电压表对被测电路的影响

每个仪表都会在一定程度上影响它正在测量的电路，就像任何轮胎压力表都会轻微改变测量的轮胎压力，因为一些空气被释放来操作仪表。虽然有些影响是不可避免的，但可以通过良好的仪表设计将其最小化。

分压电路

由于电压表始终与被测组件并联，因此通过电压表的任何电流都会对被测电路中的总电流产生影响，从而可能影响被测电压。完美的电压表具有无限大的电阻，因此它不会从被测电路中汲取电流。然而，完美的电压表只存在于教科书的页面中，而不存在于现实生活中！以下面的分压器电路为例，说明真实的电压表如何影响其测量电路：

在没有电压表连接到电路的情况下，串联电路中的每个 250 MΩ 电阻器上应该正好有 12 伏电压，两个等值电阻器将总电压（24 伏特）精确地分成两半。但是，如果所讨论的电压表的引线间电阻为 10 MΩ（现代数字电压表的常用量），则其电阻将在连接时与分压器的较低电阻器形成并联子电路：

这有效地将较低的电阻从 250 MΩ 降低到 9.615 MΩ（250 MΩ 和 10 MΩ 并联），从而极大地改变了电路中的电压降。现在，较低电阻器上的电压比以前小得多，而较高电阻器的电压要高得多。

测量的分压器

电阻值为 250 MΩ 和 9.615 MΩ 的分压器将分别将 24 伏分为 23.1111 伏和 0.8889 伏。由于电压表是 9.615 MΩ 电阻的一部分，因此它将指示：0.8889 伏。

现在，电压表只能指示其连接的电压。它无法“知道”在较低的 250 MΩ 电阻上有 12 伏的电压下降之前 它通过它相连。电压表与电路的连接本身就是电路的一部分，而电压表本身的电阻会改变分压器电路的电阻比，从而影响被测电压。

电压表是如何工作的？

想象一下，使用一个轮胎压力计，它需要大量的空气才能运行，以至于它会为它所连接的任何轮胎放气。压力计在测量过程中消耗的空气量类似于电压表运动以移动指针所消耗的电流。压力表运行所需的空气越少，被测轮胎的放气就越少。电压表驱动指针的电流越小，对被测电路的负担就越小。

这种效果称为加载 ，并且它在某种程度上存在于电压表使用的每个实例中。此处显示的情况是最坏的情况，电压表电阻大大低于分压电阻器的电阻。但是总会有一定程度的负载，导致电表在没有连接电表的情况下显示低于真实电压。显然，电压表电阻越高，被测电路的负载越小，这就是为什么理想电压表具有无穷大内阻的原因。

具有机电运动的电压表通常以“每伏特欧姆”为单位给出额定值，以指定由运动的电流消耗产生的电路影响量。由于此类仪表依靠不同的乘法电阻值来提供不同的测量范围，因此它们的引线间电阻将根据它们设置的范围而变化。另一方面，无论量程设置如何（但并非总是如此！），数字电压表通常在其测试引线上表现出恒定的电阻，因此通常仅以输入电阻的欧姆为单位，而不是“每伏特的欧姆”灵敏度。

“ohms per volt”的意思是每伏特量程设置的引线间电阻是多少欧姆 在选择开关上。让我们以上一节的电压表为例：

在 1000 伏范围内，总电阻为 1 MΩ (999.5 kΩ + 500Ω)，每 1000 伏量程为 1,000,000 Ω，或每伏 1000 欧姆 (1 kΩ/V)。对于该仪表的任何量程，此欧姆每伏“灵敏度”额定值保持不变：

精明的观察者会注意到，任何仪表的欧姆每伏额定值都由一个因素决定：机芯的满量程电流，在这种情况下为 1 mA。 “每伏特欧姆”是“伏特每欧姆”的数学倒数，欧姆定律将其定义为电流 (I=E/R)。因此，全尺寸电流 运动的大小决定了仪表的 Ω/伏特灵敏度，无论设计人员通过倍增电阻为其配备什么范围。在这种情况下，无论我们如何使用乘法电阻对其进行量程，仪表机芯的 1 mA 满量程电流额定值都使其具有 1000 Ω/V 的电压表灵敏度。

为了最大限度地减少电压表在任何电路上的负载，设计人员必须设法最大限度地减少其运动的电流消耗。这可以通过重新设计机芯本身以实现最大灵敏度（全刻度偏转所需的电流更少）来实现，但这里的权衡通常是坚固性：更灵敏的机芯往往更脆弱。

另一种方法是通过电子方式提高发送到机芯的电流，以便从被测电路中抽取很少的电流。这种特殊的电子电路被称为放大器 ，这样构造的电压表是一个放大电压表 .

放大器的内部工作原理过于复杂，此时无法讨论，但足以说明电路允许测量电压控制 多少电池电流被发送到仪表运动。因此，机芯的电流需求由电压表内部的电池提供，而不是由被测电路提供。放大器仍会在一定程度上对被测电路施加负载，但通常比仪表本身的运动小数百或数千倍。

真空管电压表 (VTVM)

在被称为“场效应晶体管”的半导体出现之前，真空管被用作放大设备来执行这种增强。这种真空管电压表 , 或 (VTVM) 曾经是非常流行的电子测试和测量仪器。这是一张很旧的VTVM的照片，真空管暴露在外！

现在，固态晶体管放大器电路在数字仪表设计中完成了相同的任务。虽然这种方法（使用放大器来提高测量的信号电流）效果很好，但它使仪表的设计变得非常复杂，使电子学初学者几乎不可能理解其内部工作原理。

电压表负载问题的最后一个巧妙的解决方案是电位 或 null-balance 乐器。它不需要先进的（电子）电路或敏感设备，如晶体管或真空管，但它确实需要更多的技术人员参与和技能。在电位计中，将精密可调电压源与测量电压进行比较，以及称为零位检测器的灵敏装置 用于指示何时两个电压相等。

在一些电路设计中，精密电位器 用于提供可调电压，因此标签potentiometric .当电压相等时，从被测电路汲取的电流为零，因此测量电压应不受影响。使用我们的最后一个示例（高电阻分压器电路）很容易展示其工作原理：

空检测器

“零位检测器”是一种敏感设备，能够指示存在非常小的电压。如果使用机电式仪表机芯作为零位检测器，它将有一个以弹簧为中心的指针，可以向任一方向偏转，以便用于指示任一极性的电压。由于零检测器的目的是准确指示零 电压，而不是像普通电压表那样指示任何特定（非零）量，所用仪器的标度无关紧要。零点检测器通常设计为尽可能灵敏，以便更准确地指示“零点”或“平衡”（零电压）条件。

一种极其简单的零位检测器是一组音频耳机，其中的扬声器充当一种仪表运动。当直流电压最初施加到扬声器时，由此产生的电流将移动扬声器锥盆并产生可听见的“咔嗒”声。当直流电源断开时，会听到另一个“咔嗒”声。基于这个原理，一个灵敏的零位检测器可以由耳机和一个瞬时接触开关组成：

如果为此使用一套“8 欧姆”耳机，将其连接到称为变压器的设备后，其灵敏度可能会大大提高 .变压器利用电磁原理来“转换”电能脉冲的电压和电流水平。在这种情况下，使用的变压器类型是降压 变压器，它将低电流脉冲（通过在连接到小电压源时关闭和打开按钮开关产生）转换为高电流脉冲，以更有效地驱动耳机内的扬声器锥体。

阻抗比为 1000:8 的“音频输出”变压器非常适合此用途。变压器还通过在磁场中积累低电流信号的能量，在开关打开时突然释放到耳机扬声器中来提高检测器的灵敏度。因此，它会产生更响亮的“咔嗒声”以检测较小的信号：

连接到电位计电路作为零位检测器，开关/变压器/耳机布置如下：

任何零位检测器的目的都是充当实验室天平，指示两个电压何时相等（点 1 和点 2 之间没有电压），仅此而已。实验室秤平衡梁实际上不称重任何东西；相反，它只是表明平等 未知质量和一堆标准（校准）质量之间。

同样，零点检测器仅指示点 1 和点 2 之间的电压何时相等，即（根据基尔霍夫电压定律）可调节电压源（带有斜箭头的电池符号）在电压上精确相等时到 R2 上的下降。

操作该仪器时，技术人员会手动调整精密电压源的输出，直到零位检测器指示为零（如果使用音频耳机作为零位检测器，技术人员会反复按下和松开按钮开关，聆听静音以指示电路是“平衡的”），然后记下连接在精密电压源两端的电压表所指示的源电压，该指示代表较低的 250 MΩ 电阻器两端的电压：

用于直接测量精密源的电压表不需要具有极高的 Ω/V 灵敏度，因为该源将提供其运行所需的所有电流。只要零点检测器两端的电压为零，点 1 和点 2 之间就会有零电流，相当于被测分压器电路没有负载。

值得重申的事实是，如果正确执行此方法，几乎为零负载 在被测电路上。理想情况下，它在测试电路上绝对没有负载，但要实现这个理想目标，零点检测器必须两端的电压绝对为零 ，这将需要一个无限灵敏的零位表和来自可调电压源的完美电压平衡。

然而，尽管电位电路实际上无法实现绝对零负载，但它仍然是测量高阻电路中电压的极好技术。与使用先进技术解决问题的电子放大器解决方案不同，电位法通过利用电学基本定律（KVL）实现了假设完美的解决方案。

评论：

• 理想的电压表具有无穷大的电阻。
• 电压表的内阻过低会对被测电路产生不利影响。
• 真空管电压表 (VTVM)、晶体管电压表和电位计电路都是最小化被测电路负载的方法。在这些方法中，电位（“零平衡”）技术是唯一一种能够放置零 电路上的负载。
• 一个空检测器 是专为对小电压或电流具有最大灵敏度而构建的设备。它用于电位电压表电路中以指示缺失 两点之间的电压，从而表明可调电压源与被测电压之间的平衡状态。

相关工作表：

• 基本电压表使用工作表