万用表设计实验

1、北京交通大学大学物理实验设计性实验实验题目万用表的设计与组装学院班级学号姓名首次实验时间2012年11月6日指导教师签字万用表的设计与组装引言一实验任务：分析研究万用表电路，设计并组装一个万用表。二实验要求：1 分析常用万用表电路，说明个挡的够功能和设计原理；2 设计组装并校验具有下列四档功能的万用表。（ 1）直流电流挡：量程；（ 2）以自制的电流表为基础的直流电压档：量程。（ 3）以自制的电流表为基础的交流电压档：量程。（4）以自制的电流表为基础的电阻档（X 100）电源使 用电池。3 .给出将X 100电阻档改造为X 10电阻档的电路。三主要仪器：表头，导线若干，电阻箱若干，万用表。四常用

2、万用表电路的分析：1、图 1 是简易万用表及欧姆表的实验电路。电流，电阻，电压等被测信号经过输入电路和变换电路后，变成微安级电流，再流经表头，使指针偏转，通过欧姆定律等电学公式的计算转换,从而指示出被测量值2、直流电流挡原理如图1-1 ,在微安电流表头上并联一个适当的分流 电阻R,从而达到扩充量程的目的。由公式? + ? = ? + ? = ? + -? ? = ? ?可知，电流表的量程为原量程的 号丝倍。RgIg图1-1直流电压挡原理如图1-2,在表头串联一个适当大的分压电 阻，使经过表头的电压降低，扩充了它的量程。由公式? = ? + ? = ?(? + ?) = ?(? + ) ()(?

3、)可知，串联一大小为R的电阻，电表的量程变为原来的?.、(?+砺)信。R RgIg-O图1-23、交流电压挡原理如图1-3,由于表头只能流过直流电, 因此测量交流时还需要一个整流电路。万用表中一般采用通过用 并联的两个二极管半波整流的形式将交流变为直流。当被测交流电处于正半周时，电流经分压电阻及整流二极管V2流经等效表头，表针偏转；而在被测交流电的负半周。电流直接从二极管V1流过分压电阻。而不经过表头。?= ? ? ?(?) ? ?/右父攵?当外电路交流电压有效值为 10V时，内电路直流电压为。考虑到二极管自身的电势降2=，加在表头上的电压为RgIg图1-34、电阻挡原理如图1-4,当两表笔短

4、接时，调节R 2的值,使电流表满偏，有欧姆定律得:?(?+ ?电)=?外接电阻时，有欧姆定律得:?(?+ ?电 + ?) = ?_ ?=汨 - ?当?=? +?电时，电流表半偏，称其为中值电阻。由公式易知电阻与电流非线性变化，所以表盘刻度不均匀,实验方案：用给定的表头通过与相应的电阻进行串并联可以组装成有直流电压、电流档的万用表。通过整流滤波电路可以组装成有交流电压档的万用表。该表头的内阻为R ?，满偏电流为？?。一：直流电流档表头满偏电流较小，不能直接测量较大电流。因此需要小电阻 分流。分流电路如图(a)。设直流电流档的量程为I。并联电 阻为 ?。 由欧姆定律的 ？?R?=R?+?.(1)(

5、a)由公式(1)可以求得？?的理论值是?=鲁R? I - ?二：直流电压档由于表头内阻较小，满偏电流也很小。因此满篇电压也很小则需串联一个较大的电阻分压。设直流电压档的量程为串联电阻为?由 欧 姆 定 律 得 U=? +? .(2)其电路图如图（b）(b)则由式（2）可求得分压电阻的理论值是？?？= ?- 7?三：交流电压档必须先把交流电压转为直流电压再测其电压。通过半桥整流电 路可将交流电转化为直流电。如图（c）(c)电压的有效值为U的交流电输入后，经半桥整流后得到电压平均值为E的直流电四：电阻档电阻档是在自供电压为E的直流电源下，与待测电阻串联形成通 路。再测量电阻。在两极短接是电阻必须为

6、零，故而电阻档须有(d)实验内容一：制作可调电压的直流电源二：制作量程直流电流表并校验三：制作量程的直流电压表并校验四：制作量程交流电压表并校验五：制作X 100挡的欧姆表并校验六：将X 100电阻档改造为x 10电阻档的电路实验步骤一：制作可调电压的直流电源用以下电路图转交流为直流二：制作量程直流电流表并校验1设计和制作：按图（a）组装电流表。测得表头内阻R?=?表头内固定的电阻R= ?则表头实际内阻为R ?=表头量程？?= Ma?则？?=?用下图电路进行校验2校验(1)校准方法：比较法(与标准万用表比较)。(2)校准要求：给出校准数据，画出校准曲线(折线)(3)校准电路：将组装表、标准表、

7、限流电阻、电源接入电路(4)对组装表实际量程的调整：组装表、标准表均为时方可进行校准制作量程的直流电压表并校验1设计和制作:在1mA电流表的基础上组装的电压表按图(b)组装电路可得？?- ?R?=?按下图进行分刻度校验2校验(1)校准方法：比较法(与标准万用表比较)。(2)校准要求：给出校准数据，画出校准曲线(折线)(3)校准电路：将组装表、标准表、所得的1mA电流表、电源接入电路(4)对组装表实际量程的调整：组装表、标准表均为时方可进行校准四：制作量程交流电压表并校验1半波整流后的正弦电流有效值和平均值的关系交流电流的有效值按电流的热效应来规定，定义为:因此，有效值也叫均方根值.有效值的意义

8、是：在一个周期 的时间内，交流电流 .通过电阻R产生的热量与稳恒电流 1通过同一个电阻 火产生的热量相等.或者说，就电流通过电阻产生的热量说，工（变化）与了（稳定）等效.类似地，交流电压、交流电动势的有效值定义为:R邛。乜不同波形的交流电，有效值与最大值的关系不同.对正弦交流电，j =内皿,由定义得：I - iJ1 sin 3 dt =二 JI - 0 三&阁 0 7077'V2正端即正弦交流电的有效值等于最大值被对正弦交流电，由定义得：221”_ a K sin aldtb cl口=Lr7l-cos at .-L一2一曲点除M咻 2=0 咫 0X637Im正弦交流电的有效值与

9、平均值之比为:上洌1.11 4经过半波整流后”二*2设计和制作由于整流后的电流是平均值，则有 ？?均=?有效并且考虑到二极管 的降压作用降压v则10v交流电压经整流后对表头的作用只换 句话说10v交流电压经半波整流后作用于表头时指针偏转角相当 于v直流电压作用下的偏转角。则有？?串=?-?=?3校验(1)电路：半桥整流，只有半个周期电流通过毫安表(2)交流电压平均值：整流后的直流电压是交流电压的平均值，平均值在数学上的定义：TJ 1口 « C t(3)二极管正向压降伏则Uab 匚U062(4)计算R(5)注意校准电路中电源接法：电压要可调五：制作X 100挡的欧姆表并校验按图(d)组

10、装电路即为x 100挡的欧姆表。欧姆表自供电源为一 节v的干电池。具体步骤为：(1)电源电压：电源为伏电池，计算时取伏.(2) R取最大值(3)校准：用电阻箱进行校准，将其作为被测电RX接入电路；当R=0时,表头指针应满偏，如不满偏，应调整调零电位器使其满偏， 然后进行校准.(4)校准曲线：与电流、电压不同，因为 R与I不是简单的反比关系.（5）中值电阻：当被测电阻Rx等于电阻表内阻时，指针指在表盘的中心位置，此时的阻值为电阻表的中值电阻.实验数据处理与分析1制作直流电流表Rg=QIg=500 AR串理=R串实=200 0 （调零电阻） + k Q （电阻箱）=960 Q格数100160240

11、300380460500I 测（mAI 标(mAAI 差(mA)表-1直流电流表测量值于是得到校准曲线0.02格数T-I 差(mA)2制作直流电压表R串理二R 串实=19000格数100140200260340400500v 测（v）v 标（v）v 差(v)表-2直流电流表误差值于是得到校准曲线0.015格数v 差(v)3。10V交流电压表R 实=2980 格数0100200300400500V测（v）0V标（v）0V差（v）0表3电压表电压测量值于是得到交流电压表的校准曲线格数T-V差（v）4组装欧姆表R理= 1300-960/2=820 Q60005000Oo o o O o o o O

12、o o o O 4 3 2 1 户阻电值论理O600 理论值电阻/ Q电流计格数500400300250200100理论值电阻/Q0330840118018805100表-4欧姆表测量值5将X100挡欧姆表改装成 X10挡欧姆表设计方案设欧姆表内电源电压为，R5=820Q ,若改装成 X10挡时，当电流表表头指针半偏时，接入测量电阻 R应该为Q,由电路拓扑结构知道，此时应该给原来测量端口并联一电阻，设为 R&于是得电路图为：图-10欧姆表改装电路图由集总参数电路原理得公式：R6XRx -=Rx ' Rx+ R6将半偏值代入得R=Q,于是得到当并联一个这样的电阻的时候能够达到X1

13、0挡的效果，改装完毕。万用表使用说明：(1)由于仪器限制电表测量值与真实值之间存在误差。因 此在校验时给出了校验曲线，误差、真实值、测量值之间的关系为真实值=测量值-误差(误差即为校验曲线中的纵坐标)(2)使用电表时请注意各表量程。使用交流电压表时由于二极管的原因请不要测量较大的交流电压以防电压击穿二极管。（ 3） 欧姆表的调零电阻设计时已经内置在表头内，所以各表切换时不会有影响，应注意使用欧姆表时两表笔短接用调零电阻调零。（ 4） 由于欧姆表制作较粗糙，只能用于粗侧电阻。若要精测电阻请使用更精密的仪器。参考资料磁电式万用表的组装调试经验张艳雯长江工程职业技术学院学报， 2002（3） ： 2

14、7-28.大学物理实验成正维 牛原主编 北京交通大学出版社2010 年 5 月第一版基础电路分析 闻跃 高岩主编 北京交通大学出版社 2003年 10 月第二版实验总结这是到大学以来第一次做这种设计类实验，在设计 实验的时候真的感觉到无从下手，不得不从网上查找资 料，去图书馆翻阅书籍，向学长请教做实验的经验和设 计的思路等等。经过一番努力，也终于完成了最初的设 计报告，虽然队员里和具体思路及操作还有诸多不解。 也真的很庆幸选上了王老师的实验课，老师不仅能把实 验的操作和原理讲解的十分透彻清晰，更能在过程中教 育我们该怎样对待学习和实验，让我不禁思考自己的学 习的方法和态度顿时惭愧不已又对老师多了许多的敬，国O在实验过程中，第一、二个步