指针式万用表的原理与检修

指针式万用表的原理与检修

万用表是电子爱好者必备的工具，虽然现在有各种各样的数字式万用表，但指针式万用表以其特有的一些优点，如读数直观、形象等，在某些情况下的测量是优于数字式万用表的，所以仍然有很多人喜欢使用指针式万用表。

关于指针式万用表的资料虽然不少，但比较详细透彻的介绍并不多，本文以初学者使用较多的MF47和MF50型指针式万用表为例，尝试较详细地介绍其电路部分的工作原理及一些检修事项。

一、基本原理与结构

1．基本原理

指针式万用表（以下简称万用表）的核心是一只直流微安表，一般称为表头。万用表的很多重要性能，如灵敏度、准确度等级、阻尼及指针回零等大都取决于表头的性能。表头的灵敏度是以满刻度时的测量电流来衡量的，此电流又称满偏电流，表头的满偏电流越小，灵敏度就越高。一般万用表表头的灵敏度大多在10～100μA范围内。MF47型和MF50型万用表表头的灵敏度分别是46.2μA和83.3μA。

由于表头只能通过几十微安的电流，所以要用于实际测量就必须加以扩展，加入测量电路，把被测的电量转化为适合于表头要求的满偏电流以内。

测量电路一般包括并联分流电路、串联分压电路和整流电路，以及在串联分压和并联分流基础上再加入电源扩展为可测量电阻的电路等，如图1 所示。

（a）测量直流电流（b）测量直流电压（c）测量电阻

图1 微安表扩展测量电流、电压和电阻的原理

2．结构

万用表主要由三部分组成：表头、测量电路和转换开关。

表头如前所述是一只直流微安表，而测量电路的作用则是把被测的电量转换为适合于表头要求的满偏电流以内。对MF47型万用表来说，在通过测量电路之后，应该使通过表头的电流限定在直流46.2μA以内，而对于MF50型万用表来说，这个电流则是限定在83.3μA以内。

转换开关是用来选择各种不同的测量电路，以实现不同种类和不同量程的测量要求。转换开关的好坏直接影响万用表的使用效果，好的转换开关应转动灵活、手感好、旋转定位准确、触点接触可靠等，这也是选购万用表时应重点检查的一个项目。

二、工作原理

1．最小量程及直流电流测量电路

由于表头只能通过很小的电流且一般不是某个整数，而测量电路的各个量程一般是某个最小整数值的倍数，所以就要求有一个测量的最小量程，其它各个量程只需在最小量程的基础上加入不同的测量电路即可。

MF47型万用表的最小量程是50μA（0.25V），其它的直流电流量程都是在此基础上再并联不同的分流电阻组成。如图2中的0.025Ω、0.47Ω、5Ω、50.5Ω、555Ω五个电阻即是并联的分流电阻，除去上述五个电阻就是MF47型万用表的最小量程电路。

当选择500mA量程时，电流主要流过0.47Ω和0.025Ω所形成的通路，最多只允许有50μA的电流流过最小量程电路，即不超过50μA 的电流经过2.69kΩ电阻，再经串联的20kΩ和10kΩ电阻分流，最后只有不到46.2μA的电流流经直流微安表。

MF50型万用表的最小量程是100μA，如图3所示。不同于MF47型万用表的是没有再并联单独的分

流电阻，而是直接用最小量程中串联的不同阻值的电阻作为分流电阻，即“一阻二用”，分流电阻本身除了为不同量程的电流分流外，还是最小量程电路的一部分。

从图中可看出，当使用2.5A量程时，电流主要流过0.3Ω电阻，只有不超过83.3μA的电流经2.7Ω、27Ω、270Ω……510Ω、1000Ω可调电阻等流过微安表头；当使用250mA量程时，电流主要流过串联的0.3Ω和2.7Ω两个电阻等。

图2 MF47型万用表的最小量程及直流电流测量电路

图3 MF50型万用表的最小量程及直流电流测量电路

为了防止表笔反接及电流过大损坏表头，加入了如图2和图3中与直流微安表头相并联的两个二极管，其平时不起作用。并联的电容主要起阻尼作用，使指针摆动较为平顺，如将其增大，则指针转动会变慢。1000Ω可调电阻是用来校正读数偏差的，即校准用。

2．直流电压的测量

在直流电路中，电流、电阻、电压间的关系是符合欧姆定律的。既然表头可流过电流使指针偏转，而表头自身又有一定的电阻，所以万用表的表头实际上也是一只直流电压表（U=IR），只不过测量范围很小，一般只有零点几伏。实际电路中，万用表是通过串联电阻分压来达到扩大量程的目的的。所串联电阻越大，则可测量的电压就越高，电压档不同的量程就是通过转换开关获得不同的分压电阻来实现的。MF47和MF50型万用表直流电压档的电原理图如图4和图5所示。

由于MF47型万用表的灵敏度较高，最小量程只有50μA，是MF50型万用表100μA的一半，在高电压量程，所串联的电阻阻值会很大，如500V量程就应串联将近10MΩ的电阻，这会造成测量精度下降等。为了解决这一问题，MF47型万用表在250V以上的量程除了串联电阻外，还并联了一个4.15kΩ的电阻分流，以减小串联电阻的阻值，如图4所示。

图4和图5中所串联的电阻的阻值可用欧姆定律简单的计算出来，如图4中的10V量程，串联的总电阻为R=150k+30k+15k=195k，通过的电流为I=50μA，所以串联电阻分压值：U=IR=50μA×195k=9.75V，再加上最小量程的0.25V正好是10V。

对于其它量程所串联或并联的电阻阻值，感兴趣的读者可自行计算验证。计算时，MF50型万用表最小量程对应的电压是0.125V（可根据图3中数据计算出来）。

图4 MF47型万用表直流电压测量电路

图5 MF50型万用表直流电压测量电路

3．交流电压的测量

由于表头只能流过直流电，因此测量交流时还需要一个整流电路。万用表中一般采用二极管半波整流的形式将交流变为直流。

如图7的MF50型万用表交流电压测量电路中，当被测交流电处于正半周时，电流经分压电阻（如50V 时的36.1k＋160k）及整流二极管V2等流进表头，指针偏转；而在被测交流电的负半周，电流直接从二极管V1流过分压电阻，而不经过表头。

图7中，650Ω电位器用来调节交流电压档的读数偏差。

图6 MF47型万用表交流电压测量电路

图7 MF50型万用表交流电压测量电路

4．电阻的测量

因为电阻本身不能提供电流给万用表使指针偏转，所以在用万用表测量电阻时必须配备电源，这就是万用表内部安装电池的原因。

在测量电阻时，被测电阻和万用表内的电池及测量电路是串联的。所以，流经表头的电流主要是由被测电阻所决定的，此电流反映在表盘上，通过欧姆标度尺即为被测电阻的阻值。当被测电阻阻值较小时，流经表头的电流较大，指针向右偏转的角度也大，反之，偏转角度则小。所以，欧姆标度尺的右端数值小，左端数值大。

图8和图9分别是MF47型万用表和MF50型万用表的电阻测量电路。

以图9电路中R×10量程为例，MF50型万用表实际上是取100Ω电阻两端的电压为测量对象的，当被测电阻阻值较大时，电路中电流较小，则100Ω电阻两端的电压也较低，通过7.78kΩ电阻等流进表头的电流也不大，指针偏转角度小；反之，当被测电阻较小时，电路中电流较大，指针偏转角度也大。当两只表笔短接时，1.5V电压全部加在100Ω电阻上，使表头中电流最大，指针停在了欧姆标度尺的最右端。很明显，调节2000Ω电位器可改变流经表头的电流大小，使表指针在最右端的一定范围内摆动，当调节到合适位置时，表指针可停到欧姆标度尺的“0”，此2000Ω电位器就是测量电阻时的调零电阻。

在被测电阻阻值大于几十千欧以上时，只靠1.5V电压不能提供足够的电流使万用表指针大角度偏转，所以R×10k量程又加入了一个电源，单独或和1.5V电源串联。

实际电路可能与附图有差别，如MF50型万用表，有些生产厂家将15V电源改为9V并与1.5V电源相串联，相应电阻阻值也有所改变，但电路结构没变。

图8 MF47型万用表电阻测量电路

图9 MF50型万用表电阻测量电路

4．三极管h FE的测量

万用表对三极管h FE的测量除利用了三极管基本放大电路外，基本原理同电阻的测量相同。如图10所示，对三极管h FE的测量实际是以电阻R两端的电压为测量对象的，三极管的h FE大，则通过电阻R的电流也大，其两端的电压就高，那么流进表头的电流也会大，最后使表指针的偏转角度也大。

图10 万用表测三极管h FE的原理

在实际使用中，由于两种万用表在面板上都是将ebc 三个插孔排在一条线上，当三极管的引脚排列顺序与之不相同时，测量三极管的h FE就显得不太方便，如果像有些万用表那样布局成三角形就方便多了。

将以上各测量电路结合在一起，即是万用表的整机电原理图。图11所示是MF50型万用表电原理图。

图11 MF50型万用表的整机电原理图

三、万用表的检修

由工作原理可知，万用表的最小量程电路是其电路的核心，其余各量程只不过是通过转换开关并或串电阻等组成。如果最小量程电路部分出故障，则会影响所有量程，而其余部分出故障只是影响个别量程。所以在对万用表检修时，首先应确定是所有量程指示不对还是个别量程指示不对，从而确定故障范围。特别是对于MF50型万用表来说，由于最小量程部分串联有多个电阻，而这些电阻又是直流电流测量电路的一部分，所以其中任何一个电阻或电位器有变值或短路、断路、接触不良等故障，将影响万用表所有量程的测量。误测烧表也多是烧坏的这一部分。故应弄清每个元件在表内的实际位置，以便损坏时检查维修，特别是2.7、27、270和2000这几个电阻与电位器。

1．电流量程和电阻量程的检测方法

由于万用表测量电阻时内部有电源，而且在表笔短接时指针偏转到最右端，电流最大，而电阻值则指示为“0”（必要时要调零），当指针正好指示到表盘标度尺的正中间（中心）时，可知此时通过万用表的电流是短接时的一半，那么，也可知此时被测电阻的阻值和这一量程的万用表等效内阻相等，即万用表欧姆标度尺的中心值和所用量程的乘积就是万用表这一量程的等效内阻。

例如，MF50型万用表的中心值是10，其R×1量程的等效内阻则是10Ω，R×100量程的等效内阻则是1000Ω，对应于这两个量程短接时的最大电流分别是150mA和1.5mA。MF47型万用表的中心值是16.5，其R×1k量程的等效内阻则是16.5kΩ，这一量程短接时的电流为0.09mA等。

利用上述特点，不需打开后盖，用两只万用表就可互为检查其电流量程和电阻量程的故障。

以MF50型万用表为例，具体操作是将一只万用表拨至2.5mA量程，另一只万用表拨至R×100量程并调零（短接电流为1.5mA，小于2.5mA），然后将两表的表笔交叉对接，即黑接红、红接黑。此时测量电阻的万用表的读数应是300Ω；测量电流的万用表读数应是1.5V/（1000+300）≈1.15mA。同样，两表分别拨至R×10和25mA 量程，连接之后，读数应分别是30Ω和1.5V/（100+30）≈11.5mA。如果读数错误，则说明另外一只表有问题；如果读数正常，说明两只表均正常。如此可同时快速检测270Ω、27Ω、2.7Ω

及0.3Ω电阻是否正常和相应的电阻量程是否正常。

MF47型万用表中心值是16.5，计算时稍嫌麻烦。

此方法亦可用来检测电压测量电路中的各串联电阻。

2．万用表读数不准，各量程和其它表测量相比均偏大或偏小的检修

此故障一般在最小量程部分，如偏差不大，可通过调节1000Ω校准电阻来改变。业余条件下可通过测量不同的电池电压来调节，具体方法是：和一读数准确的万用表测同一电池，如万用表内15V、1.5V电池，调节1000Ω校准电阻，使其两表读数一致。如偏差较大调1000Ω校准电阻达不到所需精度，这除了表头故障外，就应重点检查和表头并联的那几个电阻或电位器的阻值是否准确，接触是否良好，有无虚焊等。注意：一般情况下，不要贸然去调1000Ω校准电阻，应先查找其它原因，以免调节不当。

3．电阻量程不能调零的检修

一般有两种情况，一是指针达不到零位，这主要是电池老化，需要换新，或串联电阻阻值变大，转换开关接触不良等。

MF50型万用表的一种典型故障是指针超过零位并明显向右猛偏，此时直流电压量程测量读数偏大1.2倍，如 1.5V 变为1.8V等，这一般是0.3Ω、2.7Ω、27Ω……与2000Ω调零电位器中间某电阻断路、线路虚焊或电位器接触不良等造成的，应重点检查2.7Ω、27Ω和270Ω这三个电阻。如果是由于用电流档测高电压大电流造成烧表后引起这种现象，更应重点检查上述三个电阻。

例如一MF50型万用表电阻档不能调零，且在表笔短接时指针超过零位；用直流2.5V量程测1.5V电池读数稍偏大，最后查为270Ω电阻变值为1kΩ。

4．在调零过程中，指针跳跃不稳的检修

检查调零电位器接触是否良好。

5．直流电压各量程均无指示的检修

此现象说明表头中无电流流过，如电阻量程正常，应检查各直流电压量程独立的电路，如电阻量程也不正常，则应先检查最小量程50μA或100μA档是否正常，若不正常则应检查相应电路。

另外需要注意的是，万用表的表头是一套相当精密的机械装置，它不像电器部分，可方便地进行拆焊修理，没有特殊需要一般不要轻易打开，实际使有中，如果没有强烈撞击，像跌落等，表头是不易损坏的。

河南商丘张国献