第2节 电压表设计(修订中)
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如前所述，大多数仪表运动都是敏感设备。一些 D'Arsonval 机芯的满量程偏转电流额定值低至 50 µA，（内部）导线电阻小于 1000 Ω。这使得电压表的满量程额定值仅为 50 毫伏 (50 µA X 1000 Ω)！为了从这种敏感的运动中构建具有实用（更高电压）刻度的电压表，我们需要找到某种方法将测量的电压量降低到运动可以处理的水平。
# 1. D'Arsonval 运动计
让我们从具有 1 mA 满量程偏转额定值和 500 Ω 线圈电阻的 D'Arsonval 仪表机芯开始我们的示例问题：
使用欧姆定律 (opens new window)(E=IR)，我们可以确定多少电压将驱动该仪表直接移动到满量程：
E = IR E = (1 mA)(500 Ω) E = 0.5 伏
如果我们想要的只是一个可以测量 1/2 伏特的仪表，那么我们这里的裸仪表移动就足够了。但要测量更高水平的电压，还需要更多的东西。为了获得超过 1/2 伏特的有效电压表量程，我们需要设计一个电路，只允许精确比例的测量电压在仪表移动时下降。
这会将仪表的移动范围扩展到更高的电压。相应地，我们需要在仪表表面重新标记刻度，以指示其连接此比例电路后的新测量范围。
但是我们如何创建必要的比例电路呢？好吧，如果我们的目的是让这个仪表移动测量比现在更大的_电压_，我们需要一个分压器 (opens new window)电路，将总测量电压按比例分配到仪表移动连接点上的较小部分。知道分压器电路是由串联电阻构成的，我们将在仪表机芯上串联一个电阻器（使用机芯自身的内部电阻作为分压器中的第二个电阻）：
# 2. 倍增电阻器
串联电阻器 (opens new window)被称为“倍增器”电阻器，因为它按比例将测量的电压分压在其上，从而使仪表移动的工作范围倍增如果您熟悉串联电路 (opens new window)分析，确定所需的乘法器电阻值是一件容易的事。
例如，让我们确定必要的乘数值，以使这个 1 mA、500 Ω 的机芯在 10 伏的施加电压下准确读取满量程。为此，我们首先需要为两个系列组件设置一个 E/I/R 表：
知道运动将在满量程时流过 1 mA 的电流，并且我们希望这发生在施加的（总串联电路）电压为 10 伏的情况下，我们可以这样填写表格：
有几种方法可以确定乘法器的电阻值。一种方法是使用“总”列 (R=E/I) 中的欧姆定律确定总电路电阻，然后减去运动的 500 Ω 以获得乘数：
计算相同电阻值的另一种方法是确定满量程偏转 (E=IR) 时运动上的电压降，然后从总电压中减去该电压降，得到乘法器电阻两端的电压。最后，可以再次使用欧姆定律来确定乘数的电阻 (R=E/I)：
任何一种方法都提供相同的答案 (9.5 kΩ)，并且一种方法可以用作另一种方法的验证，以检查工作的准确性。
在万用表测试引线之间施加的电压正好为 10 伏（来自某些电池或精密电源），通过万用表机芯的电流恰好为 1 mA，受“倍增器”电阻和机芯自身内阻的限制。机芯线圈的电阻上将下降 1/2 伏特，指针将精确指向满量程。将刻度重新标记为从 0 到 10 V（而不是 0 到 1 mA），任何查看刻度的人都会将其指示解释为 10 伏。
请注意，仪表用户根本不必知道机芯本身实际上仅测量来自外部电源的十伏特的一小部分。对用户而言，重要的是整个电路能够准确显示施加的总电压。
这就是实用电表的设计和使用方式：一个灵敏的电表机芯被构建为在尽可能低的电压和电流下运行以实现最大灵敏度，然后它被某种由精密电阻器构成的分压器电路“愚弄”，因此它当整个电路上施加更大的电压或电流时，表示满量程。我们在这里检查了一个简单电压表的设计。电流表遵循相同的一般规则，除了并联连接的“分流”电阻器用于创建分流器电路，而不是用于电压表设计的串联分压器“倍增器”电阻器。
通常，为这样的机电式仪表建立多个范围是有用的，允许它通过单个运动机制读取广泛的电压范围。这是通过使用一个多极开关和几个倍增电阻来实现的，每个电阻的大小都适用于特定的电压范围：
五位开关一次只接触一个电阻。在底部（完全顺时针）位置，它完全不接触电阻，提供“关闭”设置。每个电阻的大小都可以为电压表提供特定的满量程范围，所有这些都基于仪表移动的特定额定值（1 mA，500 Ω）。最终结果是一个具有四个不同满量程测量范围的电压表。当然，为了使这项工作合理，仪表机芯的刻度必须配备适合每个范围的标签。
使用这种仪表设计，每个电阻值都由相同的技术确定，使用已知的总电压、运动满量程偏转额定值和运动电阻。对于量程为 1 伏、10 伏、100 伏和 1000 伏的电压表，乘法器电阻如下：
请注意用于这些范围的乘法器电阻值，以及它们的奇数。在零件箱中很难找到 999.5 kΩ 精密电阻器，因此电压表设计人员通常会选择上述设计的变体，它使用更常见的电阻器值：
随着每个连续更高的电压范围，选择开关将更多的倍增电阻器压入服务，使其串联电阻增加必要的总电阻。例如，将量程选择器开关设置为 1000 伏位置，我们需要 999.5 kΩ 的总乘法器电阻值。通过这种仪表设计，我们将得到以下结果：
R总= R4 + R3 + R2 + R1 R总= 900 kΩ + 90 kΩ + 9 kΩ + 500 Ω R总= 999.5 kΩ
当然，优势在于单个乘法器电阻值（900k、90k、9k）比第一个设计中的一些奇数值（999.5k、99.5k、9.5k）更常见。然而，从仪表用户的角度来看，在功能上不会有明显的区别。
# 3.原文链接
Lessons in Electric Circuits (opens new window)
# 4. 总结
- 通过在移动电路中添加串联“倍增器”电阻器，为敏感的仪表移动创建了扩展的电压表范围，提供了精确的分压比。
相关练习：
# 5. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)