2.3　指针式万用表的工作原理

2.3.1　直流电流测量原理

指针式万用表的表头本身就是一只直流电流表，但测量范围不能大于表头的满刻度电流。测量较大电流的安培表，需与测量机构（表头）并联电阻器进行分流，就可以扩展电流量程，如图2-1（a）所示。这样，被测电流的一部分或大部分将通过分流电阻，而小部分电流通过测量机构（表头）。分流电流的大小与分流电阻值的大小成反比，因此改变分流电阻值的大小，就能改变仪表的测量范围。这个分流电阻通常叫做分流器。

分流器可以分为内附分流器和外附分流器两种。分流器可以是单量程的，也可以是多量程的。最常用的多量程分流器是闭路式分流器。如图2-1（b）所示，所谓闭路式分流器，是指在转换过程中基本分流器不断开表头的电路，各分挡电阻器与表头内阻器串联，形成闭合电路。图中，R0为表头内阻，R1、R2和R3为分流器。

闭路式分流器的优点是：首先，与仪表测量机构形成闭合回路的电阻值不随量程的改变而变化，因此仪表的阻尼时间是不变的；其次，由于量程转换方式引起的接触电阻与分流电阻的阻值无关，只串联在电路中，所以引起的误差极小。但其中某一电阻的变化，不同程度的影响各个量程，因此调整误差时带来一定的困难，一般要经过几次反复才能将各量程的阻值调好。在万用表中大都采用这种分流器。

开路式分流器如图2-1（c）所示，各量程具有单独的分流电阻，因此各量程互不影响，调整方便，但仪表的温度误差和阻尼时间随着各量程分流电阻值的改变而变化，同时，由于转换装置的接触电阻包括在测量电路之内，所以仪表误差不稳定。这种电路应用较少些。

2.3.2　直流电压测量原理

万用表中，电压测量电路的基础仍然是电流测量电路。表头有一定的内阻，直流电流流过表头内阻产生一定电压降，因此一只表头也相当于一只电压表。但量程有限，只有几毫伏至几十毫伏，因此需要扩大量程。扩大电压表的测量范围，通常采用与表头串联电阻的方法，这种串入的附加电阻，叫做倍压器（或称倍率器、倍增器），如图2-2（a）所示。

电压表的连接电路（扩大量程）通常有多种形式，如图2-2（b）所示，是多量程电压电路的其中之一，图中大量程利用了小量程的电阻，或者说，高电压挡倍率电阻建立在低电压挡上。量程越大，倍率电阻也就越大，因此，大量程挡内阻高于小量程挡内阻。

2.3.3　交流电流测量原理

磁电式仪表只能测量直流电流或电压，如需测量交流，则必须采用一个交直流变换装置，将交流经整流器转变成直流电流再测量。万用表中常用的整流电路有半波式和全波式，如图2-3所示。

对于图2-3（a）中半波式整流电路：I0=0.45I；对于图2-3（b）中全波式整流电路：I0=0.9I。在进行仪表画刻度时，应按上述关系进行折算。

多量程的交流电流测量，则必须对被测电流进行分流。万用表中常采用先分流、后整流的方式，这样流过整流元件的电流较小，对整流元件的要求可以降低。

多量程的交流电压测量，其工作原理与直流电压表相似，不同点是将交流整流后进行测量。

多量程的交流电流测量，则必须对被测电流进行分流。分流的方式一般有两种；一种是在整流前先分流然后整流，这样流过整流元件的电流较小；另一种是先整流然后分流，这样被测电流全部通过整流元件，其量程受到整流元件容许电流的限制。

常用的分流电阻法扩大量程的电路如图2-4所示。这种电路的端压降随量程改变，同时由于整流桥的接入，使电路的压降增大。

为了克服分流器电路的缺点，不少万用表中采用电流互感器来扩大量程，常用电路如图2-5所示。

这种电路的优点是功率损耗小，同时能使整流桥获得最佳的工作电压，因此刻度的直线性易于实现。

2.3.4　交流电压测量原理

整流式交流电压表常用电路如图2-6所示。其工作原理与直流电压表相似，不同点是将交流整流后进行测量。

2.3.5　电阻测量原理

电阻的测量是基于欧姆定律来进行的。测量电阻的方式往往由量程来决定，为了使欧姆表在各量程能共用一个电阻刻度线，一般电阻测量电路都按十进制分挡，即都以标准挡R为基础，采用10的整倍数来扩大量程，如R×1、R×10、R×100、R×1000等。当在R×10挡时，综合内阻扩大10倍；当在R×100挡时，综合内阻扩大100倍。

如图2-7所示为用改变工作电流来扩大量程的欧姆表电路，在表头上并联和串联适当的电阻器，同时串联一节电池，使电流通过被测电阻器，根据电流的大小，就可测量出电阻值。

欧姆表的中心值，是仪表指示1/2刻度点时的数值，由理论计算可知，欧姆刻度的中心值就等于欧姆表在该量程上的综合内阻。因此，欧姆量程的设计都以中间刻度为标准，然后分别求出相当于各个被测电阻的刻度值。

根据理论计算可知，改变E（电源电动势）同样也可扩大量程，所以，多数指针式万用表内附两块电池。高阻挡通常采用高电压电池。

电池电压E的改变，将会使欧姆表的中心值也发生变化，从而造成测量误差。也就是说，同一个电路，当电池为全新时，中心值会增大，当电池寿命快终结时，中心值会减小。一般电池全新时每节电压为1.5V，当电压下降至1.2V以下时应即时更换。为了把E的变化造成的测量误差减至最小，往往在电压支路中串联一个可变电阻作为欧姆调零，如图2-7中的电阻R6。这样用改变电表支路中的分流比来抵消电源电压E的变化的影响，从而保证了电阻的测量精度。

指针式万用表除了上述几个基本参量的测量外，有些万用表还附加有其他参量的测量，例如，电平的测量、电容器容量的测量、电感线圈电量的测量、晶体管主要直流参数的测量等。

2.3.6　音频电平测量原理

在电信工程中，往往需要在信号的传输过程中对信号的衰减或增益（经放大后）进行测量。例如信号在放大器输入端电压为V1，在放大器输出端电压为V2。如V2=10V1，则说明信号增益了10倍。经过一段线路传输后，信号电压衰减至V3，如V3=1/5V2，则说明这段线路中信号被衰减至1/5。如果在整个电路中阻抗是一定的，那么，信号功率的增益或衰减与电压的平方成正比。电信工程中如果直接采用功率或电压的比值，则计算时位数庞大（因为做乘除法的运算）。更重要的是人耳对于音响强度的感觉，不与其功率的大小成正比，而与功率的对数成正比。因此，电信测量中，采用了功率比值的对数值为标准，也称作电平，以贝尔为单位，其算式为：

如果电路测量点的电阻相等，则电平也可以用电压或电流的形式来表示：

由于贝尔这一单位较大，因此定义1/10贝尔=1分贝（习惯用dB或DB表示）。由此得出一分贝表示的电平公式为：

以上所述是指两个电功率或电压的相对比值，它的对数值，即电平叫做相对电平。相对电平看不出功率或电压的绝对值。因此，在实际中往往把某一功率作为0分贝。例如，把基准功率定义为1mW时的电平值叫做“绝对电平”。一般万用表上标的就是绝对电平。为了与相对电平分别，常叫分贝毫（dBm）。由于一般万用表测的是电压，故还要规定其负载电阻，通常万用表中的负载电阻定为600Ω，则由此求出0分贝时的电压V1

这样，就把万用表上对应于交流0.775V刻度标注为0分贝，大于0.775V的电压即为正分贝数，小于0.775V的电压为相应的负分贝数。

也有以500Ω负载上产生6mW功率作为0分贝的，此时的基准电压V1为

因此，在万用表中，所谓的电平测量，实际上就是测量交流电压，而把相应的电压刻度换算出来的分贝数专门刻成电平刻度。其电路就是交流电压测量电路。有时为了隔开被测电路中的直流成分，在交流电压测量电路内串联一个隔直流电容。

交流电压表扩大量程后，电压刻度在任一刻度上均比原始量程扩大了一个固定的倍数。因此每一对应刻度在该量程上增加了一个固定分贝数，现用一实例来说明这一问题。假定以1mW、600Ω为0分贝，则在0～1V量程的0.775V为0分贝。如果量程扩大10倍，即0～10V量程，对应于原0.775刻度应为7.75V刻度，该刻度值对应电平为：

也就是说，量程扩大10倍后，不同刻度值所对应的分贝数应为原始刻度值加上固定的20分贝。如果量程缩小，则应减去一个固定分贝数。

2.3.7　电容和电感测量原理

电容和电感测量原理如图2-8所示。其测量原理与电阻的测量原理相似，所不同的是以交流电压代替电池并可以进行调节。

在测量电容器或电感器时，若没有变压器T，可用220V交流电源接在250V量程挡位上测试，不过要将串联电容器或电感器时读得的格数或电压数值（不是电容或电感量）乘以一个校正系数250/220，才为真实的格数，其相应的电容量或电感量方为被测的实际值。若供电电压不是220V，应将其改为实际测得的电压值。

2.3.8　放大倍数测量原理

hFE是晶体管共发射极直流电流放大倍数，它是集电极与基极电流的比值，即：

hFE=Ic/Ib

当给定Ib后，再利用电流表串接在集电极回路中测出Ic。若将不同的Ic代入公式，即可获取一系列hFE，把这一组hFE对应于Ic值，便得到hFE刻度。测量时，只要将晶体管按照规定的插孔接入万用表即可直接读出hFE值。hFE俗称晶体管直流放大倍数，它的测量值是随着所取电源电压和基极电流变化而变化的。对各种型号的管子要求用不同的测试条件测试。要满足这一点万用表是无法做到的。因为它只能用来测量等于或接近万用表所给条件的晶体管，当超过这个范围时，误差很大。因此，它只作为附加量程，不考核误差。

参数hFE的测量电路，常见的有两种。

（1）用电阻基本挡测量hFE的方法

如图2-9所示，从电阻挡零欧姆调节电位器上抽头引出，再并联一只分流电阻，使满标度电流扩展到5mA（或500μΑ）。图中RP是为便于在电池电压下降过程中可调而设计的，测量前，应在电阻或指定挡位调零，以便于准确读数。

（2）用直流挡测量hFE的方法

如图2-10所示，万用表已具备5mA挡，用欧姆挡作电源电压变动调节，采用电阻工作电池作晶体管的工作电源，及欧姆挡电源电压的“+”极作为PNP型晶体管的b、c极和NPN型晶体管的e极的工作电压；“-”极作为NPN型晶体管的b、c极和PNP型晶体管的e极的接地、负载测量回路，并指示出该晶体管的放大倍数。

2.3.9　低阻量程测量原理

有些万用表除了设置有常规电阻量程外，还设有低阻值测试用量程，如FM-35型万用表就有电阻测量功能。

低阻值测量电路工作原理如图2-11所示。这是一个被测电阻与表头支路并联的欧姆表电路。当被测电阻RX=0Ω时，流过表头支路的电流Ig=0，表头指针在原始位置（机械零位）不动。当被测电阻RX=∞时，流过表头支路的电流Ig=Im，表头指针向右方向偏转。当RX在0～∞变化时，表头指针在0～Im变化。RX越小，表头指针偏转角越小。因而低欧姆的电阻值刻度是顺向的（即0Ω在左，∞在右），与串联电阻表的刻度刚好相反。