《電壓》課件實驗二

實驗二萬用表的組裝與校驗

(一)實驗儀器和器材介紹本實驗所用儀器和器材與實驗一相同，可參見實驗一的介紹。

(二)實驗指導

1.課前預(yù)習

(1)了解萬用表測量電流、電壓及電阻的原理及其電路組成。

(2)設(shè)計萬用表線路，計算各元件值。

①萬用表總體線路如圖Ⅱ.2-1所示。試分別畫出它的測量電流電路、測量電壓電路以及測量電阻(即歐姆表)電路。圖Ⅱ.2-1萬用表總體線路圖②圖Ⅱ.2-1中，微安表滿偏電流I0=200μA,內(nèi)阻rA=900Ω。其支路總電阻RA=rA+r9+RP+r8=3600Ω。電流

表量程共3擋：1/10/100mA。電壓表量程共2擋：10/20V。歐姆表量程共2擋，中值電阻分別為10kΩ和1kΩ,電池

E=3V。歐姆表滿偏電流(即流過r6的電流)為300μA(此時RP的滑動觸點位于中間位置，

RP=500Ω)。

(3)制定組裝萬用表及其檢驗方案。

①畫出電流表三量程和電壓表二量程在插接式實驗板上的復合連線圖。

②畫出歐姆表二量程在插接式實驗板上的連線圖。注意在畫此圖時，開關(guān)S可不用，因為實驗時，r7插上即開關(guān)S閉合，

r7拔去即開關(guān)S打開。電池E由穩(wěn)壓電源提供。

③制定對組裝表的檢驗方案(如方法、實驗線路和操作步驟等)。

2.實驗?zāi)康?/p>

了解萬用表原理及設(shè)計、校驗方法。

3.實驗原理

1)測量機構(gòu)

萬用表的測量機構(gòu)一般采用高靈敏度磁電式表頭。它利用載流線圈在永久磁鐵磁場中受力的效應(yīng)使表頭指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。指針偏轉(zhuǎn)角度α與流過表頭(即線圈)的電流I的關(guān)系為

α=SI

(2-1)式中，S稱為表頭靈敏度，表示單位電流引起指針偏轉(zhuǎn)的角度。使不同大小的標準電流流過表頭，指針將產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)角，據(jù)此可把表盤加以“刻度”。由于α與I成正比例，此種

刻度是均勻分布的，如圖Ⅱ.2-2所示。表盤最大刻度對應(yīng)的電流值是使指針產(chǎn)生最大偏轉(zhuǎn)的“滿偏電流”，也稱為表頭的量程。磁電式表頭的量程一般從幾十微安到數(shù)毫安，有多種規(guī)格。圖Ⅱ.2-2表盤刻度

2)測量電路

(1)直流測量電路。圖Ⅱ.2-3所示的是萬用表通常采用的直流電流測量電路。這種電路是環(huán)形分流電路。

r1、r2、r3

是分流電阻，共有3個量程：I3＞I2＞I1,S為量程開關(guān)。假設(shè)表頭滿偏電流為I0，內(nèi)阻為rA。圖中符號R1=r1+r2+r3,R2=r2+r3,R3=r3,R為表頭支路的串接電阻，RA=rA+R。圖Ⅱ.2-3直流電流測量電路當開關(guān)S位于“I1”量程位置時，由歐姆定律，顯然有

R1(I1－I0)=RAI0,解得(2-2)同理，當S位于“I2”、“I3”量程時，可分別計算得到(2-3)(2-4)若I0、RA、I1、I2、I3各量已知，則由式(2-2)可求出

(r1+r2+r3)；將式(2-3)兩端同加r1解得r1，再代入式(2-3)解得(r2+r3);再將式(2-4)兩端同加r2,并將r1代入式(2-4)解得r2,

最后應(yīng)用(r1+r2+r3)－r1－r2得r3。

(2)直流電壓測量電路。圖Ⅱ.2-4所示的是測量直流電壓的原理電路，共有3個量程：U3＞U2＞U1,可用開關(guān)轉(zhuǎn)換。測量指示部分不是直接使用磁電式表頭，而是用最小量程的電流測量電路，如圖Ⅱ.2-4中虛線方框所示，其量程為IV，等效內(nèi)阻為Re。兩端電壓為ReIV。圖中R1、R2、R3稱為倍壓

電阻，由U1=R1IV+ReIV解得R1,由U2=R2IV+U1解得R2,由U3=R3IV+U2解得R3。圖Ⅱ.2-4直流電壓測量電路歸納總結(jié)計算倍壓電阻的公式為電壓測量中常需估計電壓表內(nèi)阻，而電壓表內(nèi)阻既與電壓量程有關(guān)，也與表頭靈敏度有關(guān)。量程一定時表頭越靈敏內(nèi)阻就越高。“Ω/V數(shù)”即是表頭滿偏電流之倒數(shù)(對于圖Ⅱ.2-4的電路應(yīng)為1/IV),“Ω/V數(shù)”越大，為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需的驅(qū)動電流越小，故“Ω/V數(shù)”也稱為電壓靈敏度?！唉?V數(shù)”簡稱“Ω/V”?！唉?V”通常標明于萬用表的表盤上，可借以推算

不同量程時電壓表的內(nèi)阻。

(3)交流電壓測量電路。測量交流電壓的原理(方法)與測量直流電壓的原理(方法)基本相同，只是在測量電路中附加一整流電路，把交流電壓變換為“直流”后再加到表頭上。

圖Ⅱ.2-5所示的是萬用表測量交流電壓的原理電路，圖中采用的是半波整流電路，交流電正半周時，電流實際方向如實線箭頭所示，負半周時電流實際方向如虛線箭頭所示。萬用表中還常用橋式全波整流電路，其原理如圖Ⅱ.2-6所示。圖Ⅱ.2-5交流電壓測量電路圖Ⅱ.2-6橋式全波整流電路

(4)測電阻電路(歐姆表原理)。歐姆表原理萬用表測電阻是依據(jù)歐姆定律的原理，其測量電路如圖Ⅱ.2-7所示。圖中cd間為測量指示部分，實際上是直流電流測量電路。設(shè)其量程為Im,等效電阻為Rcd；R4是限流電阻；E是萬用表內(nèi)部電池的電壓；A和B是萬用表的兩個測量端。圖Ⅱ.2-7電阻測量電路設(shè)被測電阻Rx接于AB之間，由圖Ⅱ.2-7得主回路電流為限流電阻R4的選擇原則是當Rx=0(AB間短路)時使電流表指針滿偏，此時(2-6)(2–7)式中,RT=R4+Rcd,為歐姆表內(nèi)阻。引用上述關(guān)系，式(2-6)可改寫為(2-8)可見，Rx≠0時，I＜Im，且對應(yīng)每一個Rx值，主回路電流就有一確定值，表頭指針也有相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。若由式(2-8)求出一系列對應(yīng)于不同Rx的電流，并在表

頭刻度盤的各電流刻度上標以相應(yīng)的歐姆值，就得到了圖

Ⅱ.2-8所示的歐姆刻度，這樣測量時就可根據(jù)電流表指針的指示直接讀出被測電阻值Rx。

當Rx=RT時，主回路電流I=Im/2，歐姆表指針恰指中央位置，故內(nèi)阻RT也稱為中值電阻。圖Ⅱ.2-8歐姆表刻度圖Ⅱ.2-7中，電位器RP是用來調(diào)整零點的。調(diào)節(jié)電位器RP的滑動觸點c的位置,可改變表頭支路與R2支路的電流分配關(guān)系。只要設(shè)計得當，可保證在E的一定變化范圍內(nèi)，當Rx=0時，通過調(diào)節(jié)RP均可使指針指零。

由圖Ⅱ.2-7可寫出該歐姆表的中值電阻為(2-9)

多量程歐姆表歐姆表的刻度包含了0~∞的全部電阻數(shù)值，但是當被測電阻阻值很大或者很小時，因讀數(shù)不易分辨，將導致大的測量誤差。事實上，只有在相當于(1/5~5)倍中值電阻的阻值范圍內(nèi)，才能保證一定的測量準確度。圖Ⅱ.2-9所示的是多量程歐姆表的線路，通過聯(lián)動開關(guān)(共有兩組觸點，用虛線連接表示它們聯(lián)動)可以變換量程。例如圖中所示開關(guān)位于“×1k”位置，此時線路的中值電阻為10kΩ，即表盤中央刻度線“10”(如圖Ⅱ.2-8所示)代表阻值應(yīng)為10×1kΩ。圖Ⅱ.2-9多量程歐姆表若開關(guān)置×100位置，可以看出在表頭負端和電池正極間并接了電阻R7，使中值電阻減小為原來的1/10,為1kΩ。此時表盤中央刻度所代表的歐姆數(shù)也減小為原來的1/10，讀數(shù)應(yīng)為10×100Ω。

4.實驗內(nèi)容與步驟

1)組裝萬用表

本實驗所用元件多數(shù)為插件式，按之前畫好的連線圖，將各元件插在實驗板上適當位置。先組裝電流表和電壓表，待測試完后再組裝歐姆表，并進行歐姆表的測試。

2)校驗電流表量程

按圖Ⅱ.2-10連接電路，其中標準表用萬用表代替R1用

電阻箱，起保護作用;根據(jù)被校表量程選取適當?shù)臄?shù)值，使電源E在（0~6）V范圍變化時，被校表剛能滿偏。實驗時注意電源E應(yīng)由小到大，逐漸升高E值，使被校表達到滿偏。然后在被校表量程范圍內(nèi)，等間隔地選5個點進行測試。將測試數(shù)據(jù)記入表Ⅱ.2-1中。圖Ⅱ.2-10檢驗電流表量程電路

3)校驗電壓表量程

被校表與標準表并聯(lián)后，接于穩(wěn)壓電源輸出端。調(diào)節(jié)電源電壓，比較兩個表的讀數(shù)。要求在量程范圍內(nèi)，等間隔地選5個測試點。數(shù)據(jù)表如表Ⅱ.2-1所示。

4)校驗歐姆表

組裝歐姆表內(nèi)部電源用穩(wěn)壓電源，E=3V。當置RT=1kΩ擋位時，測試電阻箱分別取值為200Ω、500Ω、1kΩ、

5kΩ和10kΩ的數(shù)值；當置RT=10kΩ擋位時，電阻箱分別取值為2kΩ、5kΩ、10kΩ、50