500型指針式萬用表功能擴展實驗設計

鄧 敏 何 興 廖家欣 唐貴平 仇 煒 周寧寧

（長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004）

1 引言

500型指針式萬用表具有多功能、多量程、操作簡單、價格便宜等特點，是以前實驗室常用的教學儀表.不少單位根據(jù)特殊用途對萬用表進行功能拓展［1～5］.隨著實驗室儀器設備不斷更新，其使用效率逐步降低.本文利用其直觀的教學特點，將其電阻檔位擴展作為學生的創(chuàng)新性實驗設計項目，既鍛煉了學生的動手能力和創(chuàng)新能力，又充實了學院大學生創(chuàng)新實驗基地的儀器儀表.

500型指針式萬用表的電阻檔有R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ五個檔位，最大量程是10kΩ［6］，最大可以測得1～2MΩ，但是，當被測電阻阻值達到40kΩ時，測量值就不太準確了.當被測量的電阻太大時，誤差明顯增大，從而使該表的使用受到了一定的限制.在檢修電視機或測量絕緣電阻時，需要測量更大阻值的電阻，此時的R×10kΩ電阻檔已經(jīng)不能滿足測量的要求，這往往給測量帶來不少的麻煩.本文在500型指針式萬用表的基礎上增加一模塊，提高電阻高量程測量精度.

2 R×30kΩ電阻檔擴展方案及設計

2.1 萬用表電阻檔擴展的要求

將500型指針式萬用表增加電阻檔R×30kΩ檔，不影響原來萬用表的功能，提高高電阻的測量精度.增加的功能模塊必須內(nèi)置.

2.2 500型萬用表電阻檔擴展原理

要擴展電阻檔的量程，必須增大電流.在不改變原電阻的刻度線、不破壞以前的電阻檔功能的情況下，采取同時增大電壓和相應的歐姆中心值方法，實現(xiàn)高電阻精確測量功能.

500型萬用表的電流表滿偏電流IM＝50μA，對于R×10kΩ檔，歐姆中心值R0＝100kΩ，電池電壓為1.5V與9V電壓的串聯(lián)，即E＝10.5V.若待測電阻為Rx，則滿足以下的關(guān)系表達式

500型萬用表R×10kΩ檔電路（圖1上半MΩ部分虛線圍成的部分），可等效為圖2電阻測量電路，等效表頭的滿偏電流為100μA、內(nèi)阻為100kΩ，電壓E≈10V，則電流I1＝50μA；擴展為R×30kΩ檔時，歐姆中心值R′0＝300kΩ，可等效為圖3電阻測量電路，等效表頭的滿偏電流仍然等效為100μA、內(nèi)阻為300kΩ，電壓E≈30V，則電流I2＝50μA.

因此，在不改變IM的條件下，要想拓展電阻的量程，電壓升高多少倍，其電阻也必須升高多少倍.也就是說把電壓提升n倍，與此同時，歐姆中心值也要相應地增大n倍.即

因為

所以IM保持不變.故需要增加相同倍數(shù)的電壓和相同倍數(shù)的電阻.

圖1 帶R×30kΩ檔的500型萬用表電阻檔電路圖

圖2 500萬用表R×10kΩ檔電阻測量等效電路圖

2.3 擴展R×30kΩ電阻檔設計

利用1.5V的電池產(chǎn)生的電流，經(jīng)過晶體三極管3DG.12進行放大，制作耦合升壓變壓器，經(jīng)過

圖3 擴展為R×30kΩ檔電阻測量等效電路圖

耦合升壓變壓器的升壓，把電壓提高到所需要的電壓.再經(jīng)過整流二極管的整流及30V穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓，最后通過電容器濾波，把輸出的電壓穩(wěn)定在30V左右.拓展升壓變壓功能電路如圖1下半虛線圍成的部分.

圖1為加上附加裝置后的500型萬用表電阻檔的總體電路圖（其中 R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ檔電路未畫出）.它不影響R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ檔的功能.要擴展R×30kΩ檔，應取n＝3倍，E′＝3E＝31.5V，R′0＝3R0＝300kΩ.需要把表內(nèi)的9V電壓源替換為30V，把1.5V的電壓源串聯(lián)到被測電路中，共同構(gòu)成E＝31.5V的電壓源.若要使用R×30kΩ檔只需把9V電池替換為30V電源，閉合單刀開關(guān)，就直接可以使用R×30kΩ的電阻檔.

2.4 擴展R×30kΩ電阻檔的電路分析

圖1設計的擴展電路，核心元件是三極管.三極管3DG.12的作用是把1.5V的電流放大，它的擊穿電壓為100V.0.04μF電容器的作用是使耦合線圈產(chǎn)生振蕩，產(chǎn)生穩(wěn)定變化的電壓.200Ω的電阻限制三極管的基極電流，防止三極管進入飽和區(qū).0.1μF電容器的作用是進行濾波和整流，使輸出的電壓沒有雜波的干擾，輸出穩(wěn)定的電壓.

經(jīng)過自制感應線圈的感應，使主線圈的電壓通過負載線圈進行升壓，用500匝線圈的兩端接線柱實現(xiàn)電壓的輸出.

整流二極管VD1的作用是把通過負載線圈的電流進行半波整流，使輸出的電流變化比較小，考慮到電壓的波動范圍，選用最高反向工作電壓為100V、額定整流電流為1.0A、型號為1N4002的整流二極管.

穩(wěn)壓二極管采用30V的穩(wěn)壓二極管，它的作用是把輸出的電壓穩(wěn)壓在30V，使電壓不隨外界的電阻變化而變化，達到穩(wěn)壓的效果.選用穩(wěn)壓為30V、工作電流為5mA的1N6011B（國產(chǎn)型號為2CW358）穩(wěn)壓二極管.當穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)，即保證穩(wěn)壓管的電流在IZ≤I≤IZM，可以保證穩(wěn)壓管輸出的電壓U0基本穩(wěn)定［7］.

200kΩ電阻的作用.擴展的電阻檔為R×30kΩ時，萬用表的中心值應該為R×10kΩ檔時中心值100kΩ的3倍，也就是R′0＝3R0＝300kΩ.原萬用表的電阻為100kΩ，因此，須在正極的輸出端增加一個200kΩ阻值的電阻.從而保障了擴展之后歐姆檔在測量電阻時可以調(diào)零.

2.5 擴展R×30kΩ電阻檔的電路調(diào)試

首先，檢查附加裝置的電壓是否達到了30V，并且檢查穩(wěn)壓管是否工作在穩(wěn)壓的區(qū)域，可以用數(shù)字萬用表的電壓檔進行電壓檢測.

其次，進行調(diào)零功能檢驗.在測量前，必須先進行歐姆檔的調(diào)零.如果不可以調(diào)零，必須檢查電壓是否到達所要求的標準.假如電壓達到，但是仍不能調(diào)零，必須檢查歐姆中心值是否計算正確.

最后，用數(shù)字萬用表對大于40kΩ的電阻進行測量比較，并進行比較分析.

2.6 穩(wěn)定性要求

設計的附加裝置升高的電壓是利用1.5V電池實現(xiàn).電池電壓高于1.2V，就可以進行正常測量.當電池電壓低于1.2V時，歐姆擋不可以進行調(diào)零，測量時誤差增大.所以，要達到精確測量，必須使電池電壓穩(wěn)定在1.2V以上.

3 功能測試與結(jié)果分析

利用UT51型數(shù)字萬用表測量8個大于40kΩ阻值的電阻，再使用500型指針式萬用表擴展的R×30kΩ檔和R×10kΩ檔進行對比測量，并以數(shù)字萬用表測量值作為標準值，計算出相應的相對誤差，測量結(jié)果如表1所示.

表1 測量結(jié)果比較

從表中測量數(shù)據(jù)可以看出：

1）指針越接近刻度尺中間，讀數(shù)越準確.由于電阻檔刻度是不均勻的，一般使指針指在刻度尺的區(qū)段，測量精度最高，越往左邊，刻度越密集，測量值越不準確.

2）在40～1980kΩ范圍之間，使用R×10kΩ檔測量，平均相對誤差為6.5%，使用R×30kΩ檔的測量，平均相對誤差為1.3%，顯然用擴展的R×30kΩ電阻檔比使用R×10kΩ檔測量大于40kΩ電阻的精確度要高得多.

4 結(jié)論

本文針對500型指針式萬用表電阻檔測量高電阻時讀數(shù)不夠精確的問題，指導學生在不改變原500型萬用表各個檔位的基礎上，擴展了一檔R×30kΩ，在40～1980kΩ范圍內(nèi)，平均相對誤差降低到1.3%.因擴展部分的附加裝置體積小，可直接放入500型萬用表內(nèi)，通過增加檔位開關(guān)控制，操作簡單、方便.

［1］ 沙占友，沙莎.萬用表檢測技術(shù)（上）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.1～18

［2］ 張曉春.萬用電表的功能擴展與應用［J］.實驗室研究與探索，1997，（2）：59～60

［3］ 沙占友.萬用表檢測技術(shù)（下）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.1～56

［4］ 王德朝，何一華.給500型萬用表加高兆歐檔［N］.電子報，2007，（1）14（019）

［5］ 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎［M］.北京：高等教育出版社，2001.23～34，509～535

［6］ 蕭淑霞.萬用表使用自學通［M］.北京：中國電力出版社，2006.1～37，88～157

［7］ 周善芳，趙汝儉.淺談萬用表功能的擴展利用［J］.實驗室研究與探索，2004，23（3）：48～49