简易万用表的设计与校准
物理学院 物理学类 2009301020162 沈港博
摘要：万用表是一种多功能、多量程便于携带的电学仪器。它可用不同的量程测量直流电流、直流电压、交流电压及电阻。有的万用表还可以测量阻抗、容抗和音频功率等。学习制作和设计万用表非常重要，还有利于我们大学同学提高电路分析的能力并加深对万用电表工作原理的理解，提高自身的动手能力。
关键字：万用电表、表头、测量电路、转换装置。
1 实验目的
（1）通过万用表组装实验，进一步熟悉万用表结构、工作原理和使用方法。
（2）了解电路理论的实际应用，进一步学会分析电路，提高自身的能力。
2 实验原理
万用表主要是由指示器、测量电路和转换装置三部分组成。指示器俗称表头，用来指示被测电量的数值，通常为磁电式微安表。表头是万用表的关键部分，万用表的灵敏度、准确度及指针回零等大都决定于表头的性能。表头的灵敏度是以满刻度的测量电流来衡量的，满刻度偏转电流越小，灵敏度越高。一般万用表表头灵敏度在10~100μA左右。
测量电路的作用是把被测的电量转化为适合于表头要求的微小直流电流，它通常包括分流电路、分压电路和整流电路。分流电路将被测大电流通过分流电阻变成表头所需要的微小电流，分压电路将被测得高电压通过分压电阻变换成表头所需的低电压；整流电路将被测的交流，通过整流转变成所需的直流电。
万用表的各种测量种类及量程的选择是靠转换装置来实现，转换装置通常由转换开关、接线柱、插孔等组成。转换开关有固定触点和活动触点，它位于不同位置，接通相应的触点，构成相应的测量电路。
万用表基本原理，如下图1-1所示。
图1-1万用表基本原理图
下面以MF-47型万用表为例，分部介绍电路参数的测量原理。
1、直流电流的测量
万用表的直流电流档，实质上是一个多量程的磁电式直流电流表，它应用分流电阻与表头并联以达到扩大测量的电流量程。根据分流电阻值越小，所得的测量量程越大的原理，配以不同的分流电阻，构成相应的测量量程。在电路中，各分流电阻彼此串联，然后与表头并联，形成一个闭合环路，当转换开关置于不同位置时，表头所用的分流电阻不同，构成不同量程的档位，如图16-6所示。
图1-2 直流电流测量电路
2 直流电压的测量
万用表的直流电压档，实质上是一个多量程的直流电压表，它应用分压电阻与表头串联来扩大测量电压的量程，根据分压电阻值越大，所得的测量量程越大的原理，通过配以不同的分压电阻，构成相应的电压测量量程。测量电路如图16-7所示。
图1-3 直流电压测量电路
3、交流电流、电压的测量
磁电式仪表本身只能测量直流电流和电压。测量交流电压和电流时，采用整流电路将输入的交流，变成直流，实现对交流的测量。其整流电路一般有半波整流和全波整流，其整流元件一般都采用晶体二极管。万用表测量的交流电压只能是正弦波。
万用表通常采用的是半波整流测量电路，如图16-8所示。
图1-4 交流电压测量电路
4 、 电阻的测量
万用表测量电阻电路，如图16-9所示，工作原理是欧姆定律：
其中：R为串联电阻；
为被测电阻；Ra为表头内阻；E为电源的电压；
为被测电路的电流。
图1-5 电阻测量电路
当=0，电路中电流最大，指针偏转角最大，为满偏，零刻度值，一般为表头最右端。
当=∞，电流为零，指针无偏转，为无穷大刻度值，一般为表头最左端。
当为其他值时，指针在零刻度值和无穷大刻度值间偏转。
当=Ra+R时，此时的电流为最大电流的一半，指针定位于表头刻度尺中间，为欧姆档中心值。欧姆档的刻度分布是不均匀的，它的刻度值是自右向左递增的，右半部刻度稀疏，左半部刻度紧密。
由于电池电压值在每次使用过程后的不稳定性，一般在电路中还要设置调零电阻，通过调整阻值的大小，使指针定位在零刻度，确保测量精度。
3 实验所需仪表和材料
1、所需材料与器件
（1）电阻
见表1-6。
表16-6 所需电阻阻值表
注：电阻精度除注明外，其余均为1%。
（2）元器件
见表1-7。
表16-7 元器件表
（3）塑料件
见表1-8。
表16-8 塑料件表
（4）所需工具和仪器
万用表，螺丝刀，表头，数字万用表。
4 实验内容与步骤
1.按照原理图进行电流、电压及电阻的测量，记录相关的实验数据并记录。
2.万用表校准
在没有专用校准设备的情况下，可用普通数字万用表校准，方法如下。
（1）将装配完成的万用表仔细检查一遍，确认无误后，将万用表旋至最小电流档0.25V/50uA处，用数字万用表测量其“+”、“-”两插座之间的电阻值，应在4.9~5.1kΩ之间。如不符合要求，应调整电位器上方220Ω、120Ω两只电阻阻值，直至达到要求为止。
（2）将万用表从电流档开始逐档检测满度值。检测时，从最小档开始。首先检测直流电流档，然后是直流电压、交流电压、直流电阻及其他。各档检测符合要求后，即可投入正常使用。
5 思考题
（1） 电流表量程扩大后，原表头内允许通过的最大电流是否发生变化？
（2）万用表内部并没有专门测量电容的电路，电容的测量是如何实现的？
（3） 画出测量三极管放大倍数的原理图。
6 注意事项
（1）由于表头部分属精密仪表，在安装时需倍加小心。
（2）表头部分含有永久磁铁，有磁性，很容易把含铁的杂质的吸入，损坏表头。
7. 参考文献：
1.《武汉大学物理实验》周殿清主编
2. 百度文库
第二篇：简易万用表的设计与制作实验报告1
万用表制作实验报告
10电信1班 20101305003 王俊
摘要：万用表是一种多功能、多量程便于携带的电学仪器。它可用不同的量程测量直流电流、直流电压、交流电压及电阻。有的万用表还可以测量阻抗、容抗和音频功率等。学习制作和设计万用表非常重要，还有利于我们大学同学提高电路分析的能力并加深对万用电表工作原理的理解，提高自身的动手能力。
关键字：万用电表、表头、测量电路、转换装置。
一、实验目的
（1）通过万用表组装实验，进一步熟悉万用表结构、工作原理和使用方法。
（2）了解电路理论的实际应用，进一步学会分析电路，提高自身的能力。
二、实验原理
万用表主要是由指示器、测量电路和转换装置三部分组成。指示器俗称表头，用来指示被测电量的数值，通常为磁电式微安表。表头是万用表的关键部分，万用表的灵敏度、准确度及指针回零等大都决定于表头的性能。表头的灵敏度是以满刻度的测量电流来衡量的，满刻度偏转电流越小，灵敏度越高。一般万用表表头灵敏度在10~100μA左右。
测量电路的作用是把被测的电量转化为适合于表头要求的微小直流电流，它通常包括分流电路、分压电路和整流电路。分流电路将被测大电流通过分流电阻变成表头所需要的微小电流，分压电路将被测得高电压通过分压电阻变换成表头所需的低电压；整流电路将被测的交流，通过整流转变成所需的直流电。
万用表的各种测量种类及量程的选择是靠转换装置来实现，转换装置通常由转换开关、接线柱、插孔等组成。转换开关有固定触点和活动触点，它位于不同位置，接通相应的触点，构成相应的测量电路。
万用表基本原理，如下图1-1所示。
图1-1万用表基本原理图
下面以MF-47型万用表为例，分部介绍电路参数的测量原理。
三、实验内容
1、直流电流的测量
万用表的直流电流档，实质上是一个多量程的磁电式直流电流表，它应用分流电阻与表头并联以达到扩大测量的电流量程。根据分流电阻值越小，所得的测量量程越大的原理，配以不同的分流电阻，构成相应的测量量程。在电路中，各分流电阻彼此串联，然后与表头并联，形成一个闭合环路，当转换开关置于不同位置时，表头所用的分流电阻不同，构成不同量程的档位，如图16-6所示。
图1-2 直流电流测量电路
2 直流电压的测量
万用表的直流电压档，实质上是一个多量程的直流电压表，它应用分压电阻与表头串联来扩大测量电压的量程，根据分压电阻值越大，所得的测量量程越大的原理，通过配以不同的分压电阻，构成相应的电压测量量程。测量电路如图16-7所示。
图1-3 直流电压测量电路
3、交流电流、电压的测量
磁电式仪表本身只能测量直流电流和电压。测量交流电压和电流时，采用整流电路将输入的交流，变成直流，实现对交流的测量。其整流电路一般有半波整流和全波整流，其整流元件一般都采用晶体二极管。万用表测量的交流电压只能是正弦波。
万用表通常采用的是半波整流测量电路，如图16-8所示。
图1-4 交流电压测量电路
4 、 电阻的测量
万用表测量电阻电路，如图16-9所示，工作原理是欧姆定律：
其中：R为串联电阻；
为被测电阻；Ra为表头内阻；E为电源的电压；
为被测电路的电流。
图1-5 电阻测量电路
当=0，电路中电流最大，指针偏转角最大，为满偏，零刻度值，一般为表头最右端。
当=∞，电流为零，指针无偏转，为无穷大刻度值，一般为表头最左端。
当为其他值时，指针在零刻度值和无穷大刻度值间偏转。
当=Ra+R时，此时的电流为最大电流的一半，指针定位于表头刻度尺中间，为欧姆档中心值。欧姆档的刻度分布是不均匀的，它的刻度值是自右向左递增的，右半部刻度稀疏，左半部刻度紧密。
由于电池电压值在每次使用过程后的不稳定性，一般在电路中还要设置调零电阻，通过调整阻值的大小，使指针定位在零刻度，确保测量精度。
四、实验步骤
1.按照原理图进行电流、电压及电阻的测量，记录相关的实验数据并记录。
2.万用表校准
在没有专用校准设备的情况下，可用普通数字万用表校准，方法如下。
（1）将装配完成的万用表仔细检查一遍，确认无误后，将万用表旋至最小电流档0.25V/50uA处，用数字万用表测量其“+”、“-”两插座之间的电阻值，应在4.9~5.1kΩ之间。如不符合要求，应调整电位器上方220Ω、120Ω两只电阻阻值，直至达到要求为止。
（2）将万用表从电流档开始逐档检测满度值。检测时，从最小档开始。首先检测直流电流档，然后是直流电压、交流电压、直流电阻及其他。各档检测符合要求后，即可投入正常使用。
注意事项
（1）由于表头部分属精密仪表，在安装时需倍加小心。
（2）表头部分含有永久磁铁，有磁性，很容易把含铁的杂质的吸入，损坏表头。
五、实验心得
通过这次实验设计，让我更加深入的了解了万用表的组成和工作原理，掌握实用电路的设计方法和技巧，熟悉常用电子元件、电工工具和仪表，焊接、装配与调试工艺，提高了实践操作技能。掌握常见故障的处理方案与维修的基本技巧。这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处。虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义。学会了坚持、耐心和努力为我今后的学习和工作积累了宝贵的财富。