計報告，雖然隊員里和具體思路及操作還有諸多不解。也真的很慶幸選上了王老師的實驗課，老師不僅能把實驗的操作和原理講解的十分透徹清晰，更能在過程中教育我們該怎樣對待學(xué)習(xí)和實驗，讓我不禁思考自己的學(xué)習(xí)的方法和態(tài)度頓時慚愧不已又對老師多了許多