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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1.00mA；（2）以自制的 1.00mA 电流表为基础的直流电压档：量程 2.50V。（ 3）以自制的 1.00mA 电流表为基础的交流电压档：量程 10.00V。(4）以自制的 1.00mA 电流表为基础的电阻档（100）电源使用 1.5V 电池。
2、3给出将 100 电阻档改造为 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，.RgIgAR1R2R4R3从 而 指 示 出 被 测 量 值mAVV+RgIg图 1AR1R210 1001+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? ? 倍。R
3、gIgAR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?= ? + ? = ?(?+ ?) = ?(?+)?可知，串联一大小为R 的电阻，电表的量程变为原来的?(?+) 倍。?RRgIgA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串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。?= ? ?(
4、?)? ?.?有效?当外电路交流电压有效值为 10V 时，内电路直流电压为 4.5V。考虑到二极管自身的电势降 0.6/2=0.3V，加在表头上的电压为4.2V。RgIgA图 1-34、电阻挡原理如图 1-4，当两表笔短接时，调节 R2 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?.? =-?由公式易知电阻与电流非线性变化，所以表盘刻度不均匀，当 ?=? + ? 时，电流表半偏，称其为中值电阻。? ?电AS2R2S1图 1-4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。
5、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=?I11 .(1)+R ? ?.G?(a)由公式（ 1）可以求得?R?的理论值是 ? = ? ?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=I? +? .(2)?其电路图如图（ b）G?(b)?-? R则由式（ 2）可求得分压电阻的理论值是? =? ?.三
6、：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零，故而电阻档须有调零电阻。电阻档电路图如图（ d）G?21.(d)实验内容一：制作可调电压的直流电源二：制作量程 1.00mA 直流电流表并校验三：制作量程 2.50V 的直流电压表并校验四：制作量程 10.0V 交流电压表并校验五：制作 100 挡的欧姆表并校验六：将 100 电阻档改造为 1
7、0 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R.测量得最大输出电压 ? 为V?二：制作量程1.00mA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GA?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、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1.00mA 时方可进行校准三：制作量程2.50V 的直流电压表并校验
8、1 设计和制作：在 1mA 电流表的基础上组装2.50V 的电压表按图（ b）组装电路?-? R? ?可得 ? =?按下图进行分刻度校验.?GVR2 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2.5V 时方可进行校准四：制作量程10.0V 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是：在一个周期的时间内，交流电流通过电阻
9、R产生的热量与稳恒电流通过同一个电阻 产生的热量相等或者说，就电流通过电阻产生的热量说， （变化）与 （稳定）等效类似地，交流电压、交流电动势的有效值定义为：.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，由定义得：=即正弦交流电的有效值等于最大值被除对正弦交流电，由定义得：=0637Im正弦交流电的有效值与平均值之比为：经过半波整流后=*0.45.2 设计和制作由于整流后的电流是平均值， 则有 ? =0.45?并且考虑到二极管均有效的降压作用降压 0.3 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 4.2 v 直
10、流电压作用下的偏转角。?则有 ? = -? =?串?用如下电路图进行校验G?串?V3 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：（ 3）二极管正向压降 0.6 伏则U ab2 U 0.62（4）计算 R.（5）注意校准电路中电源接法：电压要可调五：制作 100 挡的欧姆表并校验按图（ d）组装电路即为 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1.5 伏电池，计算时取1.3 伏（2） R1 取最大值（3）校准：用电阻箱进行校准， 将其作为被测电 R
11、X 接入电路； 当 RX=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RX 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=0.949kIg=500 AR 串理 =0.9454kR 串实 =200（调零电阻）+0.760 k（电阻箱）=960格数100160240300380460500I 测（ mA） 0.2000.3200.4800.6000.7600.9201.000I 标（ mA） 0.20
12、60.3920.4950.6220.7600.9101.000I 差 (mA)-0.06-0.072-0.015-0.0220.0000.0100.000表 -1 直流电流表测量值于是得到校准曲线.0.0200100200300400500600-0.02I差-0.04-0.06-0.08I差 (mA)格数2 制作 2.5V 直流电压表R 串理 =2.0kR 串实 =1900格数100140200260340400500v 测（ v）0.500.701.001.301.702.002.50v 标（ v）0.490.711.021.311.702.02.51v 差 (v)0.01-0.01-0.
13、02-0.010.000.00-0.01表 -2 直流电流表误差值于是得到校准曲线.0.0150.010.005)0v0100200300400500600(差-0.005v差 (v)v-0.01-0.015-0.02-0.025格数3。 10V 交流电压表R 实 =2980格数0100200300400500V 测（ v） 02.004.006.008.0010.00V 标（ v） 02.514.306.277.9710.00V 差（ v） 0-0.51-0.30-0.270.030.00表 3 电压表电压测量值于是得到交流电压表的校准曲线0.10-0.1010020030040050060
14、0）v-0.2（差 -0.3V差（ v）V-0.4-0.5-0.6格数.4 组装欧姆表R理 =1300-960/2=820电流计格数500400300250200100理论值电阻 / 0330840118018805100表 -4欧姆表测量值60005000/4000阻电3000值论2000理论值电阻 / 理100000100200300400500600电流计格数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 1.3V，R5=820，若改装成 X10 挡时，当电流表表头指针半偏时，接入测量电阻 Rx 应该为 118.0 ，由电路拓扑结构知道，此时应该给原来测量端
15、口并联一电阻， 设为 R6。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：R6 Rx= RxRx + R6将半偏值代入得 R6=131.11，于是得到当并联一个这样的电阻的时候能够达到 X10 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
16、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)：27-28. 1.11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
17、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意。在实验过程中，第一、二个步骤做的比较顺利，对实验的原理和操作流程有清晰地认识，通过计算和实际操作得到了正确的实验数据。但在做第三个实验时候却出现了许多失误，首先是电路的设计错误，经老师的指导改正后，又出现电表指针反偏现象，于是又通过改变二极管的连接方向得以改正。实验的操作过程是十分锻炼人的，它考验的是对知识的理解程度以及把知识带到.实际中解决问题的能力。试验中需要耐心和认真的态度，不能急于求成。遇到问题时更要耐心的检查电路。总之，认真去做就会有收获。.