万用表 (电力电子部门测量仪表)

转载 科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目  2019-10-07 16:34  阅读 1,681,485 次 评论 0 条
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万用表又称为复用表、多用表、三用表、繁用表等,是电力电子等部门不可缺少的测量仪表,一般以测量电压、电流和电阻为主要目的。万用表按显示方式分为指针万用表和数字万用表。是一种多功能、多量程的测量仪表,一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等,有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数(如β)等。

基本释义

万用表是一种带有整流器的、可以测量交、直流电流、电压及电阻等多种电学参量的磁电式仪表。对于每一种电学量,一般都有几个量程。又称多用电表或简称多用表。万用表是由磁电系电流表(表头),测量电路和选择开关等组成的。通过选择开关的变换,可方便地对多种电学参量进行测量。其电路计算的主要依据是闭合电路欧姆定律。万用表种类很多,使用时应根据不同的要求进行选择。 [1]

万用表基本功用

万用表不仅可以用来测量被测量物体的电阻 万用表(图1) 交直流电压还可以测量直流电压。甚至有的万用表还可以测量晶体管的主要参数以及电容器的电容量等。充分熟练掌握万用表的使用方法是电子技术的最基本技能之一。常见的万用表有指针式万用表和数字式万用表。指针式多用表是一表头为核心部件的多功能测量仪表,测量值由表头指针指示读取。数字式万用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示,读取方便,有些还带有语音提示功能。万用表是公用一个表头,集电压表、电流表和欧姆表于一体的仪表。万用表的直流电流档是多量程的直流电压表。表头并联闭路式分压电阻即可扩大其电压量程。万用表的直流电压档是多量程的直流电压表。表头串联分压电阻即可扩大其电压量程。分压电阻不同,相应的量程也不同。万用表的表头为磁电系测量机构,它只能通过直流,利用二极管将交流变为直流,从而实现交流电的测量。

万用表结构组成

万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。 万用表(图2) 万用表是电子测试领域最基本的工具,也是一种使用广泛的测试仪器。万用表又叫多用表、三用表(A,V,Ω也即电流,电压,电阻三用)、复用表、万能表,万用表分为指针式万用表和数字万用表,还有一种带示波器功能的示波万用表,是一种多功能、多量程的测量仪表。一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等,有的还可以测交流电流、电容量、电感量、温度及半导体(二极管、三极管)的一些参数。数字式万用表已成为主流,已经取代模拟式仪表。与模拟式仪表相比,数字式仪表灵敏度高,精确度高,显示清晰,过载能力强,便于携带,使用也更方便简单。表头万用表的表头是灵敏电流计。表头上的表盘印有多种符号,刻度线和数值。符号A一V一Ω表示这只电表是可以测量电流、电压和电阻的多用表。表盘上印有多条刻度线,其中右端标有“Ω”的是电阻刻度线,其右端为零,左端为∞,刻度值分布是不均匀的。符号“-”或“DC”表示直流,“~”或“AC”表示交流,“~”表示交流和直流共用的刻度线。刻度线下的几行数字是与选择开关的不同档位相对应的刻度值。表头上还设有机械零位调整旋钮,用以校正指针在左端零位。选择开关万用表的选择开关是一个多档位的旋转开关。用来选择测量项目和量程。 万用表(图3) 一般的万用表测量项目包括:“mA”;直流电流、“V(-)":直流电压、“V(~)”:交流电压、“Ω”:电阻。每个测量项目又划分为几个不同的量程以供选择。表笔和表笔插孔表笔分为红、黑二只。使用时应将红色表笔插入标有“+”号的插孔,黑色表笔插入标有“”号的插孔。表头(指针式)它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表,万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值,这个值越小,表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大,其性能就越好。表头上有四条刻度线,它们的功能如下:第一条(从上到下)标有R或Ω,指示的是电阻值,转换开关在欧姆挡时,即读此条刻度线。第二条标有∽和VA,指示的是交、直流电压和直流电流值,当转换开关在交、直流电压或直流电流挡,量程在除交流10V以外的其它位置时,即读此条刻度线。第三条标有10V,指示的是10V的交流电压值,当转换开关在交、直流电压挡,量程在交流10V时,即读此条刻度线。第四条标有dB,指示的是音频电平表头(数字式)数字万用表的表头一般由一只A/D(模拟/数字)转换芯片+外围元件+液晶显示器组成, 万用表(图4) 万用表的精度受表头的影响,万用表由于A/D芯片转换出来的数字,一般也称为3 1/2位数字万用表,4 1/2位数字万用表等等。最常用的芯片是ICL7106(3位半LCD手动量程经典芯片,后续版本为7106A,7106B,7206,7240等等),ICL7129(4位半LCD手动量程经典芯片),ICL7107(3位半LED手动量程经典芯片)。测量线路测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路,它由电阻、半导体元件及电池组成它能将各种不同的被测量(如电流电压电阻等)、不同的量程,经过一系列的处理(如整流、分流、分压等)统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。转换开关其作用是用来选择各种不同的测量线路,以满足不同种类和不同量程的测量要求。转换开关一般是一个圆形拨盘,在其周围分别标有功能和量程。

万用表工作原理

万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表(微安表)做表头。 万用表(图5) 当微小电流通过表头,就会有电流指示。但表头不能通过大电流,所以,必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压,从而测出电路中的电流、电压和电阻。

万用表设计原理

数字万用表的测量过程由转换电路将被测量转换成直流电压信号, 万用表(图6) 再由模/数(A/D)转换器将电压模拟量转换成数字量,然后通过电子计数器计数,最后把测量结果用数字直接显示在显示屏上。万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路部分实现的,而电流、电阻的测量都是基于电压的测量,也就是说数字万用表是在数字直流电压表的基础上扩展而成的。数字直流电压表A/D转换器将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量,再由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果,再由译码显示电路将测量结果显示出来。逻辑控制电路控制电路的协调工作,在时钟的作用下按顺序完成整个测量过程。

万用表数字万用表

数字万用表是目前最常用的一种数字仪表。其主要特点是准确度高、 万用表(图7) 分辨率强、测试功能完善、测量速度快、显示直观、过滤能力强、耗电省,便于携带。进入 90 年代以来,数字万用表在我国获得迅速普及与广泛使用,已成为现代电子测量与维修工作的必备仪表,并正在逐步取代传统的模拟式(即指针式)万用表。数字万用表亦称为数字多用表(DMM),其种类繁多,型号各异。每个电子工作者都希望有一块较理想的数字万用表。选择数字万用表的原则很多,有时甚至会因人而异。但对于手持式(袖珍式)数字万用表而言,大致应具备以下特点:显示清晰,准确度高,分辨力强,测试范围宽,测试功能齐全,抗干扰能力强,保护电路比较完善,外形美观、大方、操作简便、灵活、可靠性好,功耗较低,便于携带、价格适中等等。数字万用表的主要指标、显示位数及显示特点数字万用表的显示位数通常为3 1/2位~8 1/2位。判定数字仪表的显示位数有两条原则:其一是,能显示从0-9中所有数字的位数是整位数;其二是,分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子,用满量程时计数值为2000 ,这表明该仪表有3个整数位,而分数位的分子是1,分母是2,故称之为3 1/2位,读作“三位半”,其最高位只能显示 0 或1(0 通常不显示)。3 2/3位(读作“三又三分之二位”)数字万用表的最高位只能显示0~2的数字,故最大显示值为±2999。在同样情况下,它要比3 1/2位的数字万用表的量限高50%,尤其在测量380V 的交流电压是很有价值。普及型数字万用表一般属于3 1/2位显示的手持式万用表,4 1/2,5 1/2 万用表(图8) 位(6位以下)数字万用表分为手持式、台式两种。6 1/2位以上大多属于台式数字万用表。数字万用表采用先进的数显技术,显示清晰直观、读书准确。它既能保证了读数的客观性,又符合人们的读数习惯,能够缩短读数或记录时间。这些优点是传统的模拟式(即指针式)万用表所不具备的。准确度(精度)数字万用表的准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量值与真值的一致程度,也反映测量误差的大小。一般讲准确度愈高,测量误差就愈小,反之亦然。数字万用表的准确度远优于模拟指针万用表。万用表的准确度是一个很重要的指标,它反映万用表的质量和工艺能力,准确度差的万用表很难表达出真实的值,容易引起测量上的误判。分辨力(分辨率)数字万用表在最低电压量程上末位1个字所对应的电压值,称作分辨力,它反映出仪表灵敏度的高低。数字数字仪表的分辨力随显示位数的增加而提高。不同位数的数字万用表所能达到的最高分辨力指标不同。数字万用表的分辨力指标亦可用分辨率来显示。分辨率是指仪表能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。需要指出,分辨率与准确度属于两个不同的概念。 万用表(图9) 前者表征仪表的“灵敏性”,即对微小电压的“识别”能力;后者反映测量的“准确性”,即测量结果与真值的一致程度。二者无必然的联系,因此不能混为一谈,更不得将分辨力(或分辨率)误以为是类似于准确度则取决于仪表内部 A/D 转换器、功能转换器得综合误差以及量化误差。从测量角度看,分辨力是“虚”指标(与测量误差无关),准确度才是“实”指标(它决定测量误差得大小)。因此,任意增加显示位数来提高仪表分辨力得方案是不可取得。测量范围在多功能数字万用表中,不同功能均有其对应得可以测量得最大值和最小值。测量速率数字万用表每秒钟对被测电量的测量次数叫测量速率,其单位是“次/s”。它主要取决于 A/D 转换器的转换速率。有的手持式数字万用表用测量周期来表示测量的快慢。完成一次测量过程所需要的时间叫测量周期。测量速率与准确度指标存在着矛盾,通常是准确度愈高, 万用表(图10) 测量速率愈低,二者难以兼顾。解决这一矛盾可在同一块万用表设置不同的显示位数或设置测量速度转换开关:增设快速测量档,该档用于测量速率较快的 A/D 转换器;通过降低显示位数来大幅度提高测量速率,此法应用的比较普通,可满足不同用户对测量速率的需要。输入阻抗测量电压时,仪表应具有很高的输入阻抗,这样在测量过程中从被测电路中吸取的电流极少,不会影响被测电路或信号源的工作状态,能够减少测量误差。测量电流时,仪表应该具有很低的输入阻抗,这样接入被测电路后,可尽量减小仪表对被测电路的影响,但是在使用万用表电流档时,由于输入阻抗较小,所以较容易烧坏仪表,请用户在使用时注意。数字万用表的分类数字万用表按照量程转换方式来分类,可划分成三种类型:手动量程(MAN RANGZ),自动量程(AUTO RANGZ),自动/手动量程(AUTO/MAN RANGZ )。根据功能、用途及价格的不同,数字万用表大致可分为9大类: 万用表(图11) 低档数字万用表(亦称普及型数字万用)、中档数字万用表、中/高档数字万用表、数字/模拟混合式仪表,数字/模拟图双显示的仪表、万用示波表(将数字万用表、数字存储示波器等动能集于一身)。数字万用表的测试功能数字万用表不仅可以测量直流电压(DCV)、交流电压(ACV),直流电流(DCA)、交流电流(ACA)、电阻(Ω)、二极管正向压降(VF)、晶体管发射极电流放大系数(hrg)、还能测电容量(C)、电导(ns)、温度(T)、频率(f),并增加了用以检查线路通断的蜂鸣器档(BZ)、低功率法测电阻档(L0Ω)。有的仪表还具有电感档、信号档、AC/DC自动转换功能,电容档自动转换量程功能。数型数字万用表大多增加了下述新颖实用的测试功能:读数保持(HOLD)、逻辑测试(LOGIC)、真有效值(TRMS)、相对值测量(RELΔ)、自动关机(AUTO OFF POWER)等。数字万用表的抗干扰能力简单的数字万用表普遍采用积分式A/D转换原理, 万用表(图12) 只要选择正向积分时间恰好等于串桢干扰信号周期的整倍数,就能有效地抑制串桢干扰。这是因为串桢干扰信号在正向积分阶段被平均掉的缘故。中、低档数字万用表的共桢抑制比(CMRR)可达86~120dB。数字万用表的发展趋势集成化:手持式数字万用表采用单片 A/D 转换器,外围电路比较简单,只需少量辅助芯片和元器件。随着单片数字万用表专用芯片不断问世,使用一片IC即可构成功能比较完善的自动量程数字万用表,为简化设计和降低成本创造了有利条件。功耗低:新型数字万用表普遍采用CMOS大规模集成电路的A/D转换器,整机功耗很低。普通万用表与数字万用表的优缺点对比:指针式与数字式万用表各有优缺点。指针万用表是一种平均值式仪表,它具有直观、形象的读数指示。(一般读数值与指针摆动角度密切相关,所以很直观)。数字万用表是瞬时取样式仪表。它采用0.3秒取 万用表(图13) 一次样来显示测量结果,有时每次取样结果只是十分相近,并不完全相同,这对于读取结果就不如指针式方便。指针式万用表一般内部没有放大器,所以内阻较小。数字式万用表由于内部采用了运放电路,内阻可以做得很大,往往在1M欧或更大。(即可以得到更高的灵敏度)。这使得对被测电路的影响可以更小,测量精度较高。指针式万用表由于内阻较小,且多采用分立元件构成分流分压电路。所以频率特性是不均匀的(相对数字式来说),而数字式万用表的频率特性相对好一点。 指针式万用表内部结构简单,所以成本较低,功能较少,维护简单,过流过压能力较强。数字式万用表内部采用了多种振荡,放大、分频保护等电路,所以功能较多。比如可以测量温度、频率(在一个较低的范围)、电容、电感,做信号发生器等等。数字式万用表由于内部结构多用集成电路所以过载能力较差,损坏后一般也不易修复。数字式万用表输出电压较低(通常不超过1伏)。对于一些电压特性特殊的元件的测试不便(如可控硅、发光二极管等)。指针式万用表输出电压较高。电流也大,可以方便的测试可控硅、发光二极管等。对于初学者应当使用指针式万用表,对于非初学者应当使用两种仪表。

万用表选用原则

1、指针表读取精度较差,但指针摆动的过程比较直观,其摆动速度幅度有时也能比较客观地反映了被测量的大小(比如测电视机数据总线(SDL)在传送数据时的轻微抖动);数字表读数直观,但数字变化的过程看起来很杂乱,不太容易观看。2、指针表内一般有两块电池,一块低电压的1.5V,一块是高电压的9V或15V,其黑表笔相对红表笔来说是正端。数字表则常用一块6V或9V的电池。在电阻档,指针表的表笔输出电流相对数字表来说要大很多,用R×1Ω档可以使扬声器发出响亮的“哒”声,用R×10kΩ档甚至可以点亮发光二极管(LED)。3、在电压档,指针表内阻相对数字表来说比较小,测量精度相比较差。某些高电压微电流的场合甚至无法测准,因为其内阻会对被测电路造成影响(比如在测电视机显像管的加速级电压时测量值会比实际值低很多)。数字表电压档的内阻很大,至少在兆欧级,对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响,在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能是虚的。4、总之,在相对来说大电流高电压的模拟电路测量中适用指针表,比如电视机、音响功放。在低电压小电流的数字电路测量中适用数字表,比如BP机、手机等。不是绝对的,可根据情况选用指针表和数字表。

万用表操作规程

1、使用前应熟悉万用表各项功能,根据被测量的对象, 万用表(图15) 正确选用档位、量程及表笔插孔。2、在对被测数据大小不明时,应先将量程开关,置于最大值,而后由大量程往小量程档处切换,使仪表指针指示在满刻度的1/2以上处即可。3、测量电阻时,在选择了适当倍率档后,将两表笔相碰使指针指在零位,如指针偏离零位,应调节“调零”旋钮,使指针归零,以保证测量结果准确。如不能调零或数显表发出低电压报警,应及时检查。4、在测量某电路电阻时,必须切断被测电路的电源,不得带电测量。5、使用万用表进行测量时,要注意人身和仪表设备的安全,测试中不得用手触摸表笔的金属部份,不允许带电切换档位开关,以确保测量准确,避免发生触电和烧毁仪表等事故。 [2]

万用表使用注意

1、在使用万用表之前,应先进行“机械调零”, 万用表(图16) 即在没有被测电量时 ,使万用表指针指在零电压或零电流的位置上。2、在使用万用表过程中,不能用手去接触表笔的金属部分 ,这样一方面可以保证测量的准确,另一方面也可以保证人身安全。3、在测量某一电量时,不能在测量的同时换档,尤其是在测量高电压或大电流时 ,更应注意。否则,会使万用表毁坏。如需换档,应先断开表笔,换档后再去测量。4、万用表在使用时,必须水平放置,以免造成误差。同时, 还要注意到避免外界磁场对万用表的影响。5、万用表使用完毕,应将转换开关置于交流电压的最大档。如果长期不使用 ,还应将万用表内部的电池取出来,以免电池腐蚀表内其它器件。 [2]

万用表故障排除

数字万用表也称万用表、多用表、多用电表或三用电表, 万用表(图17) 是一种多用途的电子测量仪器,一般包含安培计、电压表、欧姆计等功能。数字万用表与指针式万用表相比,具有精度高、速度快、输入阻抗大、数字显示、读数准确、抗干扰能力强,测量自动化程度高等优点而被广泛应用。但若使用不当,则易造成故障。数字万用表故障排除一般应从电源入手。数字万用表故障排除大致可以按如下方法进行。1、外观检查。可以用手触摸电池、电阻、晶体管、集成块的温升是否过高。如新装入的电池发热,说明电路可能短路。此外,还应观察电路是否断线、脱焊、机械损伤等。2、波形分析。用电子示波器观察电路各关键点的电压波形、幅度、周期(频率)等。 万用表(图18) 例如,如测时钟振荡器是否起振,若振荡器无输出,说明内部反相器损坏,也可能是外部元件开路。3、测量元件参数。对故障范围内的元件,进行在线测量或离线测量,应分析参数值。对于电阻在线测量时,应考虑与其并联的元件的影响。4、隐性故障排除。隐性故障是指故障时隐时现,仪表时好时坏的故障。此类故障比较复杂,常见的原因包括焊点虚焊,松脱、接插件松动,转接开关接触不良,元件性能不稳,引线将断不断等。此外,还包括一些外界因素所造成的。如环境温度过高,湿度过大或附近有间歇性的强干扰信号等等。5、检测各级工作电压。检测各点工作电压,并与正常值比较, 万用表(图19) 首先应保证基准电压的准确度,最好是使用一块相同型号或相近似的数字万用表进行测量、比较。排除以上可能原因外,数字万用表损坏还有可能是因为测量档位的错误造成,如在测量交流市电时,测量档位选择置于电阻挡,这种情况下表笔一旦接触市电,瞬间即可造成万用表内部元件损坏。因此,在使用万用表测量前一定要先检查测量档位是否正确。在使用完毕,将测量选择置于交流750V或者直流1000V处,这样在下次测量时无论误测什么参数,都不会引起数字万用表损坏。

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