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1、大学物理实验指导（电磁学部分） 实验九 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-型 0-30V、0-5A) ；3.单相自耦调压器(500VA 0250V)；4.实验电阻板（ 3.0K 、 15K 、 47K 、 56 、 0.62K 、 1.5K 0.25 W 各 1 个 ） ；5.电学暗盒（内装有 47F 电解电容 1 个、0.22F 普通电容器 1 个、 ；6.3V 稳压二极管 1 个、1N4007硅二极管 1 个、47K 电阻器 1 个）6.单刀开关；原理一、万用电表的
2、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、 1
3、0K 五档，电流有 100、2.5m、25m、250m 、2.5 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91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+R0=Rm为整数值。则，被改装表的内阻应为 Rm。由实
4、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 RS。即取 略大于 R 外 临 。 （关于电流表的外临界电阻值 R 外nS211900RIUASm1iiiiiS临 值详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（91）先求出回路电压 U0 然后逐档计算抽头电阻 。并按下式求出改装以后的最小满程电流值 Imin。iR(9-2) 0IISmni万用表直流电
5、压档一般采用如图 92 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 IV0,其内阻为 RV0。则各分压电阻 Ri 的数值为01VFIU（ 93）1)1(0 iiiiViFIR直流电压档设计方法设直流电压档的每伏欧姆数为 。则先按 的原则确定出直流电压档的每伏欧姆数 （ 应nimI1 取整数值） ，再根据 求出电压档所需的满程电流值 IV0，然后在电流档中设计出一量程为 IV0 的电流10VI档，作为电压表的等效表头，按 求出该等效
6、表头的内阻 RV0。再按式（93）计算出各电SmVR0压档的分压电阻。 iFR2. 交流电压档如图 93 所示，交流电压档基本原理是先将交流电压经分压电阻 RN 分压，再经二极管整流器整流后输入等效表头测量。图中 D1 为整流管，D 2 是为保护D1 而设计的。当输入整流管的交流电为正半周时，二极管 D1 被加上正向电压而导通，输入的电流通过 D1 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 D1 的两端，
7、若被测电压幅值较大，将可能击穿整流管 D1，导致表头损坏。串入二极管 D2后，当输入整流管 D1 的交流电为负半周而使 D1 截止时， D2 的负极性端为低电位，而其正极性端为高电位，D2 被加上正向电压而导通，输入的被测电压通过 D2 降落在分压电阻 上，使 D1 两端的压降极小，从而iNR保护了 D1 管不被击穿。图 93 中表头两端并联的两个二极管 D3、D 4 是为了保护表头而设计的。当万用表使用不慎而选错档位使得表头过载时，二极管 D3 或 D4 将得到足够的正向压降而导通。 D3 或 D4 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
8、正确使用时，表头两端的最大压降 I0RA 小于二极管的导通电压值，二极管 D3 或 D4 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 。则可先根据 的原则，确定一个合适的交流电压档的每 伏欧姆数值，按 求出交流电压档所需的工作电流值 ，再按 IV0 算出 经 10VI 0VI0VI0VI整流后的直流电流量 （采用二极管半波整流时，取 ；全波整流时，取 ） ，然后又o 41.82.在直流电流档中设计一量程为 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VoI的内阻 值。例如对图 93
9、，有VOR(9-4)DSmm RR514321532 5143215320式中，R D 为整流二极管 D1 的正向导通电阻值。求出 后，按下式计算各交流电压档的分压电阻值VO iNR 0VNIU 1ii)1i(i0i UI1若上述计算得到的 大于电流档中的最小电流值 ,说明 取得偏大,应减V minI少 值,重求 直到 为止。0nim3. 直流电阻档 欧姆表测量原理欧姆表测量的原理如图 94 所示。表头、干电池 E、可变电阻 R0 以及待测电阻 Rx 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 Rx为 待测电阻；E 为干电池电动势，其内阻为 rE；R D 为可调电阻；
10、R 内 R A+rE+RD 为欧姆表内阻。从上)59(69xxDAI 内式可以看出，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 成反比，当被测电xR内阻 Rx 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 Rx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。由 （ 9 6） 式 可知，当 Rx0 时，调节 RD 使表头的指针指在满刻度值 I0 处，此时 ， 可0xIEI内见欧姆表 的 电 阻 零值点 在 电 流 表 的 满刻度值处。当 Rx时，I x0 这时表头的指针指在电流表的零值刻度处。可见
11、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 Ix 接近零时，R x 的变化对 Ix 的影响小，标尺上刻度线较密集，分度值较大，而在 Ix 接近 I0 时则反之。当 RXR 内 时，I XI 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 RK就类似于电流表的量程。“零欧姆”校准电路由于电池电动势 E 会逐渐下降，使得当 Rx0 时 IxI 0
12、，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 95 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 95 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 RJ 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 RS ， 当 E 值变化时，调节 RJ 滑动端使得 Rx0 时表头的指针仍指在满刻度值 I0 处，即可消除零点漂移。显然，当 E 值高于其标称值 1.5V 时， RJ 滑动端应向左移动，以减小电阻档等效表头的总分流电阻 RS 的 数
13、值 ， 使 得 流 过 RS 的 电 流 增 大 ， 保 证 通 过 表 头 的 电 流 等 于I0 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 RS 的数值，保证通过表头的电流等于 I0 值。 注意：由于调节 RJ 滑动端时 ，电阻档等效表头的内阻 RA 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 RA 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 R1K 档中并联不同的分流电阻 Rdi 而构对于多量程欧姆表，可在 R1K档中并联不同的分流电阻 RDi 而构成。其
14、电路如图 96 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 97 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。应先弄清楚要测的是什么物理量，再确定量程。切勿用电流档、电阻档去测量电压。电流档、电压档量程的选择，应使电表内阻对电路的影响尽可能小且使表头指针有尽可能大的偏转。当被测的电流或电压的大小无法预先估计时，应先选择大量程试测，然后再逐渐到合适的量程上。转换量程时，表笔应脱离电路
