萬用表的前世今生

作者：卓晴  TsinghuaJoking
來源：微信

第一個用于檢測電流的指針表被稱為檢流計（galvanometer），發(fā)明于1820年。配合使用惠斯通電橋(Wheatstone Bridge)可以將待測量未知的電阻和電壓與已知電壓、電阻進行比較，進而測量相關(guān)的電壓、電流、電阻等。在實驗室使用這種方式進行測量費時費力，方不方便。這個裝置繁瑣復(fù)雜，不易攜帶。

▲ 檢流計

檢流計只能大體反映出是否存在電流，但無法給出電流大小的精確數(shù)值。而采用活動線圈機構(gòu)(D'Arsonval/Weston傳動機構(gòu))的電流表則可以顯示電流的大小。

使用精細漆包線繞制的空心線圈懸掛在永磁鐵磁極內(nèi)，在通過直流電流后可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩從而帶動指針轉(zhuǎn)動。被設(shè)計成圓環(huán)狀的磁場使得通有電流線圈所受到的安培力與角度無關(guān)，配上一根孱細的金屬彈簧絲產(chǎn)生回復(fù)力矩，這使得指針轉(zhuǎn)動的角度與線圈通過的電流之間成正比。這種裝置被稱為 D'Arsonval 傳動機構(gòu)，現(xiàn)在仍然被廣泛使用在各類指針式模擬電子表頭中。

▲ D'Arsonal 傳動機構(gòu)

基于活動線圈機構(gòu)的電流表不再需要惠斯通電橋便可輕易便捷測量電流大小。在此基礎(chǔ)上，通過增加分流電阻、串聯(lián)電阻以及穩(wěn)定的直流電源，便可以測量不同檔位范圍的電壓、電流、電阻了。

在19世紀二十年代，隨著電子管設(shè)備越來越被廣泛使用，萬用表就孕育而生了。據(jù)說第一個現(xiàn)代意義上的萬用表是英國郵電局的工程師，Donald Macadie在1920年發(fā)明的。

在他的工作中，為了維修通訊設(shè)施中，需要不斷測量電路中的電壓、電流、電阻等。他實在受不了需要同時攜帶多種電表的麻煩，于是就研制出可以測量電壓、電流和電阻的萬用表，當時被稱為安伏歐萬用表(Avometer）。

▲ Donald Macadie的萬用表

安伏歐萬用表采用活動線圈機構(gòu)指針電流表，外配精密分壓電阻和分流電阻，使用檔位開關(guān)和插座來選擇測量類別和流程范圍。

Macadie將他設(shè)計的Avometer轉(zhuǎn)讓給自動繞線和電氣設(shè)備公司(ACWEEC，建于1923年），當年就變成商品銷售了。Avometer，在改進型8 之前還只能測量直流電壓、電流信號。

在當時還流行一種懷表式的電壓表，外殼是金屬的，比Avometer要便宜許多。它的外殼通常連接表頭的負極。這個簡化雖然方便了操作，但也使得當時很多粗心大意的電子工程師吃了很多被電擊的苦頭。

這種表通常也比較簡陋，比如說明書上只是標明33Ω/V，刻度盤往往不是均勻的，沒有指針調(diào)零螺絲等。

▲ 懷表式電壓表

指針式的萬用表通常需要從被測量電路吸收一定的電流驅(qū)動旋轉(zhuǎn)線圈，比如一個滿量程50微安的表頭，常用到的高靈敏度表頭。在測量時，指針如果滿偏，則需要從被測電路中續(xù)收50微安電流，這會影響一些高阻抗電路的測量結(jié)果，使得讀出的數(shù)值低于正常值。

使用真空電子管來提高萬用表的輸入阻抗是非常必要的，它們被稱為真空管萬用表(VTVM ,VVM）。這種電子真空管萬用表通常具有1MΩ以上的輸入阻抗，它利用了真空管陰極跟隨輸出（電壓串聯(lián)負反饋）電路來提高輸入阻抗，這樣便使得萬用表在測量時對被測電路不會產(chǎn)生顯著的 影響。

▲ 真空管萬用表

在數(shù)字（集成）萬用表發(fā)明前，高阻抗模擬晶體管電路，或者場效應(yīng)三極管（FETs）被用于替代真空電子管用于萬用表設(shè)備。現(xiàn)代的數(shù)字萬用表使用高阻抗的集成電路，輸入阻抗可以達到或者超過原來真空電子管萬用表。

▲ 現(xiàn)代數(shù)字萬用表

現(xiàn)在的萬用表又增添了 很多附加的功能，比如測量功率的分貝表，測量電容，三極管增益，頻率，占空比，顯示保持等。萬用表上的蜂鳴器可以在測量電路通斷時發(fā)出聲響，給出迅捷的測量反饋。配合一些特殊的傳感器，萬用表還可以測量溫度、光度等，并帶有計算機的接口。有的還可以進行語言讀出測量值的功能。

參考資料[1]

Multimeter - History: https://www.liquisearch.com/multimeter/history

萬用表的前世今生原來是這樣的。下次能說下示波器的前世今生嗎？

學(xué)習(xí)了，謝謝樓主

干了這么多年電學(xué)計量，才了解到這些

學(xué)習(xí)了，又漲知識了

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漲知識了，謝謝分享

這個知識以前還真沒學(xué)過，謝謝樓主的分享！