MF万用表设计参考资料

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1、 万 用 表 电 路课程设计系别:矿业工程系专业:采矿工程班级：1203班组长：孔令会组员：孔令会 学号：20121803313 刘宝军 学号：20121803301 张超凡 学号：20121803320 武勇强 学号：20121803314组员分工：主要设计者：孔令会搜集材料者：孔令会、刘宝军、张超凡资料整理者：孔令会、刘宝军、武勇强计算负责者：刘宝军、武勇强设计验算者：刘宝军、孔令会 设计任务书设计题目：万用表的设计与制作设计要求：1、掌握万用表的工作原理、结构特点；2、明确设计思路，懂得各测量电路的原理图及它们之间的关系；3、画出原理框图、正确叙述工作原理；4、举例详细说明万用表的使用方

2、法及注意事项。设计进度要求：第一步：确定题目，查阅资料。第二步：写设计大纲。第三步：写设计草稿。第四步：撰写文稿 摘 要当代电子科学技术的迅猛发展，创造出了一个神奇的世界。多少人闯进了电子宫殿，在那里自由地摘取一颗颗耀眼的明珠。多少人刚刚迈入电子宫殿的大门，正在深深求精。在这条走向成功的道路上，众多的电子爱好者无一不喜爱过手中必备的工具万用表。虽然万用表在向数字化、智能化方向发展，但是由于指针式万用表具有结构简单，用途广，使用方便，可靠性高，价格便宜等优点，仍是检测电器元件最常用的检测工具。万用表是一种多功能、多量程的便携式电工仪表。这次设计的万用表是磁电系整流式便携式多量限万用电表。可供测量

3、直流电流，交直流电压，直流电阻等，具有量程多，分档细，灵敏度高，体形轻巧，性能稳定，读数清晰，使用方便，适合于电子仪器，无线电电讯，电工，工厂实验室等广泛使用的万用电表。关键词：表头 指针 准确度 分辨力 整流式目 录1 万用表的应用1.1 万用表的种类1.2 万用表的组成1.3 万用表的结构特征1.4 万用表的应用2 万用表的设计2.1 万用表的基本工作原理2.2 各测量档的原理及设计过程2.3 万用表总电路的设计2.4 电路参数3 万用表的使用方法及注意事项3.1 直流电流测量3.2 交直流电压测量3.3 直流电阻测量3.4 音频电平测量3.5 电容测量3.6 电感测量3.7 晶体管直流参

4、数的测量3.8 万用表的使用注意事项4 结论及参考文献1 万用表的应用1.1 万用表的种类万用表分为指针式、数字式两种。随着技术的发展，人们研制出微机控制的虚拟式万用表，被测物体的物理量通过非电量/电量，将温度等非电量转换成电量，再通过A/D转换，由微机显示或输送给控制中心，控制中心通过信号比较做出判断，发出控制信号或者通过D/A转换来控制被测物体。1.2 万用表的组成万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。1.2.1 表头它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏

5、度愈高。测电压时的内阻越大，其性能就越好。表头上有四条刻度线，它们的功能如下：第一条（从上到下）标有R或，指示的是电阻值，转换开关在欧姆挡时，即读此条刻度线。第二条标有和VA，指示的是交、直流电压和直流电流值，当转换开关在交、直流电压或直流电流挡，量程在除交流10V以外的其它位置时，即读此条刻度线。第三条标有10V，指示的是10V的交流电压值，当转换开关在交、直流电压挡，量程在交流10V时，即读此条刻度线。第四条标有dB，指示的是音频电平。1.2.2 测量线路万用表的测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，它由电阻、半导体元件及电池组成 。它能将各种不同的被测量（如电

6、流、电压、电阻等）不同的量程，经过一系列的处理（如整流、分流、分压等）统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。1.2.3 转换开关万用表中各种测量种类及量程的选择是靠转换开关的切换来实现的。转换开关里面有固定触点和活动触点，当固定触点和活动触点闭合时接通电路。活动触点称为“刀”,固定触点通常称为“掷”。万用表中所用的转换开关往往都是特别的，通常有多刀和几十个掷，各刀之间是相互同步联动的，旋转“刀”的位置可以使得某些活动触点与固定触点闭合，从而相应的接通所需要的测量电路。1.3 万用表的结构特征万用表采用高灵敏度的磁电系整流式表头，造型大方，设计紧凑，结构牢固，携带方便，零部件均选用优良

7、材料及工艺处理，具有良好的电气性能和机械强度。其特点为：测量机构采用高灵敏度表头，性能稳定；线路部分保证可靠、耐磨、维修方便；测量机构采用硅二极管保护，保证过载时不损坏表头，并且线路设有0.5A保险丝以防止误用时烧坏电路；设计上考虑了湿度和频率补偿；低电阻档选用2干电池，容量大、寿命长；装有提把，不仅便于携带，而且可在必要时作倾斜支撑，便于读数。1.4 万用表的应用在电子电路的测试、家用电器设备的维修、电子仪器检修、电子元器件测量中，万用表是最普及、最常用的测量仪表。由于它操作简单、功能齐全、便于携带、一表多用等特点，深受电工、电子专业工作者及广大无线电爱好者的喜爱。事实证明，万用表不及能检测

8、电工、电子元器件的性能优劣，查找电子、电气线路的故障，估测某些电气参数，有时还能代替专用测试仪器，获得比较准确的结果，基本上可以满足电工、电子专业人员和业余无线电爱好者的需要。因此，推广万用表的应用技术，实现一表多用，既符合节约精神，又可在一定的程度上克服缺少专用仪器的困难。2 万用表的设计2.1 万用表的基本工作原理万用表对被测电量进行测量的过程，是由测量电路实现的。如果要设计一个型号的万用表，则首先要明白其最基本的工作原理，然后再按照所设计的万用表功能而进行电路的具体设计，这里先介绍一下万用表的基本工作原理见（图2.1）。 图2.1 指针式万用表最基本的的工作原理它由表头、电阻测量档、电流

9、测量档、直流电压测量档和交流电压测量档几个部分组成，图中“”为黑表棒插孔，“”为红表棒插孔。当我们把档位开关旋钮SA打到交流电压档时，通过二极管VD整流，电阻R3限流，由表头显示出来；当打到直流电压档时不须二极管整流，仅须电阻R2限流，表头即可显示；打到直流电流档时既不须二极管整流，也不须电阻R2限流，表头即可显示；测电阻时将转换开关SA拨到档，这时外部没有电流通入，因此必须使用内部电池作为电源，设外接的被测电阻为Rx，表内的总电阻为R，形成的电流为I，由 Rx、电池E、可调电位器RP、固定电阻R1和表头部分组成闭合电路，形成的电流I使表头的指针偏转。红表棒与电池的负极相连，通过电池的正极与电

10、位器 RP及固定电阻R1相连，经过表头接到黑表棒与被测电阻。 Rx形成回路产生电流使表头显示。回路中的电流为： 式（2.1）从上式可知：I和被测电阻Rx不成线性关系，所以表盘上电阻标度尺的刻度是不均匀的。当电阻越小时，回路中的电流越大，指针的摆动越大，因此电阻档的标度尺刻度是反向分度。当万用表红黑两表棒直接连接时，相当于外接电阻最小Rx=0，那么： 式（2.2）此时通过表头的电流最大，表头摆动最大，因此指针指向满刻度处，向右偏转最大，显示阻值为0.请看电阻档的零位是在左边还是在右边，其余档的零位与它一致吗？反之，当万用表红黑两表棒开路时Rx，R可以忽略不计，那么： 式（2.3）此时通过表头的电

11、流最小，因此指针指向0刻度处，显示阻值为。2.1.1 直流电流的测量 多量程电流表的结构:表头与多个电阻串联的支路并联而成.（表头与电阻并联）万用表的直流测量电路，实质上是一个多量程的直流电流表。通常采用闭路式多量程分流器电路构成，见（图2.2）图2.2 直流电流测量电路其关系式: 式（2.4） 式（2.5） 式（2.6） 测量电路中，各分流电阻彼此串联，再与表头并联，形成一个闭合环路，经转换开关切换，改变与表头并联的分流电阻阻值，以实现测量不同量程的电流。并联分流电阻的个数越多，并联支路电阻值就越大，其直流电流的量程就越小。图中所示的电路中，R1R3为分流电阻，经转换开关切换在不同位置上，直

12、流电流量程I1I2I3。2.1.2 直流电压的测量 多量程电压表的结构:表头与多个电阻串联而成。万用表的直流电压测量电路，实质上是一个多量程的直流电压表。采用附加电阻与表头的串联，可以扩大电压测量的范围。万用表常用的电路是高低电压档的附加电阻共用，即共用式附加电阻电路，见（图2.3）所示。图2.3 直流电压测量电路其关系式： 式（2.7） 式（2.8） 式（2.9）式中，Rg是电流表的等效电阻，G称为直流电压灵敏度，它是电流表灵敏度的倒数。例如，用50A的电流表装成直流电压表，则G=1/50A=20000=20K/V。共用式电路中，高电压档的附加电阻共用了低压档的附加电阻。这种电路的优点是可以

13、节省绕制电阻的材料，但这种电路也有缺点，那就是当低电压档的附加电阻坏了，则高电压档也不能工作。2.1.3 交流电压的测量 交流电压测量原理:利用有单向导电性的二极管，对交流电进行单向测量电压值。由于万用表的表头是一个磁电系动圈式测量机构，只能接受直流信号，而不能直接接受交流信号。用磁电系的表头测量交流电量，必须把交流信号整流成直流信号，再送给磁电系表头，即把被测的交流电转换成相应的直流电，才能进行交流电测量。万用表的交流电压测量电路用的是半波整流或全波整流及共用附加电阻电路，见（图2.4）图2.4 交流电压测量电路其关系式：KO=PK 式（2.10） 式（2.11） R10V=G10 式（2.

14、11） R50V=G50 式（2.12）R250V=G250 式（2.13）R500V=G500 式（2.14） 式中，K0为整流电路的工作总功率。P是整流因数，全波为1，半波为1/2. 是整流元件的整流效率，锗二极管在0.981.00，硅二极管的1.00。表中的G是交流电压的灵敏度。Rvo是由直流电流表等效内阻与整流元件内阻共同构成的整流系电压表内阻。磁电系测量机构加上整流电路构成的整流式仪表，指针偏转角正比于整流电流的平均值，而正弦交流电的有效值与相应整流输出的平均值之间，存在着确定的正比关系，所以只要在万用表的刻度上，按正弦波的有效值来刻度，就可以直接读出正弦交流电的有效值。显然，利用万

15、用表测量非正弦交流电的有效值，将会由于波形的差异而带来测量误差。由于受二极管非线性伏安特性和温度特性的影响，万用表的交流档的灵敏度要比直流档的灵敏度低。2.1.4 电阻的测量 电阻测量原理:表头与表内的电池及调零电阻、被测电阻RX构成一个闭合电路的方法，利用RX不同电路中的电流不同实现测量。万用表的电阻测量电路，实质上是一个多量程的电阻表。电阻测量等效简易结构（图2.5）所示图2.5 电阻测量简易结构2.2 各测量档的原理及设计过程2.2.1 档位设计要求（1）直流电流档测量量程分5档 50A;1mA;10mA;100mA;500mA（2）直流电压档测量量程分6档 2.5V;10V;50V;2

16、50V;500V;2500V（3）交流电压档测量量程分4档 10V;50V;250V;500V;2500V（4）直流电阻档测量量程分4档R1;R10;R100;R1K;R10K（5）音频电平档 1022dB2.2.2 测量档的设计根据所设计万用表的参数及其档位的要求，我设计出了以下的电路。（一）直流电流表档的设计见(图2.6)从图中可以看出，在微安表上并联分流电阻，可以扩展电流量程。500-F型的直流电流测量电路如图，R1R4为分流量程电阻。五个电流档量程Im1Im5分别为500mA，100mA，10mA，1mA和50uA。微安表的量程Ie=40uA，内阻Rg=2.5K。因表头还与R7、R8串

17、联，顾实际内阻Rg=Rg+R7+R8。其中，R7=1K，R8是供调整用的具有两个独立滑臂的可变电阻。若按R8=0.25 K计算，则Rg=3.75 K。图2.6 直流电流表档测量电路因为表头的满度压降为：所以分流电阻的总阻值 实际上将R5R6分成R5和R6两个电阻，并取R5=2.25k，R6=12k。这样做的目的是为设计2500V交流档提供方便。分流电阻R1R6与Rg并联，还可构成50uA电流档。(二)直流电压档的设计见（图2.7）从图中可以看出，在微安表上串联分压电阻（亦称作倍压电阻），可以扩展其电压量程，见下图。六个电压档量程分别是2.5V、10V、50V、250V、500V和2500V.各

18、电压档均是在50uA直流电流档的基础上设计的。因此，得到的新表头内阻为 实取R9=36.9K;R10=10.1K 在UM1=10V档， 图2.7 直流电压档测量电路在UM3=50V档在UM3=250V档实取R13=1,R14=3 ,R13兼作500V档的降压电阻在UM3=500V档在UM3=2500V档，此时电流表量程变成250，见图，其目的是降低该档降压电阻的阻值（三）交流电压档的设计见（图2.8）由图可以看出，测交流电压时是用半导体二极管D2作半波整流。另一只二极管D1并在输入端起保护作用，它可为反向电压提供通路，防止将表头反向击穿。在交流电压档，表头改为250（指交流电流的有效值），电压

19、灵敏度降为4 图2.8 交流电压档测量电路（四）电阻档的设计见（图2.9）电阻档的设计较复杂，由图可见，它是在50 uA直流电流档的基础上改装而成。测电阻共分五档：R*1，R*10，R*100，R*1k，R*10k档各档欧姆中心值R o分别为：10， 100， 1k， 10k， 100k。前四档由一节1.5V的电池供电，R*10k档由9V叠层电池供电。通常认为，1.5V干电池在正常放电过程中的平均内阻r=0.6，所以在R*1档取R23=9.4，使得R23+r=10，恰为该档欧姆中心值。 考虑到新电池的电压可达1.56V，而使用过程愈久，电池电压愈降低。为保证降低到1.5V时R*1档也能调到零点

20、（满度），需加欧姆调零电位器R21，其阻值为1.9k，因R*1档调零时电流最大，1.5V/10=150mA，故只要该档能调至零点，其余电阻档（不包括R*10k档）肯定能够调零。 图2.9 电阻档测量电路2.3 万用表总电路的设计根据章节2.2.2中各档的测量电路，依此来组合成总电路图见（图2.10）它的显示表头是一个直流A表，两个二极管反向并联并与电容并联，用于保护限制表头两端的电压起保护表头的作用，使表头不至电压、电流过大而烧坏。电阻档分为1、10、1k、10k、几个量程，当转换开关打到某一个量程时，与某图2.10 万用表测量电路的总电路图一个电阻形成回路，使表头偏转，测出阻值的大小。它由5

21、个部分组成：公共显示部分；直流电流部分；直流电压部分；交流电压部分和电阻部分。线路板上每个档位的分布，最左面为直流电流档，其次为直流电压档，然后为交流电压档，最右边是电阻档。值得注意的是，测量交流电压档的附加电阻大部分是共用直流电档的附加电阻，从总电路中可以看出，交流250V档的附加电阻就是直流电压50V档的附加电阻。可见，交流电压档内阻的每伏欧姆数比直流的要低5倍，这就是因为采用了整流电路之后，半波整流使效率较低的缘故。电路中与表头相并联的3F的电解电容，是用来平滑整流后的脉动电压的，可使万用表在测量低于10Hz的低频电压时指针不至于抖动。2.4 电路参数 根据目录2.1中各测量电路的基本原

22、理及分流电阻的计算公式，计算出所设计电路的各元件的参数，见附录（表2.1）。表 2.1 电路元件参数序号名称规格序号名称规格序号名称规格R1碳膜电阻154KR9绕线电阻10.8R17碳膜电阻5MR2碳膜电阻22.5KR10绕线电阻108R18碳膜电阻4MR3碳膜电阻60KR11碳膜电阻3KR19碳膜电阻5.5KD硅二极管2CP6或2CP11R12碳膜电位器470R20碳膜电阻800KR5绕线电阻181R13碳膜电阻3.9KR21碳膜电阻150KR6绕线电阻17.4R14碳膜电阻1MR22碳膜电阻35.5KR7绕线电阻1.2R15碳膜电阻2.33KR23碳膜电阻10KR8绕线电阻1080R16小

23、型电解电容器3F15V3 万用表的使用方法及注意事项在使用前应检查指针是否指在机械零位上,如不指在零位时，可旋转表盖的调零器使指针指示在零位上。将测试棒红黑插头分别插入“+”“”插座中。3.1 直流电流测量 测量0.05500mA时，转动开关至所需电流档，测量5A时,转动开关可放在500mA直流电流量限上而后将测试棒串接于被测电路中。3.2 交直流电压测量 测量交流101000V或直流0.251000V时,转动开关至所需电压档。测量交直流2500V时，开关应分别旋转至交流1000V或直流1000V 位置上,而后将测试棒跨接于被测电路两端。3.3 直流电阻测量 装上电池，转动开关至所需测量的电阻

24、档，将测试棒二端短接,调整零欧姆调整旋钮，使指针对准欧姆“0”位上,(若不能指示欧姆零位，则说明电池电压不足,应更换电池)，然后将测试棒跨接于被测电路的两端进行测量。准确测量电阻时,应选择合适的电阻档位，使指针尽量能够指向表刻度盘中间三分之一区域。测量电路中的电阻时,应先切断电路电源,如电路中有电容应先行放电。当检查电解电容器漏电电阻时,可转动开关到R1K档，测试棒红杆必须接电容器负极，黑杆接电容器正极。3.4 音频电平测量 在一定的负荷阻抗上,用以测量放大极的增益和线路输送的损耗，测量单位以分贝表示音频电平与功率电压的关系式是：NdB=10log10P2/P1 =20log10V2/V1 音

25、频电平的刻度系数按0dB=1mW600输送线标准设计，即V1=(PZ)1/2=(0.001600)1/2=0.775V ，P2、V2分别为被测功率或被测电压 。音频电平是以交流10V为基准刻度，如指示值大于+22 dB时可以在50V以上各量限测量：其示值可按以下所示值修正。量限，按电平刻度增加值，电平的测量范围 10V -10+22 dB ；50V 14 dB +4+36 dB ；250V 28 dB +18+50 dB ；500V 34 dB +24+56 dB 测量方法与交流电压基本相似，转动开关至相应的交流电压档,并使指针有较大的偏转。如被测电路中带有直流电压成份时，可在“+”插座中串接

26、一个0.1f的隔离电容器。3.5 电容测量 转动开关至交流10V位置,被测量电容串接于任一测试棒，而后跨接于10V交流电压电路中进行测量。3.6 电感测量 与电容测量方法相同。3.7 晶体管直流参数的测量 3.7.1 三极管管脚极性的辨别(将万用表置于1K档) 判定基极b：由于b到cb 至e分别是二个PN结,它的反向电阻很大,而正向电阻很小。测试时可任意取晶体管一脚假定为基极.将红测试棒接“基极”。 黑测试棒分别去接触另二个管脚，如此时测得都是低阻值,则红测试棒所接触的管脚即为基极b，并且是P型管，(如用上法测得均为高阻值，则为N型管)。如测量时二个管脚的阻值差异很大，可另选一个管脚为假定基极

27、,直至满足上述条件为止。 判定集电极c：对于PNP型三极管，当集电极接负电压,发射极接正电压时，电流放大倍数才比较大，而NPN型管则相反。测试时假定红测试棒接集电极c，黑测试棒接发射极e，记下其阻值,而后红黑测试棒交换测试，将测得的阻值与第一次阻值相比,阻值小的红测试棒接的是集电极c，黑的是发射极e，而且可判定是P型管(N型管则相反)。 3.7.2 二极管极性判别 测试时选R100档,黑测试棒一端测得阻值小的一极为正极。万用表在欧姆电路中，红测试棒为电池负极,黑的为电池正极。注意：以上介绍的的测试方法，一般都用R100，R1K档，如果用R10K档，则因该档用15V的较高电压供电，可能将被测二极

28、管的PN结击穿，若用R1档测量,因电流过大(约90mA),也可能损坏被测二极管。原理图见（图3.1） 图3.1 测量二极管极性的原理3.8 万用表的使用注意事项（1）测量时不能用手触摸表棒的金属部分，以保证安全和测量准确性。测电阻时如果用手捏住表棒的金属部分，会将人体电阻并接于被测电阻引起测量误差。 （2）测量直流量时注意被测量的极性，避免反偏打坏表头。（3）不能带电调整档位或量程，避免电刷的触点在切换过程中产生电弧而烧坏线路板或电刷。（4）测量完毕后应将档位开关旋钮打到交流电压最高档或空档。（5）不允许测量带电的电阻，否则会烧坏万用表。（6）表内电池的正极与面板上的“”插孔相连，负极与面板“

29、”插孔相连，如果不用时误将两表棒短接会使电池很快放电并流出电解液，腐蚀万用表，因此不用时应将电池取出。（7）在测量电解电容和晶体管等器件的阻值时要注意极性。（8）电阻档每次换档都要进行调零。（9）不允许用万用表电阻档直接测量高灵敏度的表头内阻，以免烧坏表头。（10）一定不能用电阻档测电压，否则会烧坏熔断器或损坏万用表。4 结 论我们的设计是自己独立完成的一项设计任务，我们工科生作为祖国的应用型人才，将来所从事的工作都是实际的操作及高新技术的应用。所以我们应该培养自己市场调查、收集资料、综合应用能力，提高计算、绘图、实验、安装这些环节来锻炼自己的技术应用能力。本次毕业设计针对“万用表的设计与制作

30、”的要求，在满足各种参数要求的前提下，拿出一个具体实际可行的方案，因此我们从实际出发，认真的思考与筛选，经过一个多月的努力终于有了现在的收获。按照设计的具体要求，我们把设计的重点放在电路的可行性和准确性上,明确万用表各测量电路的灵敏性,严谨性以及他们之间的关系。通过思考，明确各档所需要元件的参数，根据设计需要简化电路，使测量电路既简单明了又测量准确，完成各种测量任务。以此来体现测量科学的严谨性。通过这次毕业设计的学习和研究，我们开拓了视野，掌握了设计的一般步骤和方法，同时这三年来所学的各种专业知识又得到了巩固，同时，这次毕业设计又涉及到绘图、编辑等，让我们又学到很多新的知识。但毕竟我们所学的知识有限，本设计的好多地方还等待更改和完善。参考文献1 李保宏.万用表的检修技巧与实例.北京.人民邮电出版社,1996.82 潘永雄.沙河.电子线路CAD使用教程.西安.西安电子科技大学出版社,20073 吴桂秀.万用表使用维修入门.浙江.浙江科学技术出版社,2000.104 徐岚.刘玉珍.新编电工仪表电路手册.北京.机械工业出版社,1995.125 温新宜.精选使用电子制作集锦.北京.电子工业出版社,1996.36 李保宏.万用表使用技巧60例.北京.人民邮电出版社,20047 张玉环.电路与模拟电子技术.北京.机械工业出版社,2004