3.3.1 指針式萬用表
3.3.1.1 基本工作原理
指針式萬用表的基本工作原理是利用一只比較靈敏的磁電式直流電流表（微安表）做表頭。當有微小電流通過表頭時，就會有電流指示。但表頭不能通過大電流，所以必須在表頭上并聯或串聯一些電阻進行分流或降壓，從而測出電路中的電流、電壓和電阻。其工作原理如圖3-25所示。
圖3-25 萬用表擴展量程原理圖
（1）測量直流電流
如圖3-25（a）所示，在表頭上并聯一個適當的電阻進行分流，就可以擴展電流量程。改變分流電阻的阻值，就能改變電流測量范圍。
（2）測量直流電壓
如圖3-25（b）所示，在表頭上串聯一個適當阻值的電阻進行降壓，就可以擴展電壓量程。改變降壓電阻的阻值，就能改變電壓的測量范圍。串接的電阻越大，電壓表的量程就越大。
電壓表的內阻越高，從測量電路分到的電流越小，被測電路受到的影響越小。通常用儀表的靈敏度來表示這一特征，即用儀表的總內阻與電壓量程的比值來表示。如MF-30型萬用表的500V擋，其總內阻為2500kΩ，則靈敏度為2500/500=5（kΩ/V）。
（3）測量交流電壓
如圖3-25（c）所示，因為表頭是直流表，所以測量交流時，需加裝一個并、串式半波整流器，將交流進行整流變成直流后再通過表頭，這樣就可以根據直流電的大小來測量交流電壓。擴展交流電壓量程的方法與直流電壓量程相似。
（4）測量電阻
如圖3-25（d）所示，在表頭上并聯和串聯適當的電阻，同時串接一節電池，使電流通過被測電阻，根據電流的大小，就可測量出電阻值。改變分流電阻的阻值，就能改變測量電阻的量程。
模擬式萬用表由表頭、轉換開關、測量電路三個基本部分以及表盤、表殼和表筆等組成。各種型號萬用表的外形不盡相同，圖3-26為MF47型萬用表面板圖。在模擬式萬用表的面板上有帶有標度尺和各種符號的表盤、轉換開關旋鈕、機械調零螺栓、電阻調零旋鈕、測量晶體三極管的插座以及供連接表筆的插孔或接線柱等。
圖3-26 MF47型萬用表面板圖
1—表盤；2—機械調零螺栓；3—電阻調零旋鈕；
4—轉換開關旋鈕；5—測量種類和量程；6—表筆插孔；7—晶體管插座
3.3.1.2 基本結構
（1）表盤
在萬用表的表盤上， 通常印有標度尺、數字和各種符號，如圖3-27所示。
圖3-27 萬用表的表盤示例
①弧形標度尺 在萬用表上都有一條電阻（Ω）標度尺，它位于刻度盤的最上方；一條直流用的50格等分的標度尺；一條50V以上交流用的標度尺；一條10V交流專用標度尺及一條音頻電平（dB）標度尺。有的萬用表上還有A、μF、mH及hFE等標度尺。
②常用符號及其意義 為了方便使用，萬用表的使用條件和技術特性往往用一些特定符號標注在萬用表的表盤上，使用者可根據表盤上特定的標記符號，了解萬用表的特性，以確定是否符合測量需要。萬用表表盤上的常用符號及其意義詳見表3-2（其他可參見表3-1）。
表3-2 萬用表表盤上的常用符號及其意義
（2）表頭
表頭是萬用表的主要部件，其作用是用來指示被測量的數值，通常都是用高靈敏度的磁電系測量機構作為萬用表的表頭。一般萬用表的表頭及其內部結構如圖3-28所示，
圖3-28 表頭及其內部結構
1—蝴蝶形支架；2—上調零桿；3—極掌；
4—圓柱形軟鐵；5—下調零桿；6—下游絲；
7—動圈；8—上游絲；9—刀形指針；10—表托；11—磁鋼；12—表盤
磁場是由馬蹄形磁鋼11產生的，極掌3和圓柱形軟鐵4用來在空氣隙內形成輻射的均勻磁場，動圈7通過膠在端面上的軸尖支承在寶石軸承上，可以在空氣隙內自由轉動，上軸尖的下面固定著指針9。當直流電流按規定方向通過線圈時，與空氣隙內的磁場相互作用而產生轉動力矩，使動圈順時針方向轉動。當轉動力矩與上游絲8和下游絲6所產生的反作用力矩平衡時，指針便停止下來，從標度尺上便可得出讀數。萬用表表頭的電氣符號如圖3-29所示，其中RM為表頭內阻，即表頭動圈電阻，IM為表頭靈敏度——使表針滿刻度偏轉的表頭中的電流。IM越小，說明萬用表表頭的靈敏度越高。一般來說，MF系列萬用表表頭的靈敏度為10～100μA。萬用表表頭的等效電路相當于一只阻值為RM的電阻，該電阻所允許通過的最大直流電流為IM。
圖3-29 表頭電氣符號
①動圈（指針）轉動的原理 磁電系儀表的作用原理為永久磁鋼、圓弧形極掌和圓柱形軟鐵在空氣隙中形成的均勻輻射磁場，與通過繞組的電流所形成的磁場相互作用，從而產生轉動力矩使動圈轉動，如圖3-30所示。動圈受力的方向可用左手定則來判斷。
圖3-30 動圈在磁場內的偏轉
動圈繞組在磁場中的一邊受力的大小F與空氣隙中磁感應強度B0、通過導體的電流I、線圈的匝數N和有效長度l成正比，即
F=B0INl
作用于動圈的轉動力矩
T=2Fb/2=Fb=B0INlb=B0INS
式中 B0——空氣隙中的平均磁感應強度；
I——通過動圈繞組的電流；
N——動圈繞組匝數；
l——動圈繞組在空氣隙中的有效長度；
b——動圈繞組的平均寬度；
S——動圈的有效面積。
如果B0的單位為Wb/m2，S的單位為m2，I的單位為A，則T的單位為N·m。
②框架的阻尼作用 動圈的框架大多用鋁制成。當電流I從線圈流過而使動圈偏轉時，鋁框（相當于一匝短路線圈）在空氣隙中切割磁感應線形成感應電流I'，產生力矩T'。此力矩剛好與轉動力矩方向相反（圖3-31），從而降低了動圈的轉動速度，并減少了表頭指針停止前的擺動次數，以便迅速得到讀數，這種作用叫作阻尼。同理，在動圈上單獨繞以若干匝短路線圈也可起阻尼作用。短路線圈匝數越多，其阻尼作用越大。
圖3-31 框架的阻尼力
在磁電系電工儀表中，如果有分流電阻，則動圈繞組兩端通過分流電阻而構成閉合回路，相當于增大了電阻的短路線圈，也可起到阻尼作用。分流電阻的阻值越小，其阻尼越大；動圈繞組匝數越多，阻尼也越大。此外，磁鋼磁性越強，阻尼也越大。所以匝數相當多的具有分流電阻的強磁場電表，往往不需要鋁框或短路線圈就可得到需要的阻尼。
阻尼過大或過小都不好。阻尼過小則指針搖擺，讀取數值時間延長；阻尼過大則指針移動滯緩，讀取數值時間也會延長，且會增大摩擦誤差。最好是使指針停止前只做一次擺動，即稍有退回，這可通過調節分流電阻的阻值來達到。
③表頭的零位 表頭中沒有電流通過時，指針所指的位置叫作標度尺的零位。表頭的零位在標度尺的左邊，表頭只允許通過單方向的電流。因為電流方向改變，電磁轉矩的方向也要改變，指針就要反向偏轉，易把指針打彎。為了表明儀表所允許的通過電流方向，在萬用表面板上表筆的插孔或接線柱上，一般都標有“+”“-”符號。表示電流應從“+”插孔流入表頭，從“-”插孔流出，測量時，必須注意接法要符合這一規定。
當表頭中沒有電流通過時，若指針所指的位置不在零位，可由圖3-28中所示的上調零桿或下調零桿來調節指針到零位。上調零桿由面板上的機械調零螺栓來調節，下調零桿通常在表頭出廠前已調好。
④表頭質量的初步檢查
a.水平方向轉動表頭，指針應無卡軋現象。停止轉動后，應回到原來的位置。若原來在零位上，應基本上仍回零位，偏離不超過半格（標度尺全長設為50格，下同）。
b.水平位置使指針尖上下擺動，如果擺動幅度太大，表示軸承螺栓太松；如果一點兒不擺動，表示軸承螺栓太緊；稍微有些擺動，表示松緊適度。
c.將表頭豎立、斜立、倒立，看指針是否偏離原來的位置。若偏離一格以上，則表明其平衡性能較差，必須加以調整。
d.通電測試其大概靈敏度，表頭的靈敏度是指表頭指針從標度尺零點偏轉到滿刻度時所通過的電流，電流越小，靈敏度越高。業余制作者在購買舊表頭時，有必要知道其大概靈敏度。用一節干電池串聯一只30kΩ普通電阻去測試，如圖3-32所示，此時線路上的電流按歐姆定律計算約為（RM忽略不計）
假設表頭偏轉B格，即表頭每偏轉一格需要通過電流（50/B）A。表頭滿刻度為50格，表頭指針從標度尺零點偏轉到滿刻度所需通過的電流為（50/B）×50μA，則得表頭大概的靈敏度。若遇到很高靈敏度的表頭時，則串聯的電阻值應加大。
圖3-32 表頭大概靈敏度的測定
同時，還要仔細觀察一下表頭內部是否有串并聯電阻、磁分路器（圖3-33）是否完全閉合。若有串并聯電阻或磁分路器已閉合（當磁分路器閉合時，一部分磁感應線從磁分路器通過，使空氣隙中磁感應線減少，磁場強度降低，因而表頭靈敏度也隨之降低，靈敏度降低可達15%），只要去掉串并聯電阻或把磁分路器移開些，就可增加其靈敏度。
圖3-33 磁分路器
（3）轉換開關
萬用表中測量種類及量程的選擇是通過轉換開關實現的。轉換開關里有許多靜觸點和動觸點，用來閉合與斷開測量電路。
動觸點通常稱為“刀”，靜觸點通常稱為“擲”。當轉動轉換開關的旋鈕時，轉換開關上的“刀”跟隨轉動，并在不同的擋位上與相應的“擲”（靜觸點）接觸閉合，從而接通相對應的電路，并斷開其他無關的電路。萬用表通常采用多刀多擲轉換開關，以適應切換多種測量電路的需要。
圖3-34是單層3刀24擲轉換開關的觸點示意圖，它的24個固定觸點沿圓周分布。在圓周內還有8個圓弧形的固定滑動觸點A、B、C、D、E、F、G、H，如圖3-34（a）所示。裝在轉軸上的動觸點有a、b、 c三個，彼此是連通的，如圖3-34（b）所示。當旋轉開關旋鈕時，裝在轉軸上的動觸點b及c可以在不同擋位的固定滑動觸點上滑動，而動觸點a與相應的固定觸點接觸，使這些固定滑動觸點與相應的固定觸點上的線路連接，從而構成完整的測量電路。如圖3-34（c）所示的是這種轉換開關的等效平面展開圖，其中a、b和c表示動觸點。
圖3-34 萬用表轉換開關
（4）測量電路
測量電路的作用是把各種被測量轉換到適合表頭測量的微小直流電流，它是用來實現多種電量、多個量程測量的重要手段。
測量電路實際上是由多量程直流電流表、多量程直流電壓表、多量程交流電壓表和多量程歐姆表等幾種電路組合而成的。構成測量電路的主要元件絕大部分是各種類型和各種數值的電阻元件，如線繞電阻、碳膜電阻、電位器等。測量時，通過轉換開關將這些元件組成不同的測量電路，就可以把各種不同的被測量變換成磁電系表頭能夠反映的微小直流電流，從而達到一表多用的目的。此外，在測量交流電的電路中，還有由電力二極管組成的整流電路以及由電容組成的濾波電路。
萬用表的型號種類雖然繁多，相應的測量電路也多種多樣。但是各種測量電路都大同小異，工作原理基本相同。圖3-35是MF47型萬用表的電路原理圖。
圖3-35 MF47型萬用表的電路原理圖
3.3.1.3 主要技術指標
模擬式萬用表的主要技術指標有測量種類、量程、電壓靈敏度及最大電壓降、準確度等級等。電壓靈敏度是以直流或交流電壓擋每伏刻度對應的內阻來表示的。MF47型萬用表的主要技術指標如表3-3所示。
表3-3 MF47型萬用表的主要技術指標
3.3.1.4 使用方法
（1）測量電阻
如圖3-36（a）所示，選擇合適的電阻擋位，將兩表筆搭在一起短路，使指針向右偏轉，隨即調整“Ω”調零旋鈕，使指針恰好指到0。然后將兩根表筆分別接觸被測電阻兩端，如圖3-36（b）所示，讀出指針在歐姆刻度線上的數值，再乘以該擋位的倍數，就是所測電阻的阻值。例如用R×100擋測量電阻，指針指在15，則所測得的電阻值為15×100=1500（Ω）=1.5（kΩ）。
圖3-36 測量電阻接線圖
由于“Ω”刻度線左部讀數較密，難于看準，所以測量時應選擇適當的歐姆擋位，使指針指在刻度線的中部或偏右部，這樣讀數比較清楚準確。注意每次換擋時都應將兩根表筆短接，調整指針到零位，即重新進行歐姆校零后才能再次進行測量。
（2）測量直流電壓
首先估計一下被測電壓的大小，然后將萬用表的轉換開關撥至適當的“V”量程，將正表筆接被測電壓的“+”端，負表筆接被測量電壓“-”端。然后根據該擋量程數字與標示直流符號“V”刻度線上的指針所指數字來讀出被測電壓的大小。如用“V”50V擋測量，可以直接讀出0～50V的指示數值。如用“V”500V擋測量，只需將刻度線上50這個數字增加一個“0”，看成是500，再依次把40、30、20和10等數字看成是400、300、200、100等，即可直接讀出指針指示的數值。
（3）測量直流電流
先估計一下被測電流的大小，然后將轉換開關撥至合適的“mA”量程，再把萬用表串接在電路中，同時觀察標有直流符號“mA”的刻度線，如電流量程選在5mA擋，這時，應把表面刻度線上50的數字，去掉一個“0”看成5，然后依次把40、30、20、10看成是4、3、2、1，這樣就可以讀出被測電流數值。例如，當用直流5mA擋測量直流電流時，指針在30，則被測電流的大小為3mA。
（4）測量交流電壓
測交流電壓的方法與測量直流電壓相似，所不同的是因交流電沒有正、負之分，所以測量交流時，表筆也就不需分正、負。讀數方法與上述測量直流電壓的讀法一樣，只是數字應看標有交流符號刻度線上的指針位置。
3.3.1.5 注意事項
萬用表是比較精密的儀器，如果使用不當，不僅造成測量不準確，而且極易損壞。使用萬用表時應特別注意如下事項：
①使用前，應通過面板上的調零螺釘進行機械調零，以保證測量的準確性。
②萬用表一般配有紅黑兩種顏色的表筆，面板上也有紅黑兩色端鈕或標有“+”“-”極性的插孔。使用時應將紅色表筆的連接線接紅色端鈕或插入標“+”號的插孔內，黑色表筆的連接線接黑色端鈕或插入標有“-”號的插孔內。有的萬用表備有交直流2500V的測量端鈕，使用時，黑色表筆仍接在黑色端鈕或標有“-”號的插孔內，而紅色表筆接到2500V的端鈕或標有2500V的插孔內。
③讀數時要正視表面，認清所選測量擋的標度尺，再從垂直于表盤中心的位置正確讀數，同時要注意標度尺讀數和各量程擋倍率的配合，以免發生差錯。若有反射鏡，則應待指針與反射鏡中鏡像重合時讀數。
④選擇量程時應使被測量在所選擇量程范圍內；測量電壓或電流時，指針盡量落在量程的1/2～2/3的范圍內；測量電阻時，指針盡量落在歐姆表中心值的0.1～10倍范圍內，這樣讀數比較準確。
⑤測量電流與電壓不能旋錯擋位。如果誤用電阻擋或電流擋去測量電壓，就容易把表燒壞。有些萬用表的面板上有兩個轉換開關，一個選擇測量對象，另一個選擇測量量程。使用時應先選擇測量對象，再選擇測量量程。
⑥測量直流電壓和直流電流時，應注意“+”“-”極性不可接錯。紅色表筆接正極，黑色表筆接負極。如發現指針反轉，應立即調換表筆，以免損壞指針及表頭。
⑦如事先不知道被測電壓或電流的大小，應先用最高擋，而后選用合適的擋位來測試，以免表針偏轉過度而損壞表頭。所選用的擋位愈靠近被測值，測量的數值就愈準確。測量較高電壓或較大電流時，不準帶電轉換開關旋鈕，以防燒壞開關觸點。
⑧被測電阻不能有并聯支路，否則其測量結果是被測電阻與并聯支路電阻并聯后的等效電阻，而不是被測電阻的阻值。由于這一原因，測量電阻時，不能用手去接觸被測電阻的兩端，避免因人體電阻而造成不必要的測量誤差。嚴禁在被測電阻帶電的狀態下進行電阻值的測量。
⑨用歐姆擋去判別二極管的極性或三極管的引腳時，要注意表筆的正負極性與表內電池的極性相反，即黑色表筆為電池的“+”極性，紅色表筆為“-”極性。
⑩測量電阻時，如將兩支表筆短接，調零旋鈕調至最大時，指針仍然達不到0點，通常是由于表內電池電壓不足造成的，此時應更換新電池。
當萬用表使用完畢后，不要將其擋位旋在電阻擋，而應將其旋至交流電壓最高擋，或旋至“OFF”擋。因為表內有電池，如不小心易使兩根表筆相碰短路，不僅耗費電池，嚴重時甚至會損壞表頭。
萬用表應經常保持清潔干燥，避免振動或潮濕；當其長期不用時，要把電池取出，以防日久電池變質滲液，損壞萬用表。