第二节　万用表

万用表是一种具有多种用途的仪表，一般具有测量交直流电流、交直流电压、音频电平、电阻的功能。万用表有指针万用表和数字万用表两种类型。

一、指针万用表

指针万用表是由共用测量机构（亦称表头）的直流电流表、电压表、交流电流表、电压表及欧姆表组合而成的，其中部分电路是共用的。

无论是交直流电压表、电流表、还是欧姆表，就其结构而言均由测量机构和测量电路构成，指针万用表则增加了一个转换开关，以根据不同的被测电量选择不同的测量电路。指针万用表一般采用磁电系测量机构，表盘上有相应于测量各电量的几条标度尺。测量电路把大小不同的被测电量转变成适合表头测量的微电流，指针万用表将这些测量电路结合在一起。

指针万用表的直流电流挡实际上是一个多量限的直流电流表，一般采用带闭路式分流器的电路。

指针万用表的直流电压挡实质上是一个多量限的直流电压表，大多采用共用附加电阻的多量限直流电压表电路。

1.指针万用表的交流电压挡和交流电流挡

磁电系测量机构只适于测量直流电量，若将磁电系测量机构加上交流电，因表头的永久磁铁的磁场方向是不变的，因此这时作用在动圈上的力矩方向将随电流方向的改变而改变。若通入的交流电的频率是50Hz，则每秒钟电流的方向要变化100次，力矩的方向也将变化100次，由于表头的活动部分具有一定的惯性，所以力矩方向迅速地改变，而指针根本就不发生偏转。为了测量交流电量，必须在表头上配上整流电路，把交流电转变成直流电。

表头活动部分的偏转角α正比于流过表头的整流电流的平均值Ip。因此，磁电系测量机构与整流电路构成的整流式仪表所指示的是交流电流的平均值，然而在实际应用中交流电压或电流通常用有效值来表征，为使整流式仪表便于使用和测量，它总是按正弦情况下交流电的有效值来刻度的。

有效值与平均值之比称为波形因数，对于不同波形的交流信号，波形因数的数值也不同。对于正弦交流电而言，全波整流时：

半波整流时：

若将整流式仪表用于非正弦交流电量的测量，必将因波形因数不同而带来误差。

带有整流电路的表头加适当的附加电阻即构成交流电压表。为使整个测量电路较简单，指针万用表大多采用各量限共用附加电阻的形式。

加有整流电路的磁电系测量机构装上适当的分流电阻，就构成了交流电流表。这同构成直流电流表原理基本一样。同样构成多量限交流电流表的原理也与之类同。

2.欧姆表及指针万用表的欧姆挡

（1）欧姆表测量电阻的原理

欧姆表测量电阻的原理电路如图1-7所示，图中电源E为干电池，端电压为U，电源与表头及固定电阻R相串联，从a、b两个端钮间可接入被测电阻RX。

固定电阻R是这样选择的，当RX=0也即a、b两端短路时，流过表头的电流I正好使表头满标度偏转。这时流过表头的电流I=U/（R+RC）=IC，式中RC是表头内阻阻值，IC是表头的满偏转电流。接入被测电阻RX后，工作电流I为

由上式可看出：

①当电源电压U保持不变时，在电路中接入某一数值的被测电阻RX，电路中就有一相应的电流流过表头，指针就会有一确定的偏转；当被测电阻RX改变时，电流I发生变化，指针位置也会发生相应的变化，即指针的偏转角大小与被测电阻的大小是对应的。如果表头的标度尺预先按电阻刻度，就可以直接用来测量电阻。

②被测电阻RX越大，电路的工作电流I越小，指针偏转也越小。当RX为无穷大时，I=0，这时表头指针指在零位。可见当被测电阻RX在0～∞之间变化时，指针在满标度和零位间变化，所以欧姆表的标度尺为反向刻度，这和电流、电压表的标度尺刻度方向是不一样的。由于工作电流I同RX间成反比例关系，所以测量电阻的标度尺的分度是不均匀的。欧姆表标度尺如图1-8所示。

（2）零欧姆调整器

在讲述测量电阻的原理时，是假定电源电压恒定不变的。但实际上干电池的端电压U是不能保持恒定不变的，使用久了或时间放长了，其端电压就会下降，或者说内阻就会上升。这时当RX=0时，指针就不再满标度偏转。用这样的欧姆表来测量被测电阻RX，其结果显然是不准确的，它包含了干电池内阻的增值，给测量带来很大的误差。为了消除这种误差，可在表头的两端并联一个可调电阻R0，如图1-9所示。若电池端电压U下降，使RX=0时指针不能满偏转，可调节R0使之满偏转，指在欧姆标尺的零位，故称R0为零欧姆调整器。

实际的欧姆表测量电路中，用得较多的是分压式零欧姆调整器，如图1-10所示。它与图1-9所示零欧姆调整器不同之处是，调节R0不仅改变分流支路的参数，而且改变表头支路的参数，显然其调整效果更佳。且加有，限定了分流电阻的最小值。请注意，无论是图1-9所示的零欧姆调整器，还是图1-10所示的分压式零欧姆调整器，它们的出发点都是在电池端电压变化而被测电阻不变时使表头支路的电流不变。

为了减少因电池电压变化带来的测量误差，每次测量前均必须进行零欧姆调整，所以指针万用表的零欧姆调节电位器的手柄是伸出表面的。指针万用表欧姆挡零欧姆调整的方法是：将测试棒短接（即RX=0），调节零欧姆调节器，使指针指向欧姆标度尺的零刻度。

（3）欧姆中心的意义

在图1-10所示加有分压式零欧姆调整器的电阻测量电路中，工作电流I为

式中，R′为电阻R和电池内阻之和；为表头电阻RC与零欧姆调节器支路的电阻串、并联后的等效电阻。

当RX=0时，指针满标度偏转，这时工作电流I达到最大值：

当时有：

即当RX等于欧姆表的总内阻时，测量回路的工作电流I将下降一半，因并联支路的电流是按比例分配的，所以表头支路的电流I0也将下降一半。因此，这时指针位于满标度偏转的二分之一处，即指在标度尺的中心。该中心刻度值称为欧姆中心。换言之，欧姆表的欧姆中心就是标度尺的中心刻度值，等于欧姆表的总内阻值。这就是欧姆中心的意义。

虽然欧姆表的刻度从0～∞，但实际有用的测量范围仅仅局限在基本误差较小的标度尺中央部分，一般对应于1/10～10倍欧姆中心值。这可通过工作电流I同RX间的关系来说明：当RX>10RZ时，工作电流I的变化范围为

而RX处在10～1/10RZ范围内时，电流I变化范围近似为

显然，对于同样的被测电阻变化量ΔRX所引起的工作电流变化量ΔI，前者比后者要小得多。例如被测电阻RX从10RZ变化到11RZ时所引起的工作电流变化量ΔI为

而RX从RZ变化至2RZ时所引起ΔI为

虽然RX的变化量ΔRZ同为RZ，但前者所引起的ΔI很小，以至在表盘上很难分辨。

当时，工作电流I为

即在这个范围内工作电流I已基本不随RX的变化而变化。

I与RX的这一关系反映在标度尺上就是刻度不均匀，标尺一头刻度很密，而另一头刻度很疏。由此可见，通过欧姆中心值，可以知道欧姆表测量电阻的范围。

（4）测量电阻倍率挡的扩大

在实际使用中，需要测量各种大小不同的电阻值，因而欧姆表都做成具有不同欧姆中心的多倍率欧姆表。为了共用一条标度尺，方便读数，各欧姆挡的欧姆中心值是以10为倍率渐进的。例如，R×1挡（称为标准挡）的欧姆中心值是12Ω，则其他各挡的欧姆中心就分别取120Ω、1200Ω……从而构成多量限欧姆表的R×10挡、R×100挡……

为了扩大欧姆表测量电阻倍率，通常采用提高测量电路灵敏度的方法，即在不提高测量电压U的情况下，改变测量电路的分流电阻值，使表头支路的电流I0之变化范围不因欧姆中心值的增大而缩小。显然这种方法是有一定限度的。图1-11是一个多量限欧姆表的测量电路。虚线上部实际是一个多量限直流电流表，E是测量电源，而R7、R8、R9的作用则是使各挡的总内阻值等于该挡的欧姆中心值。不难看出，倍率越高，测量电路的灵敏度亦越高。若仅靠提高测量电路灵敏度难以实现更高的倍率，则可用提高测量电压的办法来实现。

（5）指针万用表的欧姆挡

①MF-30型万用表的欧姆挡

MF-30型万用表的欧姆挡电路原理如图1-12所示，它是以最低直流电流挡为基础外加分流电阻和测量电源构成的，前四挡用1.5V测量电源，用逐步加大外加分流电阻的办法来提高倍率，而第五挡（即×10k挡）选用了15V的测量电源，用提高测量电压来提高倍率。1.7kΩ的电阻是它的零欧姆调整器。

②MF-14型万用表的欧姆挡

图1-13是MF-14型万用表的电阻测量电路。该电路的前三挡选用1.5V的测量电压，用在分流支路中选用不同的抽头点来改变倍率，最高挡×1k挡不仅在分流支路中选用较高灵敏度的抽头点，而且测量电压也改用15V的电源，电阻R43是它的零欧姆调整器。

3.指针万用表的正确使用

指针万用表的结构形式多种多样，表面上的旋钮，开关布置各有差异，并且测量类型多，各类测量中量限差异又大，所以正确使用指针万用表非常重要。

（1）测量类型选择

测量前首先要根据被测对象，选择好类型将开关旋至相应位置，绝不可张冠李戴，否则轻则得不到正确结果，重则烧坏指针万用表表头。例如用电流挡或欧姆挡来测电压，这时因指针万用表内阻较小，很可能流进大电流而将指针万用表烧坏。

（2）量限选择

应根据被测量的大致范围选择好量限，测量电压、电流时，最好使指针指示在满标度的1/2或2/3以上，这样测量结果较准确。若不知被测量大小可先选择大量限，然后根据测量情况，确定是否改换量限。

（3）测量连接

类型、量限选择好后，即可进行测量。测量电压时将指针万用表并接在被测支路上；测量电流时应将指针万用表串入被测支路。测量直流电量时特别要注意仪表极性，即测直流电压时应将连接指针万用表正极的红色表棒接被测电路的正极，连接指针万用表负极的黑色表棒接被测电路的负极。而测直流电流时，应让被测电流经红色表棒流入指针万用表，再从黑色表棒流出。若不知被测量极性，可把量程置于最大，先将一个表棒接入电路一端而用另一个表棒去碰电路另一端，注意指针方向，若往正方向偏，说明指针万用表接入方向正确；反之，则需对换表棒进行测量。

（4）欧姆挡的正确使用

指针万用表欧姆挡测量电阻时必须注意下列各点：

①选择适当的倍率，尽量使指针指示在接近欧姆中心的刻度部分。因为，被测量越接近欧姆中心，读数越准确。例如用MF-30型万用表测200Ω左右的电阻，应选用R×10挡，这时欧姆中心是250Ω，与之较接近。若选用R×1挡，虽也可测，但因离欧姆中心（25Ω）较远，读数较困难。

②测量前应先“调零”，即将两测试棒短接，旋转“零欧姆调整旋钮”，使指针指在零欧姆位置。这是保证测量准确度必不可少的步骤。若靠“零欧姆调整旋钮”无法调至零欧姆刻度，则需更换内部相应的测量电源。

③不能带电测量电阻。若带电测量相当于在测量回路中又增加了一外加电源，这不仅会使测量结果无效，而且可能烧坏表头。所以测某电路的电阻时，第一步应断开电源。

④被测电阻不能有并联支路，否则测得的电阻值将不是被测电阻之实际阻值，而是某一等效电阻值。所以测量前应断开所有并联支路。除非能肯定所有并联支路的等效电阻比被测电阻大得多，对测量影响不大。

⑤零欧姆调整要迅速，不调零时要注意不要让测试棒短接，以免浪费干电池。

（5）正确读数

读数时首先应分清各类标尺，从相应的标度尺读数，不要混淆。若表盘有反射镜，则应待指针与反射镜中镜像重合时读数，以尽量减少读数误差。

（6）注意操作安全

①测量时手不要与表笔金属部分接触。特别是测大电流、高电压时更应注意，最好一只手拿两个测试笔，以保证测量安全和测量准确度。

②测大电流、高电压时，不要带电转动转换开关，否则开关触点会出现电弧，这对于指针万用表专用的弱电开关来说是承受不了的。

③测量直流电压叠加交流信号时，应考虑仪表转换开关的最高耐压值。若叠加电压峰值很大，转换开关印刷接触片间绝缘会因电压过高而击穿。

④使用指针万用表后，一般应将转换开关旋至交流电压最高挡。这样可防止在欧姆挡时表棒短接内部测量电源——电池，更可防止下次使用时不注意看转换开关就立即去测电压烧坏指针万用表。

总之，使用指针万用表前一定要认真看懂说明书，掌握使用方法后方可动手，要细心、谨慎，切不可草率从事。

二、数字万用表

数字万用表同指针万用表一样，并且有测量直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻等多种功能。由于它具有数字式测量仪表的优越性，且因采用集成电路而轻便、灵活，所以应用越来越广。

数字万用表以数字式直流电压表为基础。测量直流电流、交流电流、电压、电阻等其他电量靠相应转换电路实现，其结构如图1-14所示，它主要由A/D转换器、计数显示器、整流器、电阻—电压变换器、电流—电压变换器等部分组成。其中A/D转换器和计数显示器实际上就构成了一个直流数字式电压表。

1.A/D转换器

A/D转换器是进行电压、电流、电阻等数字测量的最关键部分，其种类繁多且采用的A/D转换器不同，模数转换方式不同，测量精度也就不同。一些数字式电压表、多用表常以所用A/D转换器的类型代表其测量方式。数字式电压表、多用表用得较多的是二重积分式A/D转换器，其框图如图1-15所示，由基准电压Er，时钟脉冲，模拟开关K1、K2和K3，积分器，比较器，控制逻辑电路等组成。它通过两次积分把被测电压变换成与其平均值成正比的平均间隔，然后对这个间隔用时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。

2.交、直流电压的测量

（1）测量直流电压

A/D转换器和计数显示电路构成最基本的数字式电压表，其测量范围有限，类似于指示式仪表中的表头。要实际用于测量，还需由测量电路扩大测量范围。数字式电压表的测量电路由分压器和类似射极跟随器的输入阻抗变换器构成。由于其输入阻抗变换器由运算放大器构成，具有输入阻抗很大、输出阻抗极低的特点，所以数字式电压表的输入阻抗可做得很高，其阻抗就近似于分压器的阻抗，因而其分压器一般由高阻值电阻构成。

（2）测量交流电压

交流电压测量如图1-16所示。它增加了整流电路和平均值—有效值转换电路，即将交流电量转变成直流电量进行测量，因数字式电压表测得的是平均值，而常常要测量有效值，所以还需进行平均值—有效值转换，而这只要经具有一定放大倍数K的放大器放大即能实现。例如半波整流后平均值为0.318Um，则要求K为

式中，U为有效值； 为平均值；Um为峰值。

3.电阻的测量

电阻测量是通过恒流源供电的伏安测量法，将被测电阻转换为相应的直流电压进行测量的，如图1-17所示。由于采用恒流源，所以Ux与Rx存在以下线性关系：

式中，Is为恒流源输出电流。

不难理解，适当选择Is可使指示值同电阻值一致，选择不同的Is可实现量程的变换。例如可选择Is1=1mA，Is2=0.001mA两种，但Ux均为4.5V，则它所代表的被测电阻Rx分别为

前后两式Rx1、Rx2的值一致，均为4.5，但单位不相同。

4.交流、直流电流的测量

将电流转换成电压较容易，只要使电流流入分流器，在分流器上即可取得相应的电压降，并且经改变分流电阻值即可变换电流测量量限，交流电流测量同交流电压测量原理相似，只要增加整流器和平均值—有效值变换器即可实现。

5.显示位数

数字万用表的显示位数有位、位、位、位、位、位、位、位等。它确定了数字万用表的最大显示量程，是数字万用表非常重要的一种参数。

数字万用表的显示位数都是由1个整数和1个分数组合而成的。其中，分数中的分子表示该数字万用表最高位所能显示的数字；分母则是最大极限量程时最高的数字。而分数前面的整数则表示最高位后的数位。

例如：位中，整数“3”表示数字万用表最高位后有3个整数位；中的分子“1”表示该数字万用表最高位只能显示从0～1的数字，故最大显示值为±1999；分母“2”表示该数字万用表的最大极限量程数值为2000，故最大极限量程为2000。

通常，普及型的手持式数字万用表多为位、位、位、位、位，其他以上的大多为台式数字万用表。

6.数字式万用表的使用

现以DT-830型为例，介绍数字式万用表的使用方法。

（1）主要性能指标

①显示：LCD（液晶FE型）最大显示为1999或-1999，有自动调零和自动极性调整功能。

②测量类型：DCV，ACV，DCA，ACA，Ω，hFE，二极管及连续检验。

③输入超限：显示“1”或“-1”。

④测量范围和输入阻抗：

a.直流电压（DCV），0.1mV～1000V，分五挡。最大允许输入在200mV、2V和20V挡时，为1000V直流电压或交流电压峰值；在200V和1000V挡时，直流电压或交流峰值电压不能大于1100V，输入阻抗10MΩ。

b.交流电压（ACV），0.1mV～750V，分五挡。最大允许输入电压为交流有效值750V或直流750V。输入阻抗为10MΩ，电容小于100pF。

c.直流电流（DCA），0.1μA～10A，分五挡。200mA以下各挡允许最大电压负荷为250mV；10A挡时，允许最大电压负荷为700mV。

d.交流电流（ACA），0.1μA～10A，分五挡。允许频率为45～500Hz，各挡最大负荷电压同上。

e.电阻（Ω）0.1Ω～20MΩ，分六挡。最大允许输入250V直流电压或交流电压（有效值）。

f.二极管检验，测试电流（1±0.5）mA，提供开路电压2.8V。

g.hFE检验范围，0～1000，提供Uce=2.8V，Ib=10μA，有PNP、NPN两挡。

h.通过蜂鸣器进行连续检验，分辨率0.1Ω，测试电阻小于20Ω，最大开路电压1.55V，最大测试电流1mA。

（2）面板布置

图1-18为DT-830型数字式万用表面板图。

①选择开关，具有选择测量方式和量限的功能。测量方式共有8种选择，分别为DCV、ACV、DCA、ACA、Ω、hFE、二极管检验、连续检验。

②输入插孔有四个，用什么插孔测量需根据所选测量类型、量限而定。

a.黑色测笔始终插入“COM”插孔。

b.测DCV、ACV、Ω、二极管和连续检验蜂鸣器时，红色测笔插入“V-Ω”插孔。

c.测量DCA、ACA量限在200mA及以下时，红色测笔插入“mA”孔。

d.测量DCA、ACA量程需选择10A挡时，红色测笔应插入“10A”挡。

③hFE插孔用于连接晶体管管脚。基极、集电极分别插入“B”和“C”孔，发射极接到“E”插孔之一。

④电源开关，置“ON”位置时，工作电源接通。

⑤显示，LCD屏显示数、小数点、“—”号及低电压提醒等符号。

（3）测量方式

①测量直流电压

a.量限开关选择所需“DCV”挡位。不知大致范围时选择最高挡位。

b.黑色测笔插入“COM”插孔；红色测笔插入“V—Ω”插孔。

c.电源开关扳至“ON”。

d.测试笔接至测试点，读数即现。位数少时可调小量限。

②测量交流电压

选择开关扳至所需“ACV”挡位，其他步骤同上。

③测量直流电流

a.量限开关扳至所需“DCV”位置，不知大致范围时放在最高量限。

b.黑色测笔插入“COM”插孔。

c.红色测笔在200mA以下各挡时，放“mA”插孔；10A挡时，应放“10A”插孔。

d.打开电源开关。

e.测笔接至测量点，即可现读数。

④测量交流电流

将选择开关置于所需“ACA”位置，其余测试步骤同DCA测量。

⑤电阻测量

a.量限开关置于要求的“Ω”挡位置。

b.黑色测笔接“COM”孔，红色测笔接“V—Ω”孔。

c.接通电源，测试笔接至测试点，即可现读数。若位数少可适当调小挡位。

⑥二极管检验

a.量程开关置“二极管”，表棒按“Ω”挡连接。

b.红色测笔接二极管正极，黑色测笔接负极，测其正向特性。这时液晶显示二极管正向压降，显示值一般为500～800mV。若显示“000”说明短路了，显示“1”说明开路。

c.若用红色测笔接二极管负极，黑色测笔接正极，可测二极管反向特性。好的显示“1”；损坏的显示“000”或其他值。

⑦hFE测量

a.根据三极管类型将量限开关置于“PNP”位或“NPN”位。

b.接通电源。

c.晶体管按其管脚极性插入hFE插口。

d.液晶显示晶体管hFE值。

⑧用表内蜂鸣器进行连续检查

a.量程开关置“蜂鸣器”位。

b.表棒按测电阻法连接。

c.电源接通，测试笔接至被测电路，若被测电路电阻在20Ω以下，表内蜂鸣器发声，表示电路导通。