实验10 万用表的使用
万用表又称多用表，是一种多功能、多量程的测量仪表。一般的万用表可以测量直流电压、直流电流、交流电压、电阻和音频电平等电学量。有些万用表还可以测量交流电流、电容量和电感量、晶体管的共发射极直流放大倍数hFE等电参数。随着数字显示电路的发展，数字式万用表已经大量出现，甚至还出现了用微处理器的万用表。
由于万用表具有功能多、量程多、使用方便、体积小、便于携带和价格较低等优点，所以广泛应用在科学实验和生产中，更是从事电子电器安装、调试和维修的必备仪表。
【实验目的】
（1）了解电表的接入误差；
（2）掌握欧姆计的使用；
（3）掌握用万用表检查线路故障的一般方法。
【实验仪器】
万用表，电阻箱，电阻板，电源等。
【实验原理】
1.直流电压挡
当转换开关拨至电压挡V时，万用表就是一个多量程直流伏特计，各量程分别是1V、5 V、25V、100V、500V，它们的简化线路如图3-10-1所示。由于R1、R2的分流作用，虚线框内相当于50μA的表头，串联不同的电阻可分别得出所要求的量程。
图3-10-1 多量程伏特计简化电路
由于万用表有一定内阻，在测电压时产生分流，所以产生接入误差。如图3-10-2所示电路，设B、C两点原来电压为VBC，把伏特计V接在B、C两点后电压变为V′BC，伏特计内阻为RV（RV＝每伏欧姆数×量程，每伏欧姆数可以从电表面板上读取），这两者之差称为接入误差ΔVBC，定义为ΔVBC＝V
BCV′BC。由欧姆定律可得：
根据式（3-10-1）很容易知道接入误差大小，在必要时修正测量值，求得伏特计未接入时的真实值VBC。同时可以看出，要减少接入误差，电压表的内阻必须足够大。
图3-10-2 测电压产生接入误差
2.直流电流挡
当功能选择开关拨至电流挡mA档时，万用表就是一个多量程安培计，简化电路如图3-10-3所示。与测量电压类似，由于安培计分压，测电流时也有接入误差ΔI。若安培计内阻为RA，以万用表接入点为考察点电路的等效电阻为R等效，则接入误差为：
I′为安培计测出的电流值。通常电流表的内阻没有在电表面板上标明，在本实验中可不作修正。
3.欧姆计
欧姆计的原理线路如图3-10-4，其中虚线框内为欧姆计，a和b为两接线柱（表笔插孔）。待测电阻RX接在a和b上。在欧姆计中，E为电源（干电池），G为表头（内阻为Rg，满度电流为Ig），R为限流电阻。由欧姆定律可知回路中的电流IX由下式决定
可以看出，对给定的欧姆计，即E、Rg、R给定，则IX仅由RX决定，即IX与RX之间有一一对应的关系。这样，在表头刻度上标出相应的RX即成欧姆计。
图3-10-3 多量程安培计简化线路
图3-10-4 欧姆计原理线路图
设R中＝Rg＋R，则Ig＝式（3-10-3）改写为：
由于欧姆计的电源（干电池）E变化，所以要“欧姆调零”，以保证刻度正确。调节方法是：将插孔a和b中的表笔短接，调节“欧姆零点”旋钮使指针指0Ω。每次测电阻前和改变测量挡后都必须调节欧姆零点。电阻读数＝指示值×倍率。例如，选择R×1k挡时，就要对已读取的数据乘以倍率1k（Ω）。
【注意事项】
（1）红表笔应接在标“＋”号的插口内或红色的插口内，黑表笔应接在标有“—”号的插口内。
（2）选挡：测量前一定要将转换开关指在要测的挡位，切不可拿来就用。
（3）测量完毕，转换开关应置于电压最大量程，最好是直流电压挡。
【用万用表检查电路】
万用表常用来检查电路，排除故障。常有下列两种方法。
1.伏特计测电压法
在电源接通的情况下从电源两端开始，按接点依电流顺序用万用表的伏特计检查电压分布，出现电压分布反常的点就是故障点。例如在图3-10-6电路中，闭合开关后电流表无指示，用伏特计测出Vab＝Va′b′＝Vcd＝Vc′d′＝E，这说明电源插座开关及变阻器两端均无故障，问题可能发生在表头回路中。再用伏特计测得Ved′＝Ve′d，Vfd″≠0，而Vf′d″＝0。这时可判断故障发生在ff′之间（为什么？），可能是导线ff′断了，也可能是f或f′处接触不良。
伏特计测电压法不必拆开电路，检测方便，可以较快发现故障位置，但不适于检查电压太小的部位。
2.欧姆计测电阻法
将电路逐段拆开，特别要注意将电源和电表断开，而应使待测部分无其他分路。再用万用表的欧姆计检查无源部分的电阻分布，特别要检查导线和接触点通不通。如图3-10-5的电路中，将K断开，测得aa′、bb′、cc′、dd′、ee′是通的（RX＝0，IX＝Ig），而ff′不通（RX＝∞，IX＝0），则故障必在ff′之间。如断开f，测得ff′导线不通，则应换上用欧姆计检查过的好导线，如检查ff′也是通的，则故障为f处接触不好。
【实验内容】
1.测直流电压
按图3-10-5连接电路，当Uad＝5V时，分别选择适当量程，测出ab、bc、cd、bd、ad间的电压，数据记录于表3-10-1中。
2.测直流电流
测量图3-10-5电路中的电流，先估计电路电流的大小，选择合适的电流量程，将电表正确串联在待测电路中，测出待测电流的大小。
3.测电阻及校准欧姆计
①用欧姆计测出图3-10-5中标称为200Ω、3kΩ、22kΩ电阻的阻值，通过换挡，使测量值尽量靠近中值电阻。自拟表格记录数据。
②用电阻箱校准欧姆计R×10挡，其中值电阻为250Ω，在50～1200Ω之间校准10个点，其中必须包含端点和中值电阻，其他点任选。自拟表格记录数据。
4.用万用表检查电路故障
按图3-10-6连接电路，用伏特计法检查电路中的故障。
【数据处理】
（1）根据表3-10-1实验数据，利用公式（3-10-1）计算ΔUab、ΔUbc、ΔUcd和ΔUbd。
计算Uab＋Ubc＋Ucd是否接近于Uad？Uab＋Ubd是否接近Uad？解释误差原因？
图3-10-5 实验测量电路
图3-10-6 查故障电路
表3-10-1 测直流电压数据
（2）自拟表格，列出待测电阻的测量值，注明读数及使用哪一挡测量。
（3）自拟表格，列出校准欧姆计的实验数据，注明欧姆计读数、电阻箱读数。
预习思考题
（1）为什么用欧姆计测量电阻时，黑表棒的电位高于红表棒的电位？
（2）接入误差是万用表特有的呢，还是任何电压表、电流表都会有的问题呢？
（3）用万用表50μA挡去测量直流50V电压，将会产生什么后果？为什么？
思 考 题
（1）证明欧姆计的中值电阻只决定于E和Ig。若Ig＝50μA，要求中值电阻为250kΩ，则要用多大的电源电压E？
（2）为什么不宜用欧姆计测量表头内阻？能否用欧姆计测电源内阻？
【附录】 MF50-1万用表简介
1.面板结构和作用
MF50-1型万用表的面板结构如图3-10-7所示，主要由表头、测量线路和转换开关三部分组成。面板左半部分是表头，表头指针下方是表指针机械调零旋钮，表盘上有八条标度尺，表头左下方有两个表笔插孔，标有“＋”的插红表笔，标有“※”的插黑色表笔；表头右下方还有两个供测直流小电流0～100μA和直流大电流0～2.5A的专用插孔。使用时将红色表笔从“＋”插孔拔出，塞入对应插孔即可。表头下方是两个供测PNP型和NPN型晶体管直流放大系数hFE的插孔。面板右半部分是转换开关，转换开关正下方是零欧姆调整旋钮。
MF50-1型万用表转换开关有十八个挡位，有测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等十九挡基本量程。另外，还有十六挡附加量程，可以测量电容量，电感量和音频电平等。
图3-10-7 MF50-1型万用表面板结构
2.表盘
图3-10-8 MF50-1型万用表表盘
万用表表盘上的标度尺一般有以下特点，直流电压和直流电流标度尺的刻度是均匀的，其一端用“-”或“DC”表示。交流电压标度尺的刻度就不一定均匀，其一端用“～”或“AC”表示。电流、电压挡标度尺上还同时标上几组读数，以便于选择不同量程时进行换算。电阻（欧姆）标度尺刻度也是不均匀的，而且零点在右端，左端标“∞”。电阻标度尺的符号是“Ω”。表盘上一般还有一条非均匀刻度的10V（有些表为5V）交流电压挡专用标度尺，这是为了提高低电压测量精度而设置的。
3.MF50-1型万用表标度尺读法
以交、直流公用标度尺（均匀刻度）和欧姆标度尺（非均匀刻度）为例，说明如何在标度尺上读取数据。
交、直流公用标度尺下面有50、100、150、200、250和10、20、30、40、50两组数字（方便选取不同量程时进行读数换标而设置），它们分别包含了多个挡位。除0～250mA、0～250V、0～250V和0～50V、0～50V五挡，可以从标度尺的上排和下排数字上直接读取数据外，其他各挡都要根据这两组数字中较方便的一组进行换标。电压或电流读数＝指示格数×量程/总格数。为了读数方便，应选择量程和满偏值为整数倍关系的刻度线读数。对于指针式仪表，读数应估读一位。例如，转换开关选择2.5mA挡时，即量程为2.5mA，总格数为250的刻度线，若指针指示格数为100.0，则读数为100.0×2.5mA/250＝1.0mA。
万用表的欧姆标度尺上只有一组数字，作为测量电阻专用。电阻读数＝指示值×倍率。例如，选择R×1k挡时，就要对已读取的数据乘以倍率1k（Ω）。要注意的是，欧姆标度尺的刻度是不均匀的，当表头指针位于两刻度线之间时，在估读数据中要根据左边和右边刻度缩小和扩大的趋势进行。
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