万用表演示仪的设计与制作

唐义甲 韩修林 丁智勇

(阜阳师范学院物理与电子工程学院， 安徽 阜阳 236037 )

在试点专业建设中，学校更倾向于学生实践创新能力的培养。近年来开展的一系列科技活动，如演示实验仪器、演示教具制作，撰写发明专利报告等，不断优化了演示实验，丰富了情境教学内容，也有助于逐步培养学生动手能力和综合实践创新能力。

万用表是教学中必不可少的一种多功能、多量程测量仪表，可测量各种等电子电路参数，其构造原理及使用方法是理工科学生必须掌握的专业知识和技能。万用表知识涉及分流、分压、整流等各种基本电路和电表改装的理论，比较复杂。目前实验室使用的万用表，因其体积小而无法直观地用于演示教学，使得教师教学和学生学习的效果不佳。很大一部分理工科学生不能熟练掌握其使用方法，甚至有的学生完全不懂如何进行测量及正确读数，在后续的课程实验中问题频出。因此,如何更好地让学生掌握万用表的相关知识，使学习效果更佳，便成了亟待解决的问题。在学院连续几年开展的科技制作活动中，组织学生对万用表的演示教具进行了开发与研制。经过几届师生共同努力，一款多功能的万用表演示仪已初步成型。在此，介绍此万用表演示仪的设计与制作及其教学效果。

1 万用表演示仪设计与制作

万用表演示仪的结构分为上、下2部分，其上部分由演示表头、自制刻度表盘构成。演示表头是由温州市哈博仪表有限公司制作的J0401-A磁电式微安表头(见图1)。其技术指标如下：最大满偏电流Ig，Ig= 60 μA；内阻Rg，Rg=1 620.4 Ω；仪表精度a，2.5级；仪表工作温度为0～40 ℃，湿度≤85%；防外磁场为IV级；t阻尼≤6 s；35 cm超长偏转指针，指针偏转角度为60°。

图1 J0401-A磁电式微安表头内部结构原理

下半部分是演示仪功能演示面板展示区。根据万用表的不同测量功能，设计了多量程直流电压表、多量程直流电流表、多量程交流电压表、多倍率欧姆表、半导体元件特性测试表等5个功能模块演示板，不同的功能演示板有与之相适应的刻度表盘。根据演示需要,可以自由地把功能演示板及与之相对应的刻度表盘安装到演示仪上。演示模板可以绕演示区框架中心竖直轴线翻转，模板的一面是电表原理电路图(见图2)，另一面是电子元器件组成实物结构图(见图3)。 万用表最常用的功能是用于测量电阻，因此，以多倍率欧姆表演示板为例介绍演示仪设计和制作方法，其他演示板设计和制作过程与其大体相同，不再赘述。

图2 电表原理电路图

1.1 多倍率欧姆表电路设计

在图2中，虚线框内部电路为多倍率欧姆表设计表头。其中，演示表头的满偏电流Ig为60 μA， 内阻Rg为1 620 Ω。串联保护电阻RW1的作用是分压保护灵敏表头和保持Rg+RW1恒为2 kΩ，并联分流电阻R1为2 kΩ，分流保护灵敏表头，调流电位器RW2总阻值为10 kΩ，通过RW2的调节使得表头电流满偏时，流过设计表头的满偏电流IM为100 μA,即“零欧姆调节器”作用[1-2]。由电路串并联理论可知：

(1)

(2)

(3)

即：

(4)

由式(4)可以看出，欧姆表刻度盘不均匀，起始值在最右端，且从右到左刻度逐渐变密，最左端刻度值为∝，中值电阻R中=Rm=15 kΩ[4-5]。

由于欧姆表刻度是非均匀的，因此，欧姆档的有效量程一般为R中/5～5R中。在此范围内, 由灵敏度引起的误差一般不太大[5-7]。如果需要扩大欧姆表的测量范围，就必须设计成多倍率欧姆档欧姆表，用分流电阻或是改变欧姆表电源电动势的方法改变中值电阻值[1]。当前欧姆表中值电阻为15 kΩ，倍率为1 000。若将欧姆档倍率设计成1、10、100、10 000，就必须将欧姆表中值电阻分别设计为15、150、1 500、150 000 Ω。

根据电阻并联理论：

可以解得欧姆档倍率为1时的分流电阻RW4，RW4=15.02 Ω。

同理，可解得欧姆档倍率为10时的分流电阻RW5，RW5=151.5 Ω；解得欧姆档倍率为100时的分流电阻RW6，RW6=1 666.67 Ω。而欧姆档倍率为 10 000 的设计目标是通过提高电表电源电动势和分压内阻来实现的，显然分流电阻RW7=135 000 Ω。

需要说明的是，在设计欧姆档的倍率时并未考虑电表电源电动势变化和内阻的影响，因为只要电表电源不太陈旧，这些影响因素可以忽略不计[8-9]。

1.2 多倍率欧姆表演示板制作

演示板选用规格为600 mm×800 mm×12 mm的PVC发泡板。发泡板其中一面绘上多倍率欧姆表原理分析电路图；另一面根据电路图开挖凹槽，将导电良好的铜片镶进凹槽，接头处牢固焊接，将电路分析图中各电子元器件也按电路图布局分别牢固焊接电路中，板上电阻均采用电位器，以便于电表设计调整及量程校准。另外，在演示电路的相应电子元件位置上，大多采用插孔设计，元件可以自由拆卸、安装到演示板上。这样，不仅极大地方便演示板维护修理，也为演示板功能扩展设计留有极大想象空间。

2 实验方法和演示效果

在演示仪上安装多倍率欧姆表演示板及相应的欧姆刻度表盘，演示仪上半部分是演示灵敏电流计及多量程电压测试功能表盘，下半部分是多量程直流电压表演示面板。首先，将演示板上电表原理电路图的一面展示给大家，借助电路图分析多量程电表改装的目的、原理及步骤；然后，将演示板翻转过来，将演示板上排列电子元器件实物的一面展示给大家示，并介绍电子元件名称、规格，电子元件整体布局原理。

该演示仪应用于课堂教学，不仅操作简便，而且演示方式灵活多变，效果非常明显。万用表演示仪的设计与制作，丰富了课堂教学内容，极大地激发了学生的学习兴趣。

3 结 语

该演示仪能够使万用表内部分流、分压、整流等各种复杂电路可视化，不仅使学生易于理解电表改装的各种方法、了解万用表各项功能，还可以进一步用于万用表创新设计。通过这次设计，培养了学生的实践创新能力，极大地提高了学习兴趣。因演示内容符合科学原理，实验现象直观，物理内涵丰富，本演示实验仪既可以用于《大学物理》课堂教学演示，也可以用于科技馆或演示实验室科普作品陈列展示。

此演示仪在全国第七届“优利德杯”大学生与研究生物理教学技能展评暨自制教具与设计实验展评中获二等奖，在2016年安徽省首届高等学校自制实验教学仪器设备展评中获一等奖。