万用表的原理和使用.ppt

1 万用表的原理与使用 2 学习目的 理解模拟式万用表的基本结构 表头 测量电路和转换开关 理解模拟式万用表的工作原理 直流电流测量原理 直流电压测量原理 交流电压测量原理 电阻测量原理 电平测量原理 掌握万用表的使用方法 了解使用的注意事项 掌握电阻 电容 电感 晶体二极管 稳压管 晶体三极管 运放 交流电源的测试方法 了解万用表常见故障产生的原因 3 学习内容 1 1模拟万用表的结构 1 2模拟万用表的工作原理 1 3模拟万用表的使用 4 万用表又称为多用表或复用表 一般用来测量直流电流 直流电压 交流电压 电平 还可以用来测量电阻 电容 电感 二极管 三极管 运放及其他器件的参数 5 1 1模拟万用表的结构万用表的面板上有带有多条标度尺的标度盘 带转换开关的旋钮 调零旋钮和接线柱等 6 1 1模拟万用表的结构万用表主要由表头 指示部分 测量电路 转换开关等三部分组成 7 1 表头表头用以指示被测量的值 万用表的表头一般都采用灵敏度高 准确度好的磁电式直流微安表 表头的基本参数包括表头内阻 灵敏度和直线性 内阻指动圈所绕漆包线的直流电阻 严格讲还应包括上下两盘游丝的直流电阻 内阻高的万用表性能好 多数万用表表头内阻在几千欧姆左右 灵敏度指表头指针达到满刻度偏转时的电流值 数值越小 灵敏度越高 表头特性就越好 通常灵敏度只有几微安到几百微安 表头直线性是指表针偏转幅度与通过表头电流强度幅度是相互一致的 8 9 10 2 测量线路测量线路用以将各种被测量转换成适合表头测量的微小直流电流 万用表的测量电路实质上就是多量限的直流电压表 多量限的直流电压表 多量限的整流式直流电压表以及多量限的欧姆表的组合 11 12 3 转换开关转换开关用以对不同测量线路进行选择以适应各种测量项目和量限的要求 转换开关是由固定触点和活动触点两大部分组成 通常将活动触点称为 刀 固定触点称为 掷 13 万用表的转换开关是多刀多掷的 而且各刀之间是联动的 当转换开关转到某一位置时 可动触点就和某个固定触点闭合 从而接通相应的测量电路 14 4 万用表的符号 15 16 1 2模拟万用表的原理1 直流电流测量原理万用表的直流电流测量电路实际上是一个多量程的直流电流表 有开路个别转换式和闭路抽头转换式分流电路 17 1 开路个别转换式 分流系数分路电阻值 18 优点 各档分流电阻分别调整 不影响其他各档阻值 缺点 1 转换开关的接触电阻会引起小电流档较大误差 2 接触开关接触不良 会烧毁表头 3 各档位的阻尼时间不同 会引起误差 19 2 闭路抽头转换式各分流电阻彼此串联 然后再与表头并联 从而形成一个闭合回路 当转换开关K换到不同位置时 可以改变分流电路值 达到变化量程的目的 Im1 Im2 Im3 20 直流电流档分流电阻的确定 第三步确定各原件的数值 第二步确定各原件的数值 第一步确定总分流电阻 21 使用40 6 A的表头 内阻为3 25K 用闭路抽头转换式分流器将其组装成一个量限为50 A 500 A 5mA 50mA 500mA的直流电流档 试确定其各分流电阻 22 23 24 结论 任一档电流限和该档电阻的乘积为常数 等于 I0 RFL R 0 该值称为测量直流电流时的最大压降 25 26 2 直流电压测量原理电压档是采用指针式的磁电式电流表作为指示器的 万用表的直流电压档实际上是一个多量程的直流电压表 通过电流表的电流大小 表现为指针偏转的角度 与被测电压成正比 并在电流表上直接读出电压值刻度 有单独配用附加电阻和共用附加电阻两种 27 1 单独配用附加电阻 28 1 单独配用附加电阻优点 不同电压档用不同的附加电阻 互不影响 缺点 体积大 造价高 29 2 共用附加电阻 30 2 共用附加电阻优点 可以节省绕线 降低造价可以减小体积缺点 附加电阻变质或损坏时 会影响高电压档的测量 31 3 交流电压测量原理磁电式电流表只能测量直流信号 因此测量交流电压时需要在指示器前加检波器将其转换成直流电压来测量 并可提高仪器的输入电阻 降低输出电阻 万用表的测量装置为直流微安表头 以致测量交流电压时 必须引入整流元件 构成整流系的交流电压表 分为半波整流和全波整流两种 其中多用半波整流方式 32 图中D2做半波整流用 当交流电压正半周时 D2导通 于是在表头和分流电阻R上产生整流电流 使表针偏转 D1为反向保护二极管 起到保护D2的作用 人们习惯以有效值来量度交流电压 因此万用表度盘上的刻度也是以有效值来表示的 对于全波整流kf 1 11 对于半波整流kf 2 22 33 1 整流原理由于被测电压的大小 频段及精度要求不同 检波器在电压表中所处的位置也不一样 从而形成了不同的交流电压测量方案 分别是放大 检波式 检波 放大式 34 2 放大 检波式放大 检波式电子电压表是将被测交流电压先经宽带放大器放大 提高测量灵敏度 再进行检波 检波器进行的是大信号检波 避免了因检波器的非线性产生的失真 又因在放大器之前有阻抗变换器 输入阻抗较高 减小了对被测电路的影响 但因宽带放大器在检波器之前 被测信号的频率受到宽带放大器带宽的限制 灵敏度受宽带放大器内部噪声的限制 其通频带一般为2Hz 10MHz 测量最小幅值为几百微伏或几毫伏 一般称为低频毫伏表 35 2 放大 检波式 36 放大 检波式电子电压表主要用于均值电压表 即先放大被测交流信号的电压 然后再检波将交流转化为直流驱动电流表 其检波后的直流输出正比与检波器的输入电压的平均值 检波器一般都采用二极管全波或半波整流电路 为了使指针稳定 在表头两端跨接滤波电容 滤去检波器输出电流中的交流成分 37 图5 18 a 为全波平均值检波电路 图5 18 b 为半波平均值检波电路 38 图5 18 a 为全波平均值检波电路 图5 18 b 为半波平均值检波电路 图5 18 c 图5 18 d 为它们的变形 39 以图5 18 a 为例 分析均值检波器的工作原理 检波器输出端A B之间的电压波形是全波整流波形 A B支路的直流分量流过表头 交流分量由C旁路 所以流过表头的就是A B支路的平均电流 被测信号电压Ux加到输入端 在正弦波的正半周 VD1 VD4导通 VD2 VD3截止 在正弦波的负半周 VD2 VD3导通 VD1 VD4截止 电路进行全波整流 整流后的单向导电电流通过微安表表头 设输入电压为Ux t VD1 VD4具有相同的正向电阻 d和反向电阻 r 微安表表头内阻为rm 则正向平均电流为 40 反向平均电流为流过微安表的电流为一般Rd为 rm为 k k r k k 所以上式可简化为由上式可以看出 流过表头的电流值正比与检波器输入电压的平均值 而与其波形无关 41 2 定度系数在放大 检波式电子电压表中 检波器对被测电压的平均值产生响应 即放大 检波式电子电压表的指针偏转正比于被测电压的平均值 但是 除特殊需要 例如 脉冲电压表 外 仪表的刻度盘均是按正弦电压的有效值来刻度的 也就是说 在电压表的额定工作频率范围内加正弦交流电压时的指示值就是正弦电压的有效值且正比于被测电压的平均值 即 42 式中 U 电压表读数 Uw 电压表所刻的正弦电压有效值 被测电压平均值 KF 正弦电压的波形因数 由此可知 只有测量正弦波电压时 从均值电压表上读得的读数才是它的有效值 才有实际意义 而当测量非正弦波电压时 示值没有直接物理意义 必须将示值经过换算 才能测出被测电压的有效值 波形换算方法是 当测量任意波形电压时 将从电压表刻度盘上读得的示值先除以波形因数KF 折算成正弦电压的平均值 然后再按照 平均值相等则读数相等 的原则 用被测波形的波形因数换算出被测的非正弦电压的有效值 43 例5 1用均值电压表分别测量正弦波 方波及三角波 电压表均指在10V处 问被测电压的平均值 有效值 峰值各是多少 解 对于正弦波 示值就是其有效值 44 按照示值相等则平均值也相等的原则 所以方波和三角波的平均值也都是9V 即可得 对于方波 因其KF与KP均为1V 所以方波的均值 有效值 峰值均是9V 对于三角波 因为它的KF 1 15 KP 1 73所以可得 45 3 检波 放大式检波 放大式电子电压表是将被测交流电压先检波变为直流电压 然后再经直流放大器放大 用放大后的直流电流去驱动磁电式电流表指针的偏转 此类电压表的频率范围主要取决于检波器的频率响应 一般在20Hz至数百兆赫兹 可用于测量高频电压或超高频电压 其框图如图5 19所示 46 若被测电压UX t 的周期为T 检波二极管的正向电阻为Rd 则上述电路必须满足下列条件才能作为峰值检波器 充电时间常数 被测信号的最小周期 即RdC Tmin 放电时间常数 被测信号的最大周期 即RC Tmax 47 1 串联电路的工作原理在被测电压UX t 的正半周 经VD向C充电 因RdC Tmin 故C两端的电压很快上升到UX t 的峰值UP 当从正半周峰值下降到UCmax UP时 C通过电阻R放电 因RC Tmax 所以放电非常缓慢 UC在一个周期T内下降很少 当下一个周期的正半周电压大于UCmin时 VD又导通 很快又将C上的电压充至UCmax UP 这样在C的两端保持了接近于UP的电压 其平均值为 同时形成了二极管VD的反向偏压 使VD工作于丙类状态 48 电容C充放电的波形图 49 2 定度系数检波 放大式电压表的检波器输出的是峰值响应 即经过峰值检波器的直流电压是正比于被测电压的峰值的 而一般情况下 磁电式电流表的读数刻度是按正弦有效值来定度的 即电压表的读数正比于被测正弦信号的有效值 所以 采用峰值检波器的电压表进行刻度时 应通过波峰因数进行变换 50 3 外差式电子电压表前面所讲的检波 放大式和放大 检波式两种电压表 其频率响应和灵敏度之间存在着相互矛盾 很难兼顾 而外差式电子电压表则可以很好的解决此问题 外差式电子电压表的框图见图5 22 被测电压经包括输入衰减器及高频放大器在内的输入电路 在混频器中与本机振荡器频率fl混频 输出频率为fl fX的中频信号由中频放大器放大 然后经检波 再由表头指示 51 3 外差式电子电压表 52 4 热电耦变换式电子电压表热电耦变换式电子电压表是有效值电压表的一种类型 它是根据热电现象和热电耦原理 利用热电耦的热电变换功能可以将被测交流电压的有效值转换成直流电流 根据热电现象和热电耦原理 利用热电耦的热电变换来将被测交流电压的有效值转换成直流电流 53 5 交流电压的基本参数交流电压的峰值 平均值和有效值是交流电压的基本参数 交流电压的幅度特性可用峰值 有效值和平均值基本参数以及与基本参数相关的波形因数KF 波峰因数KP等参数来表征 1 峰值2 平均值3 有效值 54 为了表征同一信号的峰值 平均值和有效值之间的关系 引入波形因数KF和波峰因数Kp 1 波形因数KF波形因数KF是该电压的有效值与其平均值之比 即 2 波峰因数KP波峰因数KP是该电压的峰值与其有效值之比 即 55 56 6 交流电压档的实现 一是测量交 直流电压时 共用一套附加电阻 并在表盘上各画一条刻度线 不过电压数值相差较远 两条刻度线都要标上电压数值 二是各用一套附加电阻 这样交 直流电压刻度就可以用同一刻度线 整流式仪表准确度不高 尤其是测较低电压时 此时采用单独的标度尺 而不与测直流电压的标度尺共用 57 4 电阻测量原理 电阻测量原理 Rx 0时 Rx 0时 E R为定值时 针对不同的Rx 就有不同的偏转角度与之对应 是非线性关系 58 5 电平测量原理电平的测量实际上是变换成电压的测量实现的 因此工作原理与交流电压的测量相同 分贝的定位是以600 负载电阻上 得到功率1mW 压降0 775V 定为零分贝的 表盘上的分贝刻度 是以10V交流电压档经换算而标出的 在这一档上 可以直接读出音频电平的分贝数 即有 dB 20lg U2 U1 其中 U1是0dB电压的有效值 即0 775V U2是输入交流电压有效值 59 1 3模拟万用表的使用1 模拟万用表的使用注意事项从以下角度分析 种类量程极性连接电路误差安全 人身安全 仪器安全和待测元件及系统的安全 60 1 3模拟万用表的使用1 万用表的使用注意事项使用 1 使用万用表之前 必须熟悉万用表的使用方法 测量原理 待测量种类和量程 核对转换开关 插孔是否正确 2 万用表使用时必须水平放置 使用前 先将机械调零 3 测量完毕 将量程选择开关拨到最高档位置 防止下次测量时不慎将表烧坏 61 保存 1 长期不使用的万用表 应将电池取出 避免电池存放过久而变质漏液 损坏电路板 2 测量有感抗的电路中的电压时 必须在切断电源前先把万用表断开 防止由于自感现象产生的高压损坏电压表 62 电流测量 1 应将万用表串到被测电路中 测量直流电流还应注意极性 表笔接反 表针会反打 容易把表针打弯 2 若电源内阻和负载电阻都很小 应尽量选择较大的电流量程 以降低万用表内阻 减小对被测电路工作状态的影响 63 电压测量 1 将万用表并联在电路两端 注意正负极性 2 用直流电压档测交流电压 表针不动或微动 用交流电压档测直流电压 读数可能为0或偏高 3 选取的电压量程应尽量使指针偏转到满刻度的1 2到1 3处 64 电压测量 4 严禁在高压或大电流时拨动转换开关 以免产生电弧 烧坏转换开关接触点 5 被测电压高于100V时应养成单手操作的习惯 测高压时应采用高绝缘性的表笔 65 电压测量 6 测高内阻电源的电压时 应尽量选较大的电压量程 因量程越大 内阻也越高 虽然读数小 但更准确 7 测高频信号时 误差很大 由于整流元件的非线性 万用表测1V以下的交流电压的误差也很大 不能测毫伏级信号 8 只适宜测音频电平 9 不能直接测方波 矩形波 锯齿波等非正弦电压 10 测量有感抗的电路中的电压时 必须在切断电源前先把万用表断开 防止由于自感现象产生的高压损坏电压表 66 电阻测量 1 严禁在带电情况下测量电阻 2 每次变换电阻档应重新调整欧姆零点 3 测高阻电阻时 不要用双手捏著两只表笔的金属端 以免引入人体电阻 4 测量极性器件 应注意表笔极性 5 不同的档位非线性元件的测量值不同 6 R 10K的电压较高 不宜检查低耐压值元件 7 不能用电阻档测量较小的内阻 以免烧毁动圈或打弯表针 8 在线测量应注意断开与之相连的部分 67 接地 正确地选择电压表的连接方式和接地点 对于电压测量来说具有重要的意义 接线不正确往往在测量时破坏被测电路的工作状态 甚至会造成仪器的损坏 使用电压表时应当注意将电压表的高端和低端与被测电压源的高端和低端对应连接 并且应先接好地线或低端连线 否则 由于机壳与大地之间分布电容会对被测电路形成附加分路 得出不正确的测量结果 68 例 测量晶体管电极谐振回路的谐振电压的连接方法 69 2 模拟万用表的实际应用电阻的测量 带电测量与不带电测量 在线测量与离线测量 人体电阻的影响 70 71 72 73 2 模拟万用表的实际应用判断电解电容器的正负极 电解电容器属于有极性元件 在电路中不允许反接 将万用表拨到R 1K档 用交换表笔的办法分别测正 反向漏电电阻 最后以漏电电阻较大的一次为准 此时 负笔接的是电解电容正极 正笔接的是负极 判断理由 电解电容器的正向漏电电阻大于反向漏电电阻 74 2 电容器的质量判别 75 2 电容器的质量判别 1 对于容量大于5100pF的电容器 可用万用表R 10k挡 R 1k挡测量电容器的两引线 正常情况下 表针先向R为零的方向摆去 然后向R 方向退回 充电 如果退不到 而停在某一数值上 指针稳定后的阻值就是电容器的绝缘电阻 也称漏电电阻 一般的电容器绝缘电阻在几十兆欧以上 电解电容器在几兆欧以上 若所测电容器绝缘电阻小于上述值 则表示电容器漏电 绝缘电阻越小 漏电越严重 若绝缘电阻为零 则表明电容器已击穿短路 若表针不动 则表明电容器内部开路 76 2 电容器的质量判别 2 对于容量小于5l00PF的电容 由于充电时间很短 充电电流很小 即使用万用表的高阻值挡测也看不出表针摆动 所以 可以借助一个NPN型的三极管 100 ICEO越小越好 的放大作用来测量 测量方法如图1 9所示 电容器接到A B两端 由于晶体管的放大作用就可以看到表针摆动 判断好坏同上所述 77 测量小电容器的容量 阻容分压法 适于用模拟万用表测10 1000pF的小电容 78 79 测量电感量 利用图解法避免了数学运算 测量过程 80 二极管的判断 81 若测出的电阻值为几百欧到几千欧 说明是正向电阻 此时负笔接正极 正笔接负极 若测出的电阻值为几十千欧到几百千欧 说明是反向电阻 此时负笔接负极 正笔接正极 由于硅锗二极管的正向压降不同 硅管为0 5 0 7V 锗管为0 1 0 3V 故用万用表测量二极管两端的管压降 如为0 5 0 7V 即为硅管 如为0 1 0 3V 即为锗管 82 区别半导体稳压管与晶体二极管 将万用表拨到R 1K档 利用表内电池电压将管子反向击穿 另用一块万用表测量反向击穿电压 根据反向击穿电压的高低区分 判断理由 普通二极管的反向击穿电压较高 一般在40V以上 有的甚至达到几百伏 稳压管的反向击穿电压较低 约几伏到十几伏 83 判断晶体三极管的电极 判定基极b 判定PNP或NPN 判定发射极e和集电极c 84 估测晶体三极管的放大能力 测量过程 用舌尖舔基极时 若表针偏转很小 说明被测管的放大能力很低 若表针不动 说明已无放大能力 不同的人去测量同一管子时 表针的偏转角度也会不同 85 判断晶体管的工作状态 测量集电极 发射极电压Uce 测量集电极电流Ic 测量基极 发射极电压Ube 86 估测集成运算放大器的放大能力 1 测量过程 先测截止电压 再测饱和电压2 判断理由 截至状态和饱和状态 87 三表法 测小内阻情况 88 三表法 测大内阻情况 89 其它常用的测量 1 热敏电阻 压敏电阻 光敏电阻 力敏电阻等2 发光二极管 数码管等光电元件3 晶闸管4 传感器5 扬声器 话筒等6 偏转线圈7 开关 按钮 固态继电器等8 蓄电池 太阳能电池等9 稳压器10