电位计

交叉引用

电路课程 ，第 1 卷，第 8 章：“直流计量电路”

学习目标

• 描述电压表负载：原因和解决方法
• 说明如何使用电位计作为可变电压源
• 说明电压测量的电位法

原理图

插图

说明

搭建原理图和插图左侧所示的双电阻分压器电路。

如果两个高值电阻的值相等，则电池电压应一分为二，每个电阻上大约下降 3 伏。

直接用电压表测量电池电压，然后测量每个电阻的压降。

您是否注意到电压表的读数有任何异常？通常，串联电压降加起来等于施加的总电压，但在这种情况下，您会发现存在严重差异。

基尔霍夫电压定律不正确吗？这是电路最基本定律之一的例外吗？

不！发生的事情是这样的：当你在任一电阻上连接电压表时，电压表本身改变 电路使电压与未连接仪表的电压不同。

我喜欢用气压计来比喻，用来检查充气轮胎的压力。

当仪表连接到轮胎的充气阀时，它会从轮胎中释放一些空气。

这会影响轮胎中的压力，因此仪表读取的压力比连接仪表之前轮胎中的压力略低。

换句话说，测量轮胎压力的行为改变 轮胎的压力。不过，希望在测量过程中轮胎释放的空气非常少，以至于压力的降低可以忽略不计。

电压表同样会影响它们测量的电压，方法是绕过被测量电压降的组件周围的一些电流。

这会影响电压降，但影响很小，您通常不会注意到。

然而，在这个电路中，效果非常明显。为什么是这样？尝试用两个 100 kΩ 值的电阻替换两个高值电阻并重复实验。

用两个 10 KΩ 单元替换这些电阻器并重复。您对低阻值电阻的电压读数有何注意事项？

关于电压表相对于电路电阻的“影响”，这告诉您什么？

在继续之前，用原始的高值 (>=1 MΩ) 电阻器替换任何低值电阻器。

尝试使用数字电压表而不是模拟电压表测量两个高值电阻器上的电压（一次一个）。

您对数字仪表的读数与模拟仪表的读数有何不同？

数字电压表通常具有更大的内部（探头到探头）电阻，这意味着在测量相同电压源时，它们比类似的模拟电压表消耗更少的电流。

理想的电压表会从被测电路中汲取零电流，因此不会出现电压“影响”问题。

如果您碰巧有两个电压表，请尝试以下操作：将一个电压表连接到一个电阻器上，将另一个电压表连接到另一个电阻器上。

无论电阻值是多少，您获得的电压读数都会加起来为这次的总电压，即使它们与使用两次的单个仪表获得的读数不同。

不幸的是，这种方式获得的电压读数不太可能与未连接仪表的真实电压降相等，因此这不是解决问题的实用方法。

有没有办法制作一个“完美”的电压表：一个具有无限电阻并且不从被测电路中汲取电流的电压表？

现代实验室电压表通过使用半导体“放大器”电路来实现这一目标，但这种方法在技术上过于先进，学生或业余爱好者无法复制。

一种更简单、更古老的技术称为电位 或 null-balance 方法。

这涉及使用可调电压源来“平衡”测量电压。

当两个电压相等时，由非常灵敏的零位检测器指示 ，可调电压源用普通电压表测量。

由于两个电压源彼此相等，因此测量可调电源与测量整个测试电路相同，只是不存在“影响”误差，因为可调电源提供电压表所需的任何电流。因此，被测电路不受影响，可以测量其真实电压降。

检查下面的示意图，了解如何实现电位电压表法：

里面写有“null”字样的圆圈符号代表空检测器。

这可以是任意敏感的仪表移动或电压指示器。

它在这个电路中的唯一目的是指示何时有零 电压：当可调电压源（电位器）正好等于被测电路的压降时。

该零位检测器越灵敏，可调源就可以越精确地调整为等于被测电压，并且可以越精确地测量该测试电压。

如图所示构建此电路，并通过测量测试电路中一个高值电阻器上的电压降来测试其操作。

起初使用普通万用​​表作为零位检测器可能更​​容易，直到您熟悉调整电位器以获得“零位”指示的过程，然后读取连接在电位器上的电压表。

如果您使用基于耳机的电压检测器作为您的零位计，您将需要间歇性地接通和断开与被测电路的接触并聆听“咔嗒”声。

为此，将一个测试探头牢固地固定到测试电路上，然后将另一个测试探头一次又一次地暂时接触测试电路中的另一点，听耳机中的声音表明测试电路和测试电路之间存在电压差。电位器。

调节电位器直到听不到从耳机中发出的咔嗒声。这表示“空”或“平衡”状态，您可以读取电压表指示以查看测试电路电阻器两端的电压下降了多少。

不幸的是，基于耳机的零位检测器无法指示电位计电压是否大于 , 或小于 测试电路电压，所以你必须听下降 转动电位器的同时“咔哒”一下强度，确定是否需要调高或调低电压。

您可能会发现单圈（“3/4 圈”）电位器的调节装置过于粗糙，无法准确地“归零”测量电路。

为了提高调节精度，可以用多圈电位器代替单圈电位器，也可以使用前面实验中描述的“精密电位器”电路。

在放大电压表技术出现之前，电位法是唯一 一种高精度电压测量方法。

即使是现在，电气标准实验室也利用这项技术和最新的仪表技术来最大限度地减少仪表“影响”误差并最大限度地提高测量精度。

尽管电位法比简单地将现代数字电压表连接到一个组件上需要更多的技能，并且对于除最精确的测量应用之外的所有应用都被认为已经过时，但对于电子学的新生来说，它仍然是一个有价值的学习过程，并且是有用的家庭实验室可能缺乏昂贵仪器的业余爱好者的技术。

计算机模拟

SPICE 节点编号示意图：

网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字逐句）：

电位电压表 v1 1 0 dc 6 v2 3 0 r1 1 2 1meg r2 2 0 1meg rnull 2 3 10k rmeter 3 0 50k .dc v2 0 6 0.5 .print dc v(2,30) v(2,30) v(2) v(3,0) .end 

此 SPICE 仿真显示了测试电路 R2 两端的实际电压、零位检测器的电压以及可调电压源两端的电压，因为该源以 0.5 伏的步长从 0 伏调整到 6 伏。

在此模拟的输出中，您会注意到 R2 两端的电压 是 当测量电路不平衡时会受到显着影响，只有当零检测器两端的电压几乎为零时才恢复到其真实电压。

当然，此时可调电压源的值为 3.000 伏：精确等于（未受影响的）测试电路电压降。

从这次模拟中可以吸取什么教训？电位计电压表避免影响测试电路只 当它与测试电路处于完美平衡（“零”）状态时！

相关工作表：

• DC 计量工作表