500型指针式万用表功能扩展实验设计

邓 敏 何 兴 廖家欣 唐贵平 仇 炜 周宁宁

（长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410004）

1 引言

500型指针式万用表具有多功能、多量程、操作简单、价格便宜等特点，是以前实验室常用的教学仪表.不少单位根据特殊用途对万用表进行功能拓展［1～5］.随着实验室仪器设备不断更新，其使用效率逐步降低.本文利用其直观的教学特点，将其电阻档位扩展作为学生的创新性实验设计项目，既锻炼了学生的动手能力和创新能力，又充实了学院大学生创新实验基地的仪器仪表.

500型指针式万用表的电阻档有R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ五个档位，最大量程是10kΩ［6］，最大可以测得1～2MΩ，但是，当被测电阻阻值达到40kΩ时，测量值就不太准确了.当被测量的电阻太大时，误差明显增大，从而使该表的使用受到了一定的限制.在检修电视机或测量绝缘电阻时，需要测量更大阻值的电阻，此时的R×10kΩ电阻档已经不能满足测量的要求，这往往给测量带来不少的麻烦.本文在500型指针式万用表的基础上增加一模块，提高电阻高量程测量精度.

2 R×30kΩ电阻档扩展方案及设计

2.1 万用表电阻档扩展的要求

将500型指针式万用表增加电阻档R×30kΩ档，不影响原来万用表的功能，提高高电阻的测量精度.增加的功能模块必须内置.

2.2 500型万用表电阻档扩展原理

要扩展电阻档的量程，必须增大电流.在不改变原电阻的刻度线、不破坏以前的电阻档功能的情况下，采取同时增大电压和相应的欧姆中心值方法，实现高电阻精确测量功能.

500型万用表的电流表满偏电流IM＝50μA，对于R×10kΩ档，欧姆中心值R0＝100kΩ，电池电压为1.5V与9V电压的串联，即E＝10.5V.若待测电阻为Rx，则满足以下的关系表达式

500型万用表R×10kΩ档电路（图1上半MΩ部分虚线围成的部分），可等效为图2电阻测量电路，等效表头的满偏电流为100μA、内阻为100kΩ，电压E≈10V，则电流I1＝50μA；扩展为R×30kΩ档时，欧姆中心值R′0＝300kΩ，可等效为图3电阻测量电路，等效表头的满偏电流仍然等效为100μA、内阻为300kΩ，电压E≈30V，则电流I2＝50μA.

因此，在不改变IM的条件下，要想拓展电阻的量程，电压升高多少倍，其电阻也必须升高多少倍.也就是说把电压提升n倍，与此同时，欧姆中心值也要相应地增大n倍.即

因为

所以IM保持不变.故需要增加相同倍数的电压和相同倍数的电阻.

图1 带R×30kΩ档的500型万用表电阻档电路图

图2 500万用表R×10kΩ档电阻测量等效电路图

2.3 扩展R×30kΩ电阻档设计

利用1.5V的电池产生的电流，经过晶体三极管3DG.12进行放大，制作耦合升压变压器，经过

图3 扩展为R×30kΩ档电阻测量等效电路图

耦合升压变压器的升压，把电压提高到所需要的电压.再经过整流二极管的整流及30V稳压二极管的稳压，最后通过电容器滤波，把输出的电压稳定在30V左右.拓展升压变压功能电路如图1下半虚线围成的部分.

图1为加上附加装置后的500型万用表电阻档的总体电路图（其中 R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ档电路未画出）.它不影响R×1Ω、R×10Ω、R×100Ω、R×1kΩ、R×10kΩ档的功能.要扩展R×30kΩ档，应取n＝3倍，E′＝3E＝31.5V，R′0＝3R0＝300kΩ.需要把表内的9V电压源替换为30V，把1.5V的电压源串联到被测电路中，共同构成E＝31.5V的电压源.若要使用R×30kΩ档只需把9V电池替换为30V电源，闭合单刀开关，就直接可以使用R×30kΩ的电阻档.

2.4 扩展R×30kΩ电阻档的电路分析

图1设计的扩展电路，核心元件是三极管.三极管3DG.12的作用是把1.5V的电流放大，它的击穿电压为100V.0.04μF电容器的作用是使耦合线圈产生振荡，产生稳定变化的电压.200Ω的电阻限制三极管的基极电流，防止三极管进入饱和区.0.1μF电容器的作用是进行滤波和整流，使输出的电压没有杂波的干扰，输出稳定的电压.

经过自制感应线圈的感应，使主线圈的电压通过负载线圈进行升压，用500匝线圈的两端接线柱实现电压的输出.

整流二极管VD1的作用是把通过负载线圈的电流进行半波整流，使输出的电流变化比较小，考虑到电压的波动范围，选用最高反向工作电压为100V、额定整流电流为1.0A、型号为1N4002的整流二极管.

稳压二极管采用30V的稳压二极管，它的作用是把输出的电压稳压在30V，使电压不随外界的电阻变化而变化，达到稳压的效果.选用稳压为30V、工作电流为5mA的1N6011B（国产型号为2CW358）稳压二极管.当稳压管工作在稳压区，即保证稳压管的电流在IZ≤I≤IZM，可以保证稳压管输出的电压U0基本稳定［7］.

200kΩ电阻的作用.扩展的电阻档为R×30kΩ时，万用表的中心值应该为R×10kΩ档时中心值100kΩ的3倍，也就是R′0＝3R0＝300kΩ.原万用表的电阻为100kΩ，因此，须在正极的输出端增加一个200kΩ阻值的电阻.从而保障了扩展之后欧姆档在测量电阻时可以调零.

2.5 扩展R×30kΩ电阻档的电路调试

首先，检查附加装置的电压是否达到了30V，并且检查稳压管是否工作在稳压的区域，可以用数字万用表的电压档进行电压检测.

其次，进行调零功能检验.在测量前，必须先进行欧姆档的调零.如果不可以调零，必须检查电压是否到达所要求的标准.假如电压达到，但是仍不能调零，必须检查欧姆中心值是否计算正确.

最后，用数字万用表对大于40kΩ的电阻进行测量比较，并进行比较分析.

2.6 稳定性要求

设计的附加装置升高的电压是利用1.5V电池实现.电池电压高于1.2V，就可以进行正常测量.当电池电压低于1.2V时，欧姆挡不可以进行调零，测量时误差增大.所以，要达到精确测量，必须使电池电压稳定在1.2V以上.

3 功能测试与结果分析

利用UT51型数字万用表测量8个大于40kΩ阻值的电阻，再使用500型指针式万用表扩展的R×30kΩ档和R×10kΩ档进行对比测量，并以数字万用表测量值作为标准值，计算出相应的相对误差，测量结果如表1所示.

表1 测量结果比较

从表中测量数据可以看出：

1）指针越接近刻度尺中间，读数越准确.由于电阻档刻度是不均匀的，一般使指针指在刻度尺的区段，测量精度最高，越往左边，刻度越密集，测量值越不准确.

2）在40～1980kΩ范围之间，使用R×10kΩ档测量，平均相对误差为6.5%，使用R×30kΩ档的测量，平均相对误差为1.3%，显然用扩展的R×30kΩ电阻档比使用R×10kΩ档测量大于40kΩ电阻的精确度要高得多.

4 结论

本文针对500型指针式万用表电阻档测量高电阻时读数不够精确的问题，指导学生在不改变原500型万用表各个档位的基础上，扩展了一档R×30kΩ，在40～1980kΩ范围内，平均相对误差降低到1.3%.因扩展部分的附加装置体积小，可直接放入500型万用表内，通过增加档位开关控制，操作简单、方便.

［1］ 沙占友，沙莎.万用表检测技术（上）［M］.北京：电子工业出版社，2005.1～18

［2］ 张晓春.万用电表的功能扩展与应用［J］.实验室研究与探索，1997，（2）：59～60

［3］ 沙占友.万用表检测技术（下）［M］.北京：电子工业出版社，2005.1～56

［4］ 王德朝，何一华.给500型万用表加高兆欧档［N］.电子报，2007，（1）14（019）

［5］ 童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.23～34，509～535

［6］ 萧淑霞.万用表使用自学通［M］.北京：中国电力出版社，2006.1～37，88～157

［7］ 周善芳，赵汝俭.浅谈万用表功能的扩展利用［J］.实验室研究与探索，2004，23（3）：48～49