我主编的电子技术实验手册（02）——仪表与电源

        本专栏是笔者主编教材（图0所示）的电子版，依托简易的元器件和仪表安排了30多个实验，主要面向经费不太充足的中高职院校。每个实验都安排了必不可少的【预习知识】，精心设计的【实验步骤】，全面丰富的【思考习题】。因此，对于开展电子技术教学犯愁的师生，本专栏应该能够帮到你们。

图0 本专栏对应的教材封面

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实验02  仪表与电源

【实验目的】

1. 学会读取指针式万用表的多重刻度。
2. 学会使用实验室里的直流稳压电源。
3. 了解实验室配备万用表的基本功能，并学会使用它测量直流电压。

【预习知识】

       电路中包含电源和元件，它们彼此连接以提供电流流动的路径。元件参数不随外部电气参数的变化而改变，这样的元件称为无源器件。电阻、电容器、电感器和变压器就是典型的无源器件。

        元件工作特性会随着外部电气参数变化而改变，这样的元件称为有源器件，例如晶体管和集成电路。这些元件通常需要非常稳定的电源，通常由直流电源提供。直流电源是一种把交流电源转换成恒定电压或电流的设备，不管输入的交流电压、负载电流或温度如何变化。图1所示的是笔者所在实验室使用的两种直流电源。

图1 实验室里的直流电源

        测量各种电气参数是确定电路性能的基础，这些参数包括电压、电流、功率、频率等物理量。许多电气参数是用仪表来测量的，常见仪表的电气符号如图2所示。

图2 测量电气参数常见的仪表符号

        万用表，是一种多功能、多量程的电子测量仪表，一般以测量电压、电流和电阻为主。万用表按显示方式分为指针（模拟）式万用表和数字式万用表，图3所示的是笔者所在实验室所用的几款万用表。

图3 指针式万用表和数字式万用表

        指针式万用表和数字式万用表各有所长，在精度、灵敏度、线性、内阻和功能5方面，数字表基本上完胜指针表。但在对环境的适应性方面，数字表则会败下阵来。在很多情况下我们并不需要很精硧的测量数字，只是看一下有无以及大小和强弱，此时用数字表就显得很麻烦。如果用指针式就很快捷方便，只需用表笔碰一下被测点就可以了，有时甚至不需要指针停下来即可估计出被测值的状况。综上所述，指针式万用表比较适合作定性测量，而数字式则更适合精硧的定量分析。

        在上一个实验中，我们了解到电学中的度量其实包含了非常大的范围。就拿电阻来说，可以从小于1 Ω到大于1,000,000 Ω。万用表必须有某种方式来容纳这些数字，因此就有了图3（a）（b）中针对一种电气参数的不同量程，用户需要选择一个合适的范围来显示测量的数字。有些万用表有自动切换量程功能，我们只需要选定测量参数的类型，万用表会根据待测数值的大小自动选择量程，如图3（c）所示。

        使用万用表测量电流需要特别小心，绝不能跨电源连接，以免损坏仪表。电流测量需要选择电流（交流或直流）功能开关以及将红表笔插到“A”或“mA”插孔。在本实验中，不测量电流。

【实验元件与仪器】

        指针式万用表和数字式万用表各1个

【实验内容及步骤】

1. 如果你使用的是指针式万用表，注意观察表盘，如图4所示，里面标记的量程和刻度信息很复杂，第一次使用很容易迷茫。实际上我们在测量电路时，只需要关注其中一根刻度线，这取决于量程开关所处的档位。比如测量电阻（Ω），关注最上面那条刻度线即可；测量直流电压（V），关注第二条即可，等等。每条刻度线两头都有指示字样，表明其代表的电气参数。这一步，我们只关注图中箭头标记的那一条刻度线，这是一条线性刻度，因为每个刻度之间是等宽的。那些较粗且有数字标记的是主刻度，其间较小的是子刻度，图中1个主刻度包含了10个子刻度。从这种刻度线上读数的方法是看指针所处位置扫过的子刻度的格数。假如指针停留在图中所示的位置，请数一下从0刻度到此处的子刻度的格数，并记录下来。

图4 读取万用表上的线性刻度

2. 指针万用表的同一根刻度线可能会对应多种量程。就拿上一步关注的那根刻度线来说，它既代表直流电压（从刻度线左端“V”的字样可知），也代表毫安级的直流电流（从刻度线右端“mA”的字样可知）。现在我们再把注意力转移到量程开关上，如图5所示，V一共有8个量程，mA有4个量程。因此，要读出直流电压的数值，除了与上述子刻度格数有关，还与所选的多重量程有关，具体计算方法如下：

电压读数 = 表针指示的格数 × (所选量程 / 满度格数50)

那么按照图2-5中的10V的量程，电压读数为________；如果选定的是50V的量程，电压读数为________；而如果选定的是500mA的量程，电流读数为________。

图5 读取直流电压

3. 这一步，来看表盘最上面那条刻度线，如图6所示。根据右端“Ω”的字样可知这是电阻读数。细看这条刻度线发现子刻度代表的数值是不等的，这就是非线性刻度。还有一个特点就是，电阻档刻度线与其他刻度线反向，即指针偏转越大，被测阻值越小，指针偏转越小，被测阻值越大。其次，再来看电阻档的量程，分别是×1、×10、×100、×1k、×10k。读数的方法是：用指针在Ω刻度线上的读数乘以所选取量程档位的倍率，就是被测电阻的阻值。根据图6所示，指针停在10的位置，所选的量程是×100，因此阻值读数 = 10 × 100 = 1kΩ。在使用电阻档时应注意调零，其方法是：将红、黑表笔短路，然后调整“电阻调零旋钮”使指针指到0Ω位置即可，而且每次换挡都需要调零。

图6 读取阻值

4. 这一步，来看一下你所在实验室使用的直流电源，一般情况下应该包含电压源和电流源。从面板上的仪表（指针式或数字式）来看，该电源是否不止一种功能？________。如果是的，哪些信息表明了可以测量何种功能？__________________________________________
如果是指针式表盘，是否有多个量程或复杂刻度？______。主刻度代表的电压值为多少？______。子刻度代表的电压值为多少？______。
如果是数字式指示，最小的电压精度是多少？______。最小的电流精度是多少？______

5. 看一下直流电源上的控件，如果你不确定控件的用途，参考配套的说明书是，或请教你的老师。简要描述一下电源特点（如多路输出、输出范围、精度、锁定等）。

6. 这一步，我们来使用数字万用表测量直流电源的电压。如图7所示，万用表红表笔插“VΩ”孔，接电源正极；黑表笔插“COM”孔，接电源负极；量程开关转到20V档（如果你使用的是自动量程表，转到V档即可）。将直流电源的输出调至+5.0V，观察万用表的读数是否与之一致并记录下来；再把输出电压调至+12.0V，再测量记录一次；最后把输出电压调至最小值，再测量记录一次。注意，当两只表笔处于开路状态时，数字万用表会出现无规律的数字变化，此为正常现象，不会影响测量结果。
+5.0V时，电源上的电压读数为________，万用表上的电压读数为________。
+12.0V时，电源上的电压读数为________，万用表上的电压读数为________。
最小值时，电源上的电压读数为________，万用表上的电压读数为________。

图7 数字万用表测直流电压

【实验思考与讨论】

1. 仪表的自动量程是什么意思？你所在的实验室配备的是什么类型的万用表？

2. 如果说一种仪表有多种量程，另一种仪表有多重量程，两者有何区别？

3. 线性刻度与非线性刻度有什么区别？

4. 如果某仪表表盘在3.0和4.0两个主刻度之间有标记了4个子刻度，当指针停在当中第1个子刻度位置时，其读数应该是多少？

5. 对于一个万用表，至少应该具备哪三种测量功能？

（本文完）