500型指針式萬(wàn)用表功能擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鄧 敏 何 興 廖家欣 唐貴平 仇 煒 周寧寧

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

500型指針式萬(wàn)用表具有多功能、多量程、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，是以前實(shí)驗(yàn)室常用的教學(xué)儀表.不少單位根據(jù)特殊用途對(duì)萬(wàn)用表進(jìn)行功能拓展［1～5］.隨著實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備不斷更新，其使用效率逐步降低.本文利用其直觀的教學(xué)特點(diǎn)，將其電阻檔位擴(kuò)展作為學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，又充實(shí)了學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地的儀器儀表.

500型指針式萬(wàn)用表的電阻檔有R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ五個(gè)檔位，最大量程是10kΩ［6］，最大可以測(cè)得1～2MΩ，但是，當(dāng)被測(cè)電阻阻值達(dá)到40kΩ時(shí)，測(cè)量值就不太準(zhǔn)確了.當(dāng)被測(cè)量的電阻太大時(shí)，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(jī)或測(cè)量絕緣電阻時(shí)，需要測(cè)量更大阻值的電阻，此時(shí)的R×10kΩ電阻檔已經(jīng)不能滿足測(cè)量的要求，這往往給測(cè)量帶來(lái)不少的麻煩.本文在500型指針式萬(wàn)用表的基礎(chǔ)上增加一模塊，提高電阻高量程測(cè)量精度.

2 R×30kΩ電阻檔擴(kuò)展方案及設(shè)計(jì)

2.1 萬(wàn)用表電阻檔擴(kuò)展的要求

將500型指針式萬(wàn)用表增加電阻檔R×30kΩ檔，不影響原來(lái)萬(wàn)用表的功能，提高高電阻的測(cè)量精度.增加的功能模塊必須內(nèi)置.

2.2 500型萬(wàn)用表電阻檔擴(kuò)展原理

要擴(kuò)展電阻檔的量程，必須增大電流.在不改變?cè)娮璧目潭染€、不破壞以前的電阻檔功能的情況下，采取同時(shí)增大電壓和相應(yīng)的歐姆中心值方法，實(shí)現(xiàn)高電阻精確測(cè)量功能.

500型萬(wàn)用表的電流表滿偏電流IM＝50μA，對(duì)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(cè)電阻為Rx，則滿足以下的關(guān)系表達(dá)式

500型萬(wàn)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(cè)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(kuò)展為R×30kΩ檔時(shí)，歐姆中心值R′0＝300kΩ，可等效為圖3電阻測(cè)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(shuō)把電壓提升n倍，與此同時(shí)，歐姆中心值也要相應(yīng)地增大n倍.即

因?yàn)?/p>

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(wàn)用表電阻檔電路圖

圖2 500萬(wàn)用表R×10kΩ檔電阻測(cè)量等效電路圖

2.3 擴(kuò)展R×30kΩ電阻檔設(shè)計(jì)

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

圖3 擴(kuò)展為R×30kΩ檔電阻測(cè)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(guò)整流二極管的整流及30V穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓，最后通過(guò)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(wàn)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(huà)出）.它不影響R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ檔的功能.要擴(kuò)展R×30kΩ檔，應(yīng)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(cè)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(kāi)關(guān)，就直接可以使用R×30kΩ的電阻檔.

2.4 擴(kuò)展R×30kΩ電阻檔的電路分析

圖1設(shè)計(jì)的擴(kuò)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(jìn)入飽和區(qū).0.1μF電容器的作用是進(jìn)行濾波和整流，使輸出的電壓沒(méi)有雜波的干擾，輸出穩(wěn)定的電壓.

經(jīng)過(guò)自制感應(yīng)線圈的感應(yīng)，使主線圈的電壓通過(guò)負(fù)載線圈進(jìn)行升壓，用500匝線圈的兩端接線柱實(shí)現(xiàn)電壓的輸出.

整流二極管VD1的作用是把通過(guò)負(fù)載線圈的電流進(jìn)行半波整流，使輸出的電流變化比較小，考慮到電壓的波動(dòng)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(hào)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(dá)到穩(wěn)壓的效果.選用穩(wěn)壓為30V、工作電流為5mA的1N6011B（國(guó)產(chǎn)型號(hào)為2CW358）穩(wěn)壓二極管.當(dāng)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(kuò)展的電阻檔為R×30kΩ時(shí)，萬(wàn)用表的中心值應(yīng)該為R×10kΩ檔時(shí)中心值100kΩ的3倍，也就是R′0＝3R0＝300kΩ.原萬(wàn)用表的電阻為100kΩ，因此，須在正極的輸出端增加一個(gè)200kΩ阻值的電阻.從而保障了擴(kuò)展之后歐姆檔在測(cè)量電阻時(shí)可以調(diào)零.

2.5 擴(kuò)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(dá)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(wàn)用表的電壓檔進(jìn)行電壓檢測(cè).

其次，進(jìn)行調(diào)零功能檢驗(yàn).在測(cè)量前，必須先進(jìn)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(dá)所要求的標(biāo)準(zhǔn).假如電壓達(dá)到，但是仍不能調(diào)零，必須檢查歐姆中心值是否計(jì)算正確.

最后，用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)大于40kΩ的電阻進(jìn)行測(cè)量比較，并進(jìn)行比較分析.

2.6 穩(wěn)定性要求

設(shè)計(jì)的附加裝置升高的電壓是利用1.5V電池實(shí)現(xiàn).電池電壓高于1.2V，就可以進(jìn)行正常測(cè)量.當(dāng)電池電壓低于1.2V時(shí)，歐姆擋不可以進(jìn)行調(diào)零，測(cè)量時(shí)誤差增大.所以，要達(dá)到精確測(cè)量，必須使電池電壓穩(wěn)定在1.2V以上.

3 功能測(cè)試與結(jié)果分析

利用UT51型數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量8個(gè)大于40kΩ阻值的電阻，再使用500型指針式萬(wàn)用表擴(kuò)展的R×30kΩ檔和R×10kΩ檔進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，并以數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算出相應(yīng)的相對(duì)誤差，測(cè)量結(jié)果如表1所示.

表1 測(cè)量結(jié)果比較

從表中測(cè)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(zhǔn)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(cè)量精度最高，越往左邊，刻度越密集，測(cè)量值越不準(zhǔn)確.

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

4 結(jié)論

本文針對(duì)500型指針式萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量高電阻時(shí)讀數(shù)不夠精確的問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生在不改變?cè)?00型萬(wàn)用表各個(gè)檔位的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一檔R×30kΩ，在40～1980kΩ范圍內(nèi)，平均相對(duì)誤差降低到1.3%.因擴(kuò)展部分的附加裝置體積小，可直接放入500型萬(wàn)用表內(nèi)，通過(guò)增加檔位開(kāi)關(guān)控制，操作簡(jiǎn)單、方便.

［1］ 沙占友，沙莎.萬(wàn)用表檢測(cè)技術(shù)（上）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.1～18

［2］ 張曉春.萬(wàn)用電表的功能擴(kuò)展與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1997，（2）：59～60

［3］ 沙占友.萬(wàn)用表檢測(cè)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(wàn)用表加高兆歐檔［N］.電子報(bào)，2007，（1）14（019）

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

［6］ 蕭淑霞.萬(wàn)用表使用自學(xué)通［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.1～37，88～157

［7］ 周善芳，趙汝儉.淺談萬(wàn)用表功能的擴(kuò)展利用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2004，23（3）：48～49