萬用表的原理和使用.ppt

1,萬用表的原理與使用,2,學(xué)習(xí)目的： 理解模擬式萬用表的基本結(jié)構(gòu)：表頭、測量電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)。 理解模擬式萬用表的工作原理： 直流電流測量原理； 直流電壓測量原理； 交流電壓測量原理； 電阻測量原理； 電平測量原理； 掌握萬用表的使用方法，了解使用的注意事項。 掌握電阻、電容、電感、晶體二極管、穩(wěn)壓管、晶體三極管、 運放、交流電源的測試方法。 了解萬用表常見故障產(chǎn)生的原因。,3,學(xué)習(xí)內(nèi)容： 1.1 模擬萬用表的結(jié)構(gòu) 1.2 模擬萬用表的工作原理 1.3 模擬萬用表的使用,4,萬用表又稱為多用表或復(fù)用表。 一般用來測量直流電流、直流電壓、交流電壓、電平。 還可以用來測量電阻、電容、電感、二極管、三極管、 運放及其他器件的參數(shù)。,5,1.1 模擬萬用表的結(jié)構(gòu) 萬用表的面板上有帶有多條標度尺的標度盤、帶轉(zhuǎn)換開關(guān) 的旋鈕、調(diào)零旋鈕和接線柱等。,6,1.1 模擬萬用表的結(jié)構(gòu) 萬用表主要由表頭（指示部分）、測量電路、轉(zhuǎn)換開關(guān)等 三部分組成。,7,1、表頭 表頭用以指示被測量的值。 萬用表的表頭一般都采用靈敏度高，準確度好的磁電式直流微安 表。 表頭的基本參數(shù)包括表頭內(nèi)阻、靈敏度和直線性。 內(nèi)阻指動圈所繞漆包線的直流電阻，嚴格講還應(yīng)包括上下兩盤游 絲的直流電阻。內(nèi)阻高的萬用表性能好。多數(shù)萬用表表頭內(nèi)阻在 幾千歐姆左右。 靈敏度指表頭指針達到滿刻度偏轉(zhuǎn)時的電流值，數(shù)值越小，靈敏 度越高，表頭特性就越好。通常靈敏度只有幾微安到幾百微安。 表頭直線性是指表針偏轉(zhuǎn)幅度與通過表頭電流強度幅度是相互一 致的。,8,9,10,2、測量線路 測量線路用以將各種被測量轉(zhuǎn)換成適合表頭測量的微小直 流電流。 萬用表的測量電路實質(zhì)上就是多量限的直流電壓表，多量 限的直流電壓表，多量限的整流式直流電壓表以及多量限 的歐姆表的組合。,11,12,3、轉(zhuǎn)換開關(guān) 轉(zhuǎn)換開關(guān)用以對不同測量線路進行選擇以適應(yīng)各種測量 項目和量限的要求。 轉(zhuǎn)換開關(guān)是由固定觸點和活動觸點兩大部分組成。 通常將活動觸點稱為“刀”，固定觸點稱為“擲”。,13,萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)是多刀多擲的，而且各刀之間是聯(lián)動的。 當轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到某一位置時，可動觸點就和某個固定觸點 閉合，從而接通相應(yīng)的測量電路。,14,4、萬用表的符號,15,16,1.2 模擬萬用表的原理 1、直流電流測量原理 萬用表的直流電流測量電路實際上是一個多量程的直流 電流表。 有開路個別轉(zhuǎn)換式和閉路抽頭轉(zhuǎn)換式分流電路。,17,1）開路個別轉(zhuǎn)換式,分流系數(shù) 分路電阻值,18,優(yōu)點： 各檔分流電阻分別調(diào)整，不影響其他各檔阻值。 缺點： 1、轉(zhuǎn)換開關(guān)的接觸電阻會引起小電流檔較大誤差。 2、接觸開關(guān)接觸不良，會燒毀表頭。 3、各檔位的阻尼時間不同，會引起誤差。,19,2）閉路抽頭轉(zhuǎn)換式 各分流電阻彼此串聯(lián)，然后再與表頭并聯(lián)，從而形成 一個閉合回路。當轉(zhuǎn)換開關(guān)K換到不同位置時，可以 改變分流電路值，達到變化量程的目的。 Im1Im2Im3,20,直流電流檔分流電阻的確定,第三步確定各原件的數(shù)值,第二步確定各原件的數(shù)值,第一步確定總分流電阻,21,使用40.6A的表頭，內(nèi)阻為3.25K，用閉路抽頭轉(zhuǎn)換式分流器 將其組裝成一個量限為50 A、500A、 5mA、 50mA、 500mA 的直流電流檔，試確定其各分流電阻。,22,23,24,結(jié)論： 任一檔電流限和該檔電阻的乘積為常數(shù)，等于： I0（RFLR0） 該值稱為測量直流電流時的最大壓降。,25,26,2、直流電壓測量原理 電壓檔是采用指針式的磁電式電流表作為指示器的。 萬用表的直流電壓檔實際上是一個多量程的直流電壓表。 通過電流表的電流大?。ū憩F(xiàn)為指針偏轉(zhuǎn)的角度）與被 測電壓成正比，并在電流表上直接讀出電壓值刻度。 有單獨配用附加電阻和共用附加電阻兩種。,27,1）單獨配用附加電阻,28,1）單獨配用附加電阻 優(yōu)點： 不同電壓檔用不同的附加電阻，互不影響。 缺點： 體積大、造價高,29,2）共用附加電阻,30,2）共用附加電阻 優(yōu)點： 可以節(jié)省繞線，降低造價 可以減小體積 缺點： 附加電阻變質(zhì)或損壞時，會影響高電壓檔的測量。,31,3、 交流電壓測量原理 磁電式電流表只能測量直流信號，因此測量交流電壓時需 要在指示器前加檢波器將其轉(zhuǎn)換成直流電壓來測量，并可 提高儀器的輸入電阻，降低輸出電阻。 萬用表的測量裝置為直流微安表頭，以致測量交流電壓時， 必須引入整流元件，構(gòu)成整流系的交流電壓表，分為半波 整流和全波整流兩種，其中多用半波整流方式。,32,圖中D2做半波整流用。當交流電壓正半周時，D2導(dǎo)通，于是 在表頭和分流電阻R上產(chǎn)生整流電流，使表針偏轉(zhuǎn)。 D1為反向保護二極管，起到保護D2的作用。 人們習(xí)慣以有效值來量度交流電壓，因此萬用表度盤上的刻度 也是以有效值來表示的。對于全波整流kf=1.11，對于半波整流 kf=2.22。,33,1）整流原理 由于被測電壓的大小、頻段及精度要求不同，檢波器在電 壓表中所處的位置也不一樣，從而形成了不同的交流電壓 測量方案，分別是放大檢波式、檢波放大式。,34,2）放大檢波式 放大檢波式電子電壓表是將被測交流電壓先經(jīng)寬帶放大 器放大，提高測量靈敏度；再進行檢波，檢波器進行的是 大信號檢波，避免了因檢波器的非線性產(chǎn)生的失真。又因 在放大器之前有阻抗變換器，輸入阻抗較高，減小了對被 測電路的影響。但因?qū)拵Х糯笃髟跈z波器之前，被測信號 的頻率受到寬帶放大器帶寬的限制，靈敏度受寬帶放大器 內(nèi)部噪聲的限制。其通頻帶一般為2Hz10MHz，測量最小 幅值為幾百微伏或幾毫伏，一般稱為低頻毫伏表。,35,2）放大檢波式,36,放大檢波式電子電壓表主要用于均值電壓表。 即先放大被測交流信號的電壓，然后再檢波將交流轉(zhuǎn)化 為直流驅(qū)動電流表。其檢波后的直流輸出正比與檢波器 的輸入電壓的平均值。檢波器一般都采用二極管全波或 半波整流電路。為了使指針穩(wěn)定，在表頭兩端跨接濾波 電容，濾去檢波器輸出電流中的交流成分。,37,圖5.18（a）為全波平均值檢波電路， 圖5.18(b)為半波平均值檢波電路。,38,圖5.18（a）為全波平均值檢波電路， 圖5.18(b)為半波平均值檢波電路， 圖5.18 (c) 、圖5.18(d)為它們的變形。,39,以圖5.18（a）為例，分析均值檢波器的工作原理： 檢波器輸出端A、B之間的電壓波形是全波整流波形，A、 B支路的直流分量流過表頭，交流分量由C旁路，所以流 過表頭的就是A、B支路的平均電流。 被測信號電壓Ux加到輸入端，在正弦波的正半周，VD1、 VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止。 在正弦波的負半周，VD2、VD3導(dǎo)通，VD1、VD4截止，電路 進行全波整流，整流后的單向?qū)щ婋娏魍ㄟ^微安表表頭。 設(shè)輸入電壓為Ux(t)，VD1VD4具有相同的正向電阻d和 反向電阻r，微安表表頭內(nèi)阻為rm。則正向平均電流為,40,反向平均電流為 流過微安表的電流為 一般Rd為,rm為kk， rkk。所以上式可簡化為 由上式可以看出，流過表頭的電流值正比與檢波器輸入 電壓的平均值，而與其波形無關(guān)。,41,2.定度系數(shù) 在放大檢波式電子電壓表中，檢波器對被測電壓的平均值產(chǎn)生 響應(yīng)，即放大檢波式電子電壓表的指針偏轉(zhuǎn)正比于被測電壓的 平均值。但是，除特殊需要（例如，脈沖電壓表）外，儀表的刻 度盤均是按正弦電壓的有效值來刻度的。也就是說，在電壓表的 額定工作頻率范圍內(nèi)加正弦交流電壓時的指示值就是正弦電壓的 有效值且正比于被測電壓的平均值。即,42,式中： U電壓表讀數(shù)； Uw電壓表所刻的正弦電壓有效值； 被測電壓平均值； KF-正弦電壓的波形因數(shù)。 由此可知，只有測量正弦波電壓時，從均值電壓表上讀得的讀數(shù) 才是它的有效值，才有實際意義。而當測量非正弦波電壓時，示 值沒有直接物理意義，必須將示值經(jīng)過換算，才能測出被測電壓 的有效值。 波形換算方法是，當測量任意波形電壓時，將從電壓表刻度盤上 讀得的示值先除以波形因數(shù)KF-折算成正弦電壓的平均值，然后再 按照“平均值相等則讀數(shù)相等”的原則，用被測波形的波形因數(shù)換 算出被測的非正弦電壓的有效值。,43,例5.1 用均值電壓表分別測量正弦波、方波及三角波，電壓表 均指在10V處，問被測電壓的平均值、有效值、峰值各是多少？ 解：對于正弦波，示值就是其有效值。,44,按照示值相等則平均值也相等的原則，所以方波和三角波的平均 值也都是9V，即可得： 對于方波，因其KF與KP均為1V，所以方波的均值、有效值、峰值 均是9V。 對于三角波，因為它的KF=1.15,KP=1.73所以可得:,45,3）檢波放大式 檢波放大式電子電壓表是將被測交流電壓先檢波變?yōu)橹?流電壓，然后再經(jīng)直流放大器放大，用放大后的直流電流 去驅(qū)動磁電式電流表指針的偏轉(zhuǎn)。此類電壓表的頻率范圍 主要取決于檢波器的頻率響應(yīng)（一般在20Hz至數(shù)百兆赫茲 ），可用于測量高頻電壓或超高頻電壓，其框圖如圖5.19 所示。,46,若被測電壓UX(t)的周期為T，檢波二極管的正向電阻為 Rd，則上述電路必須滿足下列條件才能作為峰值檢波器。 充電時間常數(shù)被測信號的最小周期，即RdCTmin。 放電時間常數(shù)被測信號的最大周期，即RCTmax。,47,(1)串聯(lián)電路的工作原理 在被測電壓UX(t)的正半周，經(jīng)VD向C充電，因RdCTmin， 故C兩端的電壓很快上升到UX(t)的峰值UP。當從正半周 峰值下降到UC maxUP時，C通過電阻R放電，因RCTmax， 所以放電非常緩慢，UC在一個周期T內(nèi)下降很少，當下一 個周期的正半周電壓大于UC min時，VD又導(dǎo)通，很快又將 C上的電壓充至UC max=UP。這樣在C的兩端保持了接近于UP 的電壓，其平均值為。同時形成了二極管VD的反向偏壓。 使VD工作于丙類狀態(tài)。,48,電容C充放電的波形圖,49,(2) 定度系數(shù) 檢波放大式電壓表的檢波器輸出的是峰值響應(yīng)，即經(jīng) 過峰值檢波器的直流電壓是正比于被測電壓的峰值的。 而一般情況下，磁電式電流表的讀數(shù)刻度是按正弦有效 值來定度的，即電壓表的讀數(shù)正比于被測正弦信號的有 效值。所以，采用峰值檢波器的電壓表進行刻度時，應(yīng) 通過波峰因數(shù)進行變換。,50,3）外差式電子電壓表 前面所講的檢波放大式和放大檢波式兩種電壓表，其 頻率響應(yīng)和靈敏度之間存在著相互矛盾，很難兼顧。而外 差式電子電壓表則可以很好的解決此問題。外差式電子電 壓表的框圖見圖5.22，被測電壓經(jīng)包括輸入衰減器及高頻 放大器在內(nèi)的輸入電路，在混頻器中與本機振蕩器頻率fl 混頻，輸出頻率為fl-fX的中頻信號由中頻放大器放大，然 后經(jīng)檢波，再由表頭指示。,51,3）外差式電子電壓表,52,4）熱電耦變換式電子電壓表 熱電耦變換式電子電壓表是有效值電壓表的一種類型。 它是根據(jù)熱電現(xiàn)象和熱電耦原理，利用熱電耦的熱電變換 功能可以將被測交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電流。 根據(jù)熱電現(xiàn)象和熱電耦原理，利用熱電耦的熱電變換來將 被測交流電壓的有效值轉(zhuǎn)換成直流電流。,53,5）交流電壓的基本參數(shù) 交流電壓的峰值、平均值和有效值是交流電壓的基本參數(shù)， 交流電壓的幅度特性可用峰值、有效值和平均值基本參數(shù) 以及與基本參數(shù)相關(guān)的波形因數(shù)KF，波峰因數(shù)KP等參數(shù)來 表征。 1.峰值 2.平均值 3.有效值,54,為了表征同一信號的峰值、平均值和有效值之間的關(guān)系， 引入波形因數(shù)KF和波峰因數(shù)Kp。 (1)波形因數(shù)KF 波形因數(shù)KF是該電壓的有效值與其平均值之比，即 (2)波峰因數(shù)KP 波峰因數(shù)KP是該電壓的峰值與其有效值之比，即,55,56,6）交流電壓檔的實現(xiàn)： 一是測量交、直流電壓時，共用一套附加電阻，并在表盤上各畫一條刻度線，不過電壓數(shù)值相差較遠，兩條刻度線都要標上電壓數(shù)值； 二是各用一套附加電阻，這樣交、直流電壓刻度就可以用同一刻度線。 整流式儀表準確度不高，尤其是測較低電壓時，此時采用單獨的標度尺，而不與測直流電壓的標度尺共用。,57,4、 電阻測量原理,電阻測量原理,Rx=0時，,Rx0時，,E、R為定值時，針對不同的Rx，就有不同的偏轉(zhuǎn)角度與之對 應(yīng)，是非線性關(guān)系。,58,5、 電平測量原理 電平的測量實際上是變換成電壓的測量實現(xiàn)的，因此工作 原理與交流電壓的測量相同。分貝的定位是以600負載 電阻上，得到功率1mW（壓降0.775V)定為零分貝的。 表盤上的分貝刻度，是以10V交流電壓檔經(jīng)換算而標出的， 在這一檔上，可以直接讀出音頻電平的分貝數(shù)，即有： dB=20lg(U2/U1) 其中，U1是0dB電壓的有效值，即0.775V，U2是輸入交流 電壓有效值。,59,1.3 模擬萬用表的使用 1、模擬萬用表的使用注意事項 從以下角度分析： 種類 量程 極性 連接電路 誤差 安全 （人身安全、儀器安全和待測元件及系統(tǒng)的安全）,60,1.3 模擬萬用表的使用 1、萬用表的使用注意事項 使用： 1）使用萬用表之前，必須熟悉萬用表的使用方法、測量 原理、待測量種類和量程，核對轉(zhuǎn)換開關(guān)、插孔是否正確。 2）萬用表使用時必須水平放置，使用前，先將機械調(diào)零。 3）測量完畢，將量程選擇開關(guān)撥到最高檔位置，防止下次 測量時不慎將表燒壞。,61,保存: 1）長期不使用的萬用表，應(yīng)將電池取出，避免電池存放 過久而變質(zhì)漏液，損壞電路板。 2）測量有感抗的電路中的電壓時，必須在切斷電源前先 把萬用表斷開，防止由于自感現(xiàn)象產(chǎn)生的高壓損壞電壓表,62,電流測量： 1）應(yīng)將萬用表串到被測電路中，測量直流電流還應(yīng)注意 極性，表筆接反，表針會反打，容易把表針打彎。 2）若電源內(nèi)阻和負載電阻都很小，應(yīng)盡量選擇較大的電 流量程，以降低萬用表內(nèi)阻，減小對被測電路工作狀態(tài)的 影響。,63,電壓測量： 1）將萬用表并聯(lián)在電路兩端，注意正負極性。 2） 用直流電壓檔測交流電壓，表針不動或微動； 用交流電壓檔測直流電壓，讀數(shù)可能為0或偏高。 3）選取的電壓量程應(yīng)盡量使指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的1/2到 1/3處。,64,電壓測量： 4）嚴禁在高壓或大電流時撥動轉(zhuǎn)換開關(guān)，以免產(chǎn)生電弧， 燒壞轉(zhuǎn)換開關(guān)接觸點。 5）被測電壓高于100V時應(yīng)養(yǎng)成單手操作的習(xí)慣，測高壓 時應(yīng)采用高絕緣性的表筆。,65,電壓測量： 6）測高內(nèi)阻電源的電壓時，應(yīng)盡量選較大的電壓量程， 因量程越大，內(nèi)阻也越高，雖然讀數(shù)小，但更準確。 7）測高頻信號時，誤差很大。由于整流元件的非線性， 萬用表測1V以下的交流電壓的誤差也很大，不能測毫伏級 信號。 8）只適宜測音頻電平。 9）不能直接測方波、矩形波、鋸齒波等非正弦電壓。 10）測量有感抗的電路中的電壓時，必須在切斷電源前先 把萬用表斷開，防止由于自感現(xiàn)象產(chǎn)生的高壓損壞電壓表。,66,電阻測量： 1）嚴禁在帶電情況下測量電阻。 2）每次變換電阻檔應(yīng)重新調(diào)整歐姆零點。 3）測高阻電阻時，不要用雙手捏著兩只表筆的金屬端， 以免引入人體電阻。 4）測量極性器件，應(yīng)注意表筆極性。 5）不同的檔位非線性元件的測量值不同。 6）R10K的電壓較高，不宜檢查低耐壓值元件。 7）不能用電阻檔測量較小的內(nèi)阻，以免燒毀動圈或打彎 表針。 8）在線測量應(yīng)注意斷開與之相連的部分。,67,接地： 正確地選擇電壓表的連接方式和接地點，對于電壓測量來 說具有重要的意義。接線不正確往往在測量時破壞被測電 路的工作狀態(tài)，甚至?xí)斐蓛x器的損壞。 使用電壓表時應(yīng)當注意將電壓表的高端和低端與被測電壓 源的高端和低端對應(yīng)連接，并且應(yīng)先接好地線或低端連線。 否則，由于機殼與大地之間分布電容會對被測電路形成附 加分路，得出不正確的測量結(jié)果。,68,例：測量晶體管電極諧振回路的諧振電壓的連接方法。,69,2、 模擬萬用表的實際應(yīng)用 電阻的測量,帶電測量與不帶電測量,在線測量與離線測量,人體電阻的影響,70,71,72,73,2、 模擬萬用表的實際應(yīng)用 判斷電解電容器的正負極,電解電容器屬于有極性元件，在電路中不允許反接。,將萬用表撥到R1K檔，用交換表筆的辦法分別測正、 反向漏電電阻。最后以漏電電阻較大的一次為準，此 時，負筆接的是電解電容正極，正筆接的是負極。,判斷理由： 電解電容器的正向漏電電阻大于反向漏電電阻。,74,2. 電容器的質(zhì)量判別,75,2. 電容器的質(zhì)量判別,(1) 對于容量大于5100 pF的電容器，可用萬用表R10 k擋、R1 k擋測量電容器的兩引線。正常情況下，表針先向R為零的方向擺去，然后向R方向退回(充電)。如果退不到，而停在某一數(shù)值上，指針穩(wěn)定后的阻值就是電容器的絕緣電阻(也稱漏電電阻)。一般的電容器絕緣電阻在幾十兆歐以上，電解電容器在幾兆歐以上。若所測電容器絕緣電阻小于上述值，則表示電容器漏電。絕緣電阻越小，漏電越嚴重，若絕緣電阻為零，則表明電容器已擊穿短路；若表針不動，則表明電容器內(nèi)部開路。,76,2. 電容器的質(zhì)量判別,(2) 對于容量小于5l00 PF的電容，由于充電時間很短，充電電流很小，即使用萬用表的高阻值擋測也看不出表針擺動。所以，可以借助一個NPN型的三極管(100，ICEO越小越好)的放大作用來測量。測量方法如圖1.9所示。電容器接到A、B兩端，由于晶體管的放大作用就可以看到表針擺動。判斷好壞同上所述。,77,