电压表

电压表是一种测量仪器，用于在电路中测量电压水平，当它与被测电路部分并联连接时。

在分析电气和电子电路的操作时，或试图理解为什么电路不如预期工作时，最终你将需要使用电压表来测量各种电压水平。用于电压测量的电压表有许多形状和尺寸，无论是模拟的还是数字的，或作为今天更常用的数字万用表的一部分。

电压表也可以用于测量直流电压以及正弦交流电压，但将电压表作为测量仪器引入电路可能会干扰其稳态条件。

顾名思义，“电压表”是一种用于测量电压（V）的仪器，即电路中任意两点之间存在的电位差。要测量电压（电位差），电压表必须与被测电压的组件并联连接。

电压表可用于测量单个组件或电源上的电压降，或者它们可以用于测量电路中两个或更多点或组件上的电压降之和。

例如，如果我们将电压表连接到充满电的汽车电池的端子上，它将指示12.6伏。也就是说，电池的正负端子之间存在12.6伏的电位差。因此，电压V总是在电路组件上或与之并联测量。

电压表

最基本的直流模拟电压表类型是“永磁动圈”（PMMC）表，也称为达松瓦尔运动。

这种类型的模拟表运动基本上是一种电流测量设备（称为检流计），可以配置为作为电压表或电流表操作，主要区别在于它们在电路中的连接方式。

动圈运动使用固定的永磁体和非常细的线圈，该线圈可以在磁体的磁场内移动（因此称为“动圈”）。

当连接到电路时，电流流过线圈，从而产生自己的磁场（电磁），该磁场与周围永磁体产生的磁场反应，从而使线圈移动。

由于检流计响应内部电流流动，如果我们知道线圈（由铜线绕制）的内部电阻，我们可以简单地使用欧姆定律来确定正在测量的相应电位差。

永磁动圈表构造

永磁动圈表构造

电磁线圈移动的量，称为“偏转”，与流过线圈产生偏转针所需磁场的电流强度成正比。

通常有一个指针或针连接到线圈，因此线圈的运动导致指针在线性刻度上偏转，以指示正在测量的值，偏转角度与输入电流成正比。因此，检流计的指针响应电流而移动。

通常使用细螺旋手表运动类型的阻尼弹簧来控制偏转角度，防止可能损坏指针的振荡或快速运动，并在没有电流通过线圈时保持线圈的静止。

通常指针运动在左侧的零和刻度最右侧的满量程偏转（FSD）之间。一些表运动具有弹簧中心的指针，零静止位置在刻度的中间，允许指针在两个方向上移动。这对于测量任何极性的电压很有帮助。

尽管这种PMMC表运动对动圈中的电流流动线性响应，但可以通过在串联电阻中添加电阻来适应电压测量。串联电阻与动圈表运动的组合形成一个直流电压表，一旦校准，就可以提供准确的结果。

电压测量

我们在这些教程中看到，当电荷处于平衡状态时，电路中任意两点之间的电压为零，如果电流（电荷的运动）在电路中流动，电路中两个或更多不同点之间将存在电压。

使用检流计，我们不仅可以测量两点之间流动的电流，还可以测量它们之间的电压差，因为根据欧姆定律，这些量是相互成比例的。因此，使用刻度的电压表，我们可以测量电路中任意两点之间的电位差。

但是我们如何将使用电流工作的表转换为可以用于测量电压的表。我们之前说过，永磁动圈表的偏转与通过其动圈的电流强度成正比。

如果其满量程偏转（FSD）乘以动圈的内部电阻，则可以使表读取电压而不是电流，从而将动磁动圈表转换为直流电压表。

然而，由于线圈运动的设计，大多数PMMC表是非常敏感的设备，其满量程偏转电流IG评级可以低至100µA（或更少）。例如，如果动圈的电阻值RG为500Ω，则我们可以测量的最大满量程电压仅为50mV（V = I*R = 100µA x 500Ω）。

因此，为了使PMMC电压表的敏感线圈运动能够测量更高的电压值，我们需要找到一种方法将正在测量的电压降低到表可以处理的值，这是通过在表的内部线圈电阻上串联一个称为倍增器的电阻来实现的。

让我们假设我们希望使用上述100uA，500Ω检流计来测量高达1.0伏的电路电压。显然，我们不能直接将表连接到测量1伏，因为正如我们之前所见，它可以测量的最大电压是50毫伏（50mV）。

但是通过使用欧姆定律，我们可以计算出串联电阻RS的值，当用于测量1伏的电位差时，它将产生满量程表运动。

使用欧姆定律的电压表

因此，如果检流计给出满量程偏转的电流为100uA，则所需的串联电阻RS计算为9.5kΩ。因此，可以通过简单地串联一个足够大的电阻将检流计转换为电压表，如图所示。

电压表串联电阻

电压表串联电阻

注意，这个串联电阻RS将始终高于线圈的内部电阻RG，以限制通过线圈绕组的电流强度。表运动与这个外部串联电阻的组合然后形成一个简单的模拟电压表的基础。

电压表示例No1

一个PMMC检流计的内部线圈电阻为100Ω，并在200 mV时产生满量程偏转。找到所需的倍增电阻，以便表在测量5伏的直流电压时给出满偏转。

电压表串联电阻

因此，所需的串联电阻值为2.4kΩ

我们可以使用这种方法通过根据需要更改倍增电阻的值来测量任何电压值，只要我们知道检流计的电流或电压满量程偏转（FSD）值（IFSD或VFSD）。然后我们需要做的就是重新标记刻度，从零读取到新的测量电压值。

这个简单的串联分压器电路可以进一步扩展，在其设计中包含一系列不同的“倍增”电阻，从而允许电压表通过拨动开关用于测量一系列不同的电压水平。

多量程电压表设计

我们上面的简单直流电压表可以通过使用多个串联电阻进一步扩展，每个电阻针对特定电压范围大小，可以通过单个多极开关逐一选择，从而允许我们的模拟电压表用单个运动测量更广泛的电压水平。

这种类型的电压表配置称为多量程电压表，根据开关的位置数选择范围，例如，4位，5位等。

直接多量程电压表配置

在这种电压表配置中，多量程电压表的每个倍增电阻RS如前所述与表串联连接，以提供所需的电压范围。因此，如果我们假设上述50mV FSD表需要测量以下电压范围10V，50V，100V，250V和500V，则所需的串联电阻如前所述计算为：

电压表电阻值

给出一个直接多量程电压表电路：

直接多量程电压表

虽然这种直接电压表配置在读取我们的电压范围时非常有效，但为了获得表的正确FSD所需的倍增电阻值可能会给出不是标准优选值的电阻值，或者需要将电阻焊接在一起以产生确切的值。

我们计算的99.5kΩ到4.9995MΩ的值不是常见的电阻值，因此我们需要找到上述电压表设计的变体，该设计将使用更常见的电阻值。

间接多量程电压表配置

一个更实用的设计是间接电压表配置，其中一个或多个串联电阻与表串联连接以提供所需的电压范围。这里的优势是我们可以使用标准的优选值作为倍增电阻。

如果我们再次假设我们的50mV FSD表和电压范围10V，50V，100V，250V和500V，则所需的串联倍增电阻计算为：

倍增电阻值

给出一个间接多量程电压表电路：

间接多量程电压表

然后我们可以看到，使用这种间接5量程电压表配置，要测量的电压越高，开关选择的倍增电阻越多。与PMMC表串联的总电阻将是电阻的总和，因为RTOTAL = RS1 + RS2 + RS3 ...等。

显然，虽然两种电路，直接和间接电压表配置都能够读取相同的电压水平，但使用标准和优选电阻值400kΩ，500kΩ，1M5Ω和2M5Ω电阻使间接方法更容易和更便宜构建。

显然，电阻值的选择最终将取决于所使用的检流计的FSD和需要测量的电压水平。无论哪种方式，都可以通过连接更高的串联倍增电阻和开关来构建一个简单的多量程模拟直流电压表。如今大多数数字万用表都是自动量程的。

构建直流电压表时要注意的最后一点是，理想的电压表对正在测量的电路部分或组件没有影响，因为它将具有无限的等效电阻。

然而，在实践中，测量电压时，将电压表连接到电路，特别是高电阻电路，可能会降低电路的有效电阻，因此具有降低两点之间测量的电压的效果。

为了最小化这种负载效应，应使用具有高灵敏度的表，即其满量程偏转是通过较低的偏转电流实现的，以便用于电压表的倍增电阻可以尽可能高，以减少通过PMMC表的电流。电压表的灵敏度以欧姆/伏特（Ω/V）测量。