第二節　萬用表

萬用表是一種具有多種用途的儀表，一般具有測量交直流電流、交直流電壓、音頻電平、電阻的功能。萬用表有指針萬用表和數字萬用表兩種類型。

一、指針萬用表

指針萬用表是由共用測量機構（亦稱表頭）的直流電流表、電壓表、交流電流表、電壓表及歐姆表組合而成的，其中部分電路是共用的。

無論是交直流電壓表、電流表、還是歐姆表，就其結構而言均由測量機構和測量電路構成，指針萬用表則增加了一個轉換開關，以根據不同的被測電量選擇不同的測量電路。指針萬用表一般采用磁電系測量機構，表盤上有相應于測量各電量的幾條標度尺。測量電路把大小不同的被測電量轉變成適合表頭測量的微電流，指針萬用表將這些測量電路結合在一起。

指針萬用表的直流電流擋實際上是一個多量限的直流電流表，一般采用帶閉路式分流器的電路。

指針萬用表的直流電壓擋實質上是一個多量限的直流電壓表，大多采用共用附加電阻的多量限直流電壓表電路。

1.指針萬用表的交流電壓擋和交流電流擋

磁電系測量機構只適于測量直流電量，若將磁電系測量機構加上交流電，因表頭的永久磁鐵的磁場方向是不變的，因此這時作用在動圈上的力矩方向將隨電流方向的改變而改變。若通入的交流電的頻率是50Hz，則每秒鐘電流的方向要變化100次，力矩的方向也將變化100次，由于表頭的活動部分具有一定的慣性，所以力矩方向迅速地改變，而指針根本就不發生偏轉。為了測量交流電量，必須在表頭上配上整流電路，把交流電轉變成直流電。

表頭活動部分的偏轉角α正比于流過表頭的整流電流的平均值Ip。因此，磁電系測量機構與整流電路構成的整流式儀表所指示的是交流電流的平均值，然而在實際應用中交流電壓或電流通常用有效值來表征，為使整流式儀表便于使用和測量，它總是按正弦情況下交流電的有效值來刻度的。

有效值與平均值之比稱為波形因數，對于不同波形的交流信號，波形因數的數值也不同。對于正弦交流電而言，全波整流時：

半波整流時：

若將整流式儀表用于非正弦交流電量的測量，必將因波形因數不同而帶來誤差。

帶有整流電路的表頭加適當的附加電阻即構成交流電壓表。為使整個測量電路較簡單，指針萬用表大多采用各量限共用附加電阻的形式。

加有整流電路的磁電系測量機構裝上適當的分流電阻，就構成了交流電流表。這同構成直流電流表原理基本一樣。同樣構成多量限交流電流表的原理也與之類同。

2.歐姆表及指針萬用表的歐姆擋

（1）歐姆表測量電阻的原理

歐姆表測量電阻的原理電路如圖1-7所示，圖中電源E為干電池，端電壓為U，電源與表頭及固定電阻R相串聯，從a、b兩個端鈕間可接入被測電阻RX。

固定電阻R是這樣選擇的，當RX=0也即a、b兩端短路時，流過表頭的電流I正好使表頭滿標度偏轉。這時流過表頭的電流I=U/（R+RC）=IC，式中RC是表頭內阻阻值，IC是表頭的滿偏轉電流。接入被測電阻RX后，工作電流I為

由上式可看出：

①當電源電壓U保持不變時，在電路中接入某一數值的被測電阻RX，電路中就有一相應的電流流過表頭，指針就會有一確定的偏轉；當被測電阻RX改變時，電流I發生變化，指針位置也會發生相應的變化，即指針的偏轉角大小與被測電阻的大小是對應的。如果表頭的標度尺預先按電阻刻度，就可以直接用來測量電阻。

②被測電阻RX越大，電路的工作電流I越小，指針偏轉也越小。當RX為無窮大時，I=0，這時表頭指針指在零位。可見當被測電阻RX在0～∞之間變化時，指針在滿標度和零位間變化，所以歐姆表的標度尺為反向刻度，這和電流、電壓表的標度尺刻度方向是不一樣的。由于工作電流I同RX間成反比例關系，所以測量電阻的標度尺的分度是不均勻的。歐姆表標度尺如圖1-8所示。

（2）零歐姆調整器

在講述測量電阻的原理時，是假定電源電壓恒定不變的。但實際上干電池的端電壓U是不能保持恒定不變的，使用久了或時間放長了，其端電壓就會下降，或者說內阻就會上升。這時當RX=0時，指針就不再滿標度偏轉。用這樣的歐姆表來測量被測電阻RX，其結果顯然是不準確的，它包含了干電池內阻的增值，給測量帶來很大的誤差。為了消除這種誤差，可在表頭的兩端并聯一個可調電阻R0，如圖1-9所示。若電池端電壓U下降，使RX=0時指針不能滿偏轉，可調節R0使之滿偏轉，指在歐姆標尺的零位，故稱R0為零歐姆調整器。

實際的歐姆表測量電路中，用得較多的是分壓式零歐姆調整器，如圖1-10所示。它與圖1-9所示零歐姆調整器不同之處是，調節R0不僅改變分流支路的參數，而且改變表頭支路的參數，顯然其調整效果更佳。且加有，限定了分流電阻的最小值。請注意，無論是圖1-9所示的零歐姆調整器，還是圖1-10所示的分壓式零歐姆調整器，它們的出發點都是在電池端電壓變化而被測電阻不變時使表頭支路的電流不變。

為了減少因電池電壓變化帶來的測量誤差，每次測量前均必須進行零歐姆調整，所以指針萬用表的零歐姆調節電位器的手柄是伸出表面的。指針萬用表歐姆擋零歐姆調整的方法是：將測試棒短接（即RX=0），調節零歐姆調節器，使指針指向歐姆標度尺的零刻度。

（3）歐姆中心的意義

在圖1-10所示加有分壓式零歐姆調整器的電阻測量電路中，工作電流I為

式中，R′為電阻R和電池內阻之和；為表頭電阻RC與零歐姆調節器支路的電阻串、并聯后的等效電阻。

當RX=0時，指針滿標度偏轉，這時工作電流I達到最大值：

當時有：

即當RX等于歐姆表的總內阻時，測量回路的工作電流I將下降一半，因并聯支路的電流是按比例分配的，所以表頭支路的電流I0也將下降一半。因此，這時指針位于滿標度偏轉的二分之一處，即指在標度尺的中心。該中心刻度值稱為歐姆中心。換言之，歐姆表的歐姆中心就是標度尺的中心刻度值，等于歐姆表的總內阻值。這就是歐姆中心的意義。

雖然歐姆表的刻度從0～∞，但實際有用的測量范圍僅僅局限在基本誤差較小的標度尺中央部分，一般對應于1/10～10倍歐姆中心值。這可通過工作電流I同RX間的關系來說明：當RX>10RZ時，工作電流I的變化范圍為

而RX處在10～1/10RZ范圍內時，電流I變化范圍近似為

顯然，對于同樣的被測電阻變化量ΔRX所引起的工作電流變化量ΔI，前者比后者要小得多。例如被測電阻RX從10RZ變化到11RZ時所引起的工作電流變化量ΔI為

而RX從RZ變化至2RZ時所引起ΔI為

雖然RX的變化量ΔRZ同為RZ，但前者所引起的ΔI很小，以至在表盤上很難分辨。

當時，工作電流I為

即在這個范圍內工作電流I已基本不隨RX的變化而變化。

I與RX的這一關系反映在標度尺上就是刻度不均勻，標尺一頭刻度很密，而另一頭刻度很疏。由此可見，通過歐姆中心值，可以知道歐姆表測量電阻的范圍。

（4）測量電阻倍率擋的擴大

在實際使用中，需要測量各種大小不同的電阻值，因而歐姆表都做成具有不同歐姆中心的多倍率歐姆表。為了共用一條標度尺，方便讀數，各歐姆擋的歐姆中心值是以10為倍率漸進的。例如，R×1擋（稱為標準擋）的歐姆中心值是12Ω，則其他各擋的歐姆中心就分別取120Ω、1200Ω……從而構成多量限歐姆表的R×10擋、R×100擋……

為了擴大歐姆表測量電阻倍率，通常采用提高測量電路靈敏度的方法，即在不提高測量電壓U的情況下，改變測量電路的分流電阻值，使表頭支路的電流I0之變化范圍不因歐姆中心值的增大而縮小。顯然這種方法是有一定限度的。圖1-11是一個多量限歐姆表的測量電路。虛線上部實際是一個多量限直流電流表，E是測量電源，而R7、R8、R9的作用則是使各擋的總內阻值等于該擋的歐姆中心值。不難看出，倍率越高，測量電路的靈敏度亦越高。若僅靠提高測量電路靈敏度難以實現更高的倍率，則可用提高測量電壓的辦法來實現。

（5）指針萬用表的歐姆擋

①MF-30型萬用表的歐姆擋

MF-30型萬用表的歐姆擋電路原理如圖1-12所示，它是以最低直流電流擋為基礎外加分流電阻和測量電源構成的，前四擋用1.5V測量電源，用逐步加大外加分流電阻的辦法來提高倍率，而第五擋（即×10k擋）選用了15V的測量電源，用提高測量電壓來提高倍率。1.7kΩ的電阻是它的零歐姆調整器。

②MF-14型萬用表的歐姆擋

圖1-13是MF-14型萬用表的電阻測量電路。該電路的前三擋選用1.5V的測量電壓，用在分流支路中選用不同的抽頭點來改變倍率，最高擋×1k擋不僅在分流支路中選用較高靈敏度的抽頭點，而且測量電壓也改用15V的電源，電阻R43是它的零歐姆調整器。

3.指針萬用表的正確使用

指針萬用表的結構形式多種多樣，表面上的旋鈕，開關布置各有差異，并且測量類型多，各類測量中量限差異又大，所以正確使用指針萬用表非常重要。

（1）測量類型選擇

測量前首先要根據被測對象，選擇好類型將開關旋至相應位置，絕不可張冠李戴，否則輕則得不到正確結果，重則燒壞指針萬用表表頭。例如用電流擋或歐姆擋來測電壓，這時因指針萬用表內阻較小，很可能流進大電流而將指針萬用表燒壞。

（2）量限選擇

應根據被測量的大致范圍選擇好量限，測量電壓、電流時，最好使指針指示在滿標度的1/2或2/3以上，這樣測量結果較準確。若不知被測量大小可先選擇大量限，然后根據測量情況，確定是否改換量限。

（3）測量連接

類型、量限選擇好后，即可進行測量。測量電壓時將指針萬用表并接在被測支路上；測量電流時應將指針萬用表串入被測支路。測量直流電量時特別要注意儀表極性，即測直流電壓時應將連接指針萬用表正極的紅色表棒接被測電路的正極，連接指針萬用表負極的黑色表棒接被測電路的負極。而測直流電流時，應讓被測電流經紅色表棒流入指針萬用表，再從黑色表棒流出。若不知被測量極性，可把量程置于最大，先將一個表棒接入電路一端而用另一個表棒去碰電路另一端，注意指針方向，若往正方向偏，說明指針萬用表接入方向正確；反之，則需對換表棒進行測量。

（4）歐姆擋的正確使用

指針萬用表歐姆擋測量電阻時必須注意下列各點：

①選擇適當的倍率，盡量使指針指示在接近歐姆中心的刻度部分。因為，被測量越接近歐姆中心，讀數越準確。例如用MF-30型萬用表測200Ω左右的電阻，應選用R×10擋，這時歐姆中心是250Ω，與之較接近。若選用R×1擋，雖也可測，但因離歐姆中心（25Ω）較遠，讀數較困難。

②測量前應先“調零”，即將兩測試棒短接，旋轉“零歐姆調整旋鈕”，使指針指在零歐姆位置。這是保證測量準確度必不可少的步驟。若靠“零歐姆調整旋鈕”無法調至零歐姆刻度，則需更換內部相應的測量電源。

③不能帶電測量電阻。若帶電測量相當于在測量回路中又增加了一外加電源，這不僅會使測量結果無效，而且可能燒壞表頭。所以測某電路的電阻時，第一步應斷開電源。

④被測電阻不能有并聯支路，否則測得的電阻值將不是被測電阻之實際阻值，而是某一等效電阻值。所以測量前應斷開所有并聯支路。除非能肯定所有并聯支路的等效電阻比被測電阻大得多，對測量影響不大。

⑤零歐姆調整要迅速，不調零時要注意不要讓測試棒短接，以免浪費干電池。

（5）正確讀數

讀數時首先應分清各類標尺，從相應的標度尺讀數，不要混淆。若表盤有反射鏡，則應待指針與反射鏡中鏡像重合時讀數，以盡量減少讀數誤差。

（6）注意操作安全

①測量時手不要與表筆金屬部分接觸。特別是測大電流、高電壓時更應注意，最好一只手拿兩個測試筆，以保證測量安全和測量準確度。

②測大電流、高電壓時，不要帶電轉動轉換開關，否則開關觸點會出現電弧，這對于指針萬用表專用的弱電開關來說是承受不了的。

③測量直流電壓疊加交流信號時，應考慮儀表轉換開關的最高耐壓值。若疊加電壓峰值很大，轉換開關印刷接觸片間絕緣會因電壓過高而擊穿。

④使用指針萬用表后，一般應將轉換開關旋至交流電壓最高擋。這樣可防止在歐姆擋時表棒短接內部測量電源——電池，更可防止下次使用時不注意看轉換開關就立即去測電壓燒壞指針萬用表。

總之，使用指針萬用表前一定要認真看懂說明書，掌握使用方法后方可動手，要細心、謹慎，切不可草率從事。

二、數字萬用表

數字萬用表同指針萬用表一樣，并且有測量直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻等多種功能。由于它具有數字式測量儀表的優越性，且因采用集成電路而輕便、靈活，所以應用越來越廣。

數字萬用表以數字式直流電壓表為基礎。測量直流電流、交流電流、電壓、電阻等其他電量靠相應轉換電路實現，其結構如圖1-14所示，它主要由A/D轉換器、計數顯示器、整流器、電阻—電壓變換器、電流—電壓變換器等部分組成。其中A/D轉換器和計數顯示器實際上就構成了一個直流數字式電壓表。

1.A/D轉換器

A/D轉換器是進行電壓、電流、電阻等數字測量的最關鍵部分，其種類繁多且采用的A/D轉換器不同，模數轉換方式不同，測量精度也就不同。一些數字式電壓表、多用表常以所用A/D轉換器的類型代表其測量方式。數字式電壓表、多用表用得較多的是二重積分式A/D轉換器，其框圖如圖1-15所示，由基準電壓Er，時鐘脈沖，模擬開關K1、K2和K3，積分器，比較器，控制邏輯電路等組成。它通過兩次積分把被測電壓變換成與其平均值成正比的平均間隔，然后對這個間隔用時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。

2.交、直流電壓的測量

（1）測量直流電壓

A/D轉換器和計數顯示電路構成最基本的數字式電壓表，其測量范圍有限，類似于指示式儀表中的表頭。要實際用于測量，還需由測量電路擴大測量范圍。數字式電壓表的測量電路由分壓器和類似射極跟隨器的輸入阻抗變換器構成。由于其輸入阻抗變換器由運算放大器構成，具有輸入阻抗很大、輸出阻抗極低的特點，所以數字式電壓表的輸入阻抗可做得很高，其阻抗就近似于分壓器的阻抗，因而其分壓器一般由高阻值電阻構成。

（2）測量交流電壓

交流電壓測量如圖1-16所示。它增加了整流電路和平均值—有效值轉換電路，即將交流電量轉變成直流電量進行測量，因數字式電壓表測得的是平均值，而常常要測量有效值，所以還需進行平均值—有效值轉換，而這只要經具有一定放大倍數K的放大器放大即能實現。例如半波整流后平均值為0.318Um，則要求K為

式中，U為有效值； 為平均值；Um為峰值。

3.電阻的測量

電阻測量是通過恒流源供電的伏安測量法，將被測電阻轉換為相應的直流電壓進行測量的，如圖1-17所示。由于采用恒流源，所以Ux與Rx存在以下線性關系：

式中，Is為恒流源輸出電流。

不難理解，適當選擇Is可使指示值同電阻值一致，選擇不同的Is可實現量程的變換。例如可選擇Is1=1mA，Is2=0.001mA兩種，但Ux均為4.5V，則它所代表的被測電阻Rx分別為

前后兩式Rx1、Rx2的值一致，均為4.5，但單位不相同。

4.交流、直流電流的測量

將電流轉換成電壓較容易，只要使電流流入分流器，在分流器上即可取得相應的電壓降，并且經改變分流電阻值即可變換電流測量量限，交流電流測量同交流電壓測量原理相似，只要增加整流器和平均值—有效值變換器即可實現。

5.顯示位數

數字萬用表的顯示位數有位、位、位、位、位、位、位、位等。它確定了數字萬用表的最大顯示量程，是數字萬用表非常重要的一種參數。

數字萬用表的顯示位數都是由1個整數和1個分數組合而成的。其中，分數中的分子表示該數字萬用表最高位所能顯示的數字；分母則是最大極限量程時最高的數字。而分數前面的整數則表示最高位后的數位。

例如：位中，整數“3”表示數字萬用表最高位后有3個整數位；中的分子“1”表示該數字萬用表最高位只能顯示從0～1的數字，故最大顯示值為±1999；分母“2”表示該數字萬用表的最大極限量程數值為2000，故最大極限量程為2000。

通常，普及型的手持式數字萬用表多為位、位、位、位、位，其他以上的大多為臺式數字萬用表。

6.數字式萬用表的使用

現以DT-830型為例，介紹數字式萬用表的使用方法。

（1）主要性能指標

①顯示：LCD（液晶FE型）最大顯示為1999或-1999，有自動調零和自動極性調整功能。

②測量類型：DCV，ACV，DCA，ACA，Ω，hFE，二極管及連續檢驗。

③輸入超限：顯示“1”或“-1”。

④測量范圍和輸入阻抗：

a.直流電壓（DCV），0.1mV～1000V，分五擋。最大允許輸入在200mV、2V和20V擋時，為1000V直流電壓或交流電壓峰值；在200V和1000V擋時，直流電壓或交流峰值電壓不能大于1100V，輸入阻抗10MΩ。

b.交流電壓（ACV），0.1mV～750V，分五擋。最大允許輸入電壓為交流有效值750V或直流750V。輸入阻抗為10MΩ，電容小于100pF。

c.直流電流（DCA），0.1μA～10A，分五擋。200mA以下各擋允許最大電壓負荷為250mV；10A擋時，允許最大電壓負荷為700mV。

d.交流電流（ACA），0.1μA～10A，分五擋。允許頻率為45～500Hz，各擋最大負荷電壓同上。

e.電阻（Ω）0.1Ω～20MΩ，分六擋。最大允許輸入250V直流電壓或交流電壓（有效值）。

f.二極管檢驗，測試電流（1±0.5）mA，提供開路電壓2.8V。

g.hFE檢驗范圍，0～1000，提供Uce=2.8V，Ib=10μA，有PNP、NPN兩擋。

h.通過蜂鳴器進行連續檢驗，分辨率0.1Ω，測試電阻小于20Ω，最大開路電壓1.55V，最大測試電流1mA。

（2）面板布置

圖1-18為DT-830型數字式萬用表面板圖。

①選擇開關，具有選擇測量方式和量限的功能。測量方式共有8種選擇，分別為DCV、ACV、DCA、ACA、Ω、hFE、二極管檢驗、連續檢驗。

②輸入插孔有四個，用什么插孔測量需根據所選測量類型、量限而定。

a.黑色測筆始終插入“COM”插孔。

b.測DCV、ACV、Ω、二極管和連續檢驗蜂鳴器時，紅色測筆插入“V-Ω”插孔。

c.測量DCA、ACA量限在200mA及以下時，紅色測筆插入“mA”孔。

d.測量DCA、ACA量程需選擇10A擋時，紅色測筆應插入“10A”擋。

③hFE插孔用于連接晶體管管腳。基極、集電極分別插入“B”和“C”孔，發射極接到“E”插孔之一。

④電源開關，置“ON”位置時，工作電源接通。

⑤顯示，LCD屏顯示數、小數點、“—”號及低電壓提醒等符號。

（3）測量方式

①測量直流電壓

a.量限開關選擇所需“DCV”擋位。不知大致范圍時選擇最高擋位。

b.黑色測筆插入“COM”插孔；紅色測筆插入“V—Ω”插孔。

c.電源開關扳至“ON”。

d.測試筆接至測試點，讀數即現。位數少時可調小量限。

②測量交流電壓

選擇開關扳至所需“ACV”擋位，其他步驟同上。

③測量直流電流

a.量限開關扳至所需“DCV”位置，不知大致范圍時放在最高量限。

b.黑色測筆插入“COM”插孔。

c.紅色測筆在200mA以下各擋時，放“mA”插孔；10A擋時，應放“10A”插孔。

d.打開電源開關。

e.測筆接至測量點，即可現讀數。

④測量交流電流

將選擇開關置于所需“ACA”位置，其余測試步驟同DCA測量。

⑤電阻測量

a.量限開關置于要求的“Ω”擋位置。

b.黑色測筆接“COM”孔，紅色測筆接“V—Ω”孔。

c.接通電源，測試筆接至測試點，即可現讀數。若位數少可適當調小擋位。

⑥二極管檢驗

a.量程開關置“二極管”，表棒按“Ω”擋連接。

b.紅色測筆接二極管正極，黑色測筆接負極，測其正向特性。這時液晶顯示二極管正向壓降，顯示值一般為500～800mV。若顯示“000”說明短路了，顯示“1”說明開路。

c.若用紅色測筆接二極管負極，黑色測筆接正極，可測二極管反向特性。好的顯示“1”；損壞的顯示“000”或其他值。

⑦hFE測量

a.根據三極管類型將量限開關置于“PNP”位或“NPN”位。

b.接通電源。

c.晶體管按其管腳極性插入hFE插口。

d.液晶顯示晶體管hFE值。

⑧用表內蜂鳴器進行連續檢查

a.量程開關置“蜂鳴器”位。

b.表棒按測電阻法連接。

c.電源接通，測試筆接至被測電路，若被測電路電阻在20Ω以下，表內蜂鳴器發聲，表示電路導通。