1.2 指針式萬用表的測量電路與工作原理

要點

指針式萬用表的測量電路包括電阻測量電路、直流電流測量電路、直流電壓測量電路和交流電壓測量電路等。初學電子技術的讀者朋友，要熟悉其電路及工作原理。

1.2.1 指針式萬用表最基本的測量原理

指針式萬用表最基本的測量原理如圖1-11所示。

指針式萬用表由表頭、電阻測量擋、電流測量擋、直流電壓測量擋和交流電壓測量擋幾個部分組成，圖1-11中“-”為黑表筆插孔，“+”為紅表筆插孔。指針式萬用表的表頭實際上是一只高靈敏度的微安表，利用串聯電阻分壓、并聯電阻分流的基本原理，讓被測電壓和一小部分電流（小于微安表的最大值）流入表頭，因此萬用表不用內接電池。

當把轉換開關SA旋到交流電壓擋時，通過二極管VD整流，倍增電阻R3限流，測量數值由磁電式表頭顯示出來，其等效電路如圖1-12所示。

當把轉換開關SA旋到直流電壓擋時，不需二極管整流，僅需降壓電阻R2，磁電式表頭即可顯示被測直流電壓值，其等效電路如圖1-13所示。

當把轉換開關SA旋到直流電流擋時，既不需二極管整流，也不需電阻R2限流，利用R0分流，磁電式表頭即可顯示被測直流電流值，其等效電路如圖1-14所示。

測電阻時將轉換開關SA撥到“Ω”擋，這時外部沒有電流通入，因此必須使用內部電池作為電源。設外接的被測電阻值為RX，表內的總電阻值為R，形成的電流為I。由RX、電池E、可調電位器RP、固定電阻R1和表頭部分組成閉合電路，形成的電流I使表頭的指針偏轉。紅表筆與電池的負極相連，通過電池的正極與電位器RP及固定電阻R1相連，經過表頭接到黑表筆與被測電阻RX形成回路，產生電流使表頭顯示，其等效電路如圖1-15所示。

回路中的電流為I＝E/（RX+R）。

從上式可知，流過萬用表表頭的電流I和被測電阻值RX不是線性關系，所以表盤上電阻擋的刻度線是不均勻的。電阻越小，回路中的電流越大，指針的擺動越大，因此電阻擋的刻度線是反向分度。

當萬用表紅、黑兩表筆直接連接時，相當于外接電阻最小RX=0，那么

I＝E/RX+R＝E/R

此時通過表頭的電流最大，表頭擺動最大，因此指針指向滿刻度處，向右偏轉最大，顯示阻值為0Ω。電阻擋的零位在表盤的右邊，其余擋的零位均在左邊。反之，當萬用表紅、黑兩表筆開路時RX趨向無窮大，表內的阻值R可以忽略不計，那么

I＝E/RX+R≈E/RX≈0

此時通過表頭的電流最小，因此指針不偏轉，顯示阻值為∞。

知識點拔

在理想情況下，萬用表的內阻應該等于零，但實際上是做不到的。由于表頭內阻的存在，電子愛好者在使用萬用表測電流時，必然有一定的電壓降；測電壓時，必然消耗一定的電流，因此會產生測量誤差。用萬用表測量電流時，表頭內阻應越小越好，為減小測量誤差，有時可選電流量程大一些的擋位；但用萬用表測量電壓時，表頭內阻應越大越好，為減小測量誤差，有時可選電壓量程大一些的擋位。

1.2.2 直流電流擋的測量電路和工作原理

指針式萬用表的直流電流擋實質上是在微安表上并聯分流電阻，以達到擴大其測量電流量程的目的。分流電阻值越小，其相應的電流量程就越大，所以配不同阻值的分流電阻，就可以得到不同的測量范圍。500型萬用表的直流電流測量電路如圖1-16所示。

在圖1-16中，R1～R6為分流電阻。5個電流擋量程分別為500mA、100mA、10mA、lmA、50μA。微安表的量程即表頭電流為40μA，表頭內阻為2.5kΩ。因為表頭還與R7、R8串聯，所以表頭實際內阻為2.5kΩ+1kΩ（R7的阻值）+1.4kΩ（R8的阻值）。其中，R8是供調整用的具有兩個獨立滑動觸頭的可變電阻器。若按R8=0.25kΩ設計，則表頭內阻為3.75kΩ，此時表頭滿偏壓降為0.1V（40μA×2.5kΩ），實際表頭滿偏壓降為0.15V（40μA×3.75kΩ）。

當轉換開關S接至50μA的觸點時，由分流電阻R1～R6構成了50μA電流擋的分流器，與表頭實際內阻3.75kΩ并聯。因為這時的分流阻值最大，所以該量程最低。

當轉換開關S接至1mA的觸點時，由分流電阻R1～R4構成了1mA電流擋的分流器，與表頭實際內阻3.75kΩ、R5、R6并聯。因為這時的分流電阻值減小，所以該量程大些。

當轉換開關S接至10mA的觸點時，由分流電阻R1～R3構成了10mA電流擋的分流器，與表頭實際內阻3.75kΩ、R4、R5、R6并聯。因為這時的分流電阻又減小，所以量程更大些。

當轉換開關S接至100mA的觸點時，由分流電阻R1、R2構成了100mA電流擋的分流器，與表頭實際內阻3.75kΩ、R3～R6并聯。因為這時的分流電阻再次減小，所以量程又大了一些。

當轉換開關S接至500mA的觸點時，由分流電阻R1構成了500mA電流擋的分流器，與表頭實際內阻3.75kΩ、R2～R6并聯。因為這時的分流電阻最小，所以電流最大，量程也最高。

由以上分析500型萬用表的直流電流測量電路的工作原理可知，萬用表擴展多量程是靠改變與表頭并聯的分流電阻值的大小來完成的，量程越低，則并聯的分流電阻值越大，電流越小。

圖1-17為MF47型萬用表擴展多量程直流電流的測量電路，它也是根據并聯電阻分流原理設計制作的。

知識要訣

電表測量直電流，工作原理要記熟，

擴程改變并電阻，量程越大并阻小。

1.2.3 直流電壓擋的測量電路和工作原理

萬用表直流電壓擋的測量電路是在微安表上串聯分壓電阻（也稱附加電阻），便可達到擴展電壓量程的目的。附加電阻的電阻值越大，電阻上的電壓降越大，所擴展的測量電壓的范圍也就越大。配不同阻值的附加電阻，就可以得到不同測量范圍多量程的直流電壓，其相應的原理電路見圖1-18。

500型萬用表有6個電壓擋量程，分別是2.5V、10V、50V、250V、500V和2500V，各電壓擋均是在40μA直流電流擋的基礎上設計的。單從直流電壓擋來看，高電壓擋共用低電壓擋的附加電阻。在圖1-18中，轉換開關S1-1旋轉在10V擋比在2.5V擋只多R11（150kΩ），而旋轉在50V擋比10V擋多R12（800kΩ），比2.5V擋多R12、R11這2只附加電阻（800kΩ+150kΩ）。也就是說，附加電阻值越大，電壓量程就越高。2500V直流電壓擋的等效電路如圖1-19所示，圖中R1～R5為低壓共用電阻，R16為高壓增加電阻。如果低壓擋的附加電阻損壞或變質，也會影響到較高的電壓擋。

MF47型萬用表擴展多量程直流電壓的測量電路也是根據串聯電阻降壓原理設計制作的，如圖1-20所示。

知識要訣

電表測量直電壓，工作原理熟悉它，

擴程只需串電阻，量程越大電阻加。

1.2.4 交流電壓擋的測量電路和工作原理

萬用表交流電壓的測量電路實質上是在直流電壓測量電路的基礎上加一個整流電路，因為表頭是直流表，所以測量交流電壓時，需加裝一個并、串式半波整流電路，將交流進行整流變成直流后再通過表頭，這樣就可以根據直流電的大小來測量交流電壓。500型萬用表的交流電壓擋測量電路如圖1-21所示。

在圖1-21中，測量交流電壓時用二極管VD2做半波整流。另一只二極管VD1并聯在輸入端起保護作用，它可以為反向電壓提供釋放回路，防止將VD2反向擊穿。不管整流二極管是哪種材料的元件，其共同的特點就是具有單向導電特性，即電流只能沿一個方向通過整流元件，該方向稱為整流元件的正方向。正方向所具有的電阻叫正向電阻。沿整流二極管另一個方向的電流是很難通過的，該方向所具有的電阻稱為反向電阻，它的阻值要比正向電阻大很多倍。通過反向的電流稱為漏電流。

圖1-22是MF47型萬用表擴展多量程交流電壓擋的測量電路。它是根據并、串式半波整流與串聯電阻降壓原理設計制作的。

知識要訣

電表測量交流壓，先將交流直流化，

整流要用二極管，單向導電全靠它，

擴程也要串電阻，量程越大電阻加。

1.2.5 電阻擋的測量電路和工作原理

指針式萬用表電阻擋的測量電路較為復雜，500型萬用表電阻擋的測量電路如圖1-23所示。由圖可見，它是在40μA直流電流擋的基礎上改裝而成的。測電阻共分5擋：R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ擋。各擋電阻中心值分別為10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ。前4擋由1.5V電池供電，R×10kΩ擋由9V疊層電池供電。

測量電阻時，在表頭上要并聯和串聯適當的電阻器，同時串聯一節電池，使電流通過被測電阻器，根據電流的大小就可測量出電阻值。改變分流電阻器的阻值，可以改變電阻的量程。500型萬用表R×1kΩ擋電阻測量電路如圖1-24所示。由圖1-24可見電池與被測電阻和R26形成一個閉合電路；電池與被測電阻和R22、R21的ab部分、R19形成另一個閉合電路；電池與被測電阻和表頭內阻、R20、R21的cb部分、R19形成測量指示的閉合電路。前兩個閉合電路均為分流電路，最后一個才是測量指示的閉合電路。

圖1-25為MF47型萬用表測量不同范圍直流電阻的實際電路。注意22.9kΩ的電阻和6.8kΩ的電位器串聯，阻值設計為30kΩ，通過計算可以得到電表內部從R×1Ω到R×10kΩ擋的等效電阻分別為22Ω、220Ω、2.2kΩ、22kΩ和220kΩ，它們是各電阻擋的中心刻度電阻值。

分析如圖1-23、圖1-24和圖1-25所示電路會發現在測量電阻時，指針式萬用表的紅表筆（正表筆）實際上接在萬用表內部電池的負極。測量電阻時，電流實際上是從萬用表的黑表筆（負表筆）經過被測電阻流向萬用表的紅表筆。

知識要訣

用表測量電阻時，表內需要裝電池，

正筆連接電池負，負筆連接電池正。

測量電路較復雜，擴程并、串電阻器，

要想改變測量程，只改分流電阻值。