1.2 指针式万用表的测量电路与工作原理

要点

指针式万用表的测量电路包括电阻测量电路、直流电流测量电路、直流电压测量电路和交流电压测量电路等。初学电子技术的读者朋友，要熟悉其电路及工作原理。

1.2.1 指针式万用表最基本的测量原理

指针式万用表最基本的测量原理如图1-11所示。

指针式万用表由表头、电阻测量挡、电流测量挡、直流电压测量挡和交流电压测量挡几个部分组成，图1-11中“-”为黑表笔插孔，“+”为红表笔插孔。指针式万用表的表头实际上是一只高灵敏度的微安表，利用串联电阻分压、并联电阻分流的基本原理，让被测电压和一小部分电流（小于微安表的最大值）流入表头，因此万用表不用内接电池。

当把转换开关SA旋到交流电压挡时，通过二极管VD整流，倍增电阻R3限流，测量数值由磁电式表头显示出来，其等效电路如图1-12所示。

当把转换开关SA旋到直流电压挡时，不需二极管整流，仅需降压电阻R2，磁电式表头即可显示被测直流电压值，其等效电路如图1-13所示。

当把转换开关SA旋到直流电流挡时，既不需二极管整流，也不需电阻R2限流，利用R0分流，磁电式表头即可显示被测直流电流值，其等效电路如图1-14所示。

测电阻时将转换开关SA拨到“Ω”挡，这时外部没有电流通入，因此必须使用内部电池作为电源。设外接的被测电阻值为RX，表内的总电阻值为R，形成的电流为I。由RX、电池E、可调电位器RP、固定电阻R1和表头部分组成闭合电路，形成的电流I使表头的指针偏转。红表笔与电池的负极相连，通过电池的正极与电位器RP及固定电阻R1相连，经过表头接到黑表笔与被测电阻RX形成回路，产生电流使表头显示，其等效电路如图1-15所示。

回路中的电流为I＝E/（RX+R）。

从上式可知，流过万用表表头的电流I和被测电阻值RX不是线性关系，所以表盘上电阻挡的刻度线是不均匀的。电阻越小，回路中的电流越大，指针的摆动越大，因此电阻挡的刻度线是反向分度。

当万用表红、黑两表笔直接连接时，相当于外接电阻最小RX=0，那么

I＝E/RX+R＝E/R

此时通过表头的电流最大，表头摆动最大，因此指针指向满刻度处，向右偏转最大，显示阻值为0Ω。电阻挡的零位在表盘的右边，其余挡的零位均在左边。反之，当万用表红、黑两表笔开路时RX趋向无穷大，表内的阻值R可以忽略不计，那么

I＝E/RX+R≈E/RX≈0

此时通过表头的电流最小，因此指针不偏转，显示阻值为∞。

知识点拔

在理想情况下，万用表的内阻应该等于零，但实际上是做不到的。由于表头内阻的存在，电子爱好者在使用万用表测电流时，必然有一定的电压降；测电压时，必然消耗一定的电流，因此会产生测量误差。用万用表测量电流时，表头内阻应越小越好，为减小测量误差，有时可选电流量程大一些的挡位；但用万用表测量电压时，表头内阻应越大越好，为减小测量误差，有时可选电压量程大一些的挡位。

1.2.2 直流电流挡的测量电路和工作原理

指针式万用表的直流电流挡实质上是在微安表上并联分流电阻，以达到扩大其测量电流量程的目的。分流电阻值越小，其相应的电流量程就越大，所以配不同阻值的分流电阻，就可以得到不同的测量范围。500型万用表的直流电流测量电路如图1-16所示。

在图1-16中，R1～R6为分流电阻。5个电流挡量程分别为500mA、100mA、10mA、lmA、50μA。微安表的量程即表头电流为40μA，表头内阻为2.5kΩ。因为表头还与R7、R8串联，所以表头实际内阻为2.5kΩ+1kΩ（R7的阻值）+1.4kΩ（R8的阻值）。其中，R8是供调整用的具有两个独立滑动触头的可变电阻器。若按R8=0.25kΩ设计，则表头内阻为3.75kΩ，此时表头满偏压降为0.1V（40μA×2.5kΩ），实际表头满偏压降为0.15V（40μA×3.75kΩ）。

当转换开关S接至50μA的触点时，由分流电阻R1～R6构成了50μA电流挡的分流器，与表头实际内阻3.75kΩ并联。因为这时的分流阻值最大，所以该量程最低。

当转换开关S接至1mA的触点时，由分流电阻R1～R4构成了1mA电流挡的分流器，与表头实际内阻3.75kΩ、R5、R6并联。因为这时的分流电阻值减小，所以该量程大些。

当转换开关S接至10mA的触点时，由分流电阻R1～R3构成了10mA电流挡的分流器，与表头实际内阻3.75kΩ、R4、R5、R6并联。因为这时的分流电阻又减小，所以量程更大些。

当转换开关S接至100mA的触点时，由分流电阻R1、R2构成了100mA电流挡的分流器，与表头实际内阻3.75kΩ、R3～R6并联。因为这时的分流电阻再次减小，所以量程又大了一些。

当转换开关S接至500mA的触点时，由分流电阻R1构成了500mA电流挡的分流器，与表头实际内阻3.75kΩ、R2～R6并联。因为这时的分流电阻最小，所以电流最大，量程也最高。

由以上分析500型万用表的直流电流测量电路的工作原理可知，万用表扩展多量程是靠改变与表头并联的分流电阻值的大小来完成的，量程越低，则并联的分流电阻值越大，电流越小。

图1-17为MF47型万用表扩展多量程直流电流的测量电路，它也是根据并联电阻分流原理设计制作的。

知识要诀

电表测量直电流，工作原理要记熟，

扩程改变并电阻，量程越大并阻小。

1.2.3 直流电压挡的测量电路和工作原理

万用表直流电压挡的测量电路是在微安表上串联分压电阻（也称附加电阻），便可达到扩展电压量程的目的。附加电阻的电阻值越大，电阻上的电压降越大，所扩展的测量电压的范围也就越大。配不同阻值的附加电阻，就可以得到不同测量范围多量程的直流电压，其相应的原理电路见图1-18。

500型万用表有6个电压挡量程，分别是2.5V、10V、50V、250V、500V和2500V，各电压挡均是在40μA直流电流挡的基础上设计的。单从直流电压挡来看，高电压挡共用低电压挡的附加电阻。在图1-18中，转换开关S1-1旋转在10V挡比在2.5V挡只多R11（150kΩ），而旋转在50V挡比10V挡多R12（800kΩ），比2.5V挡多R12、R11这2只附加电阻（800kΩ+150kΩ）。也就是说，附加电阻值越大，电压量程就越高。2500V直流电压挡的等效电路如图1-19所示，图中R1～R5为低压共用电阻，R16为高压增加电阻。如果低压挡的附加电阻损坏或变质，也会影响到较高的电压挡。

MF47型万用表扩展多量程直流电压的测量电路也是根据串联电阻降压原理设计制作的，如图1-20所示。

知识要诀

电表测量直电压，工作原理熟悉它，

扩程只需串电阻，量程越大电阻加。

1.2.4 交流电压挡的测量电路和工作原理

万用表交流电压的测量电路实质上是在直流电压测量电路的基础上加一个整流电路，因为表头是直流表，所以测量交流电压时，需加装一个并、串式半波整流电路，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。500型万用表的交流电压挡测量电路如图1-21所示。

在图1-21中，测量交流电压时用二极管VD2做半波整流。另一只二极管VD1并联在输入端起保护作用，它可以为反向电压提供释放回路，防止将VD2反向击穿。不管整流二极管是哪种材料的元件，其共同的特点就是具有单向导电特性，即电流只能沿一个方向通过整流元件，该方向称为整流元件的正方向。正方向所具有的电阻叫正向电阻。沿整流二极管另一个方向的电流是很难通过的，该方向所具有的电阻称为反向电阻，它的阻值要比正向电阻大很多倍。通过反向的电流称为漏电流。

图1-22是MF47型万用表扩展多量程交流电压挡的测量电路。它是根据并、串式半波整流与串联电阻降压原理设计制作的。

知识要诀

电表测量交流压，先将交流直流化，

整流要用二极管，单向导电全靠它，

扩程也要串电阻，量程越大电阻加。

1.2.5 电阻挡的测量电路和工作原理

指针式万用表电阻挡的测量电路较为复杂，500型万用表电阻挡的测量电路如图1-23所示。由图可见，它是在40μA直流电流挡的基础上改装而成的。测电阻共分5挡：R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ挡。各挡电阻中心值分别为10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ。前4挡由1.5V电池供电，R×10kΩ挡由9V叠层电池供电。

测量电阻时，在表头上要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。改变分流电阻器的阻值，可以改变电阻的量程。500型万用表R×1kΩ挡电阻测量电路如图1-24所示。由图1-24可见电池与被测电阻和R26形成一个闭合电路；电池与被测电阻和R22、R21的ab部分、R19形成另一个闭合电路；电池与被测电阻和表头内阻、R20、R21的cb部分、R19形成测量指示的闭合电路。前两个闭合电路均为分流电路，最后一个才是测量指示的闭合电路。

图1-25为MF47型万用表测量不同范围直流电阻的实际电路。注意22.9kΩ的电阻和6.8kΩ的电位器串联，阻值设计为30kΩ，通过计算可以得到电表内部从R×1Ω到R×10kΩ挡的等效电阻分别为22Ω、220Ω、2.2kΩ、22kΩ和220kΩ，它们是各电阻挡的中心刻度电阻值。

分析如图1-23、图1-24和图1-25所示电路会发现在测量电阻时，指针式万用表的红表笔（正表笔）实际上接在万用表内部电池的负极。测量电阻时，电流实际上是从万用表的黑表笔（负表笔）经过被测电阻流向万用表的红表笔。

知识要诀

用表测量电阻时，表内需要装电池，

正笔连接电池负，负笔连接电池正。

测量电路较复杂，扩程并、串电阻器，

要想改变测量程，只改分流电阻值。