第3节 电压表对被测电路的影响(修订中)
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每一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稍微改变测量的轮胎压力一样，因为一些空气被排出来操作仪表。虽然一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。
# 1. 分压电路
由于电压表总是与被测元件并联，任何通过电压表的电流都会影响被测电路中的总电流，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，而不是现实生活中！以以下分压器 (opens new window)电路为例，说明实际电压表如何影响电路的测量：
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 (opens new window)将总电压（24 伏）精确地分成两半。但是，如果所讨论的电压表具有 10 MΩ 的引线间电阻（现代数字电压表的常见值），则其电阻将在连接时与分压器的较低电阻形成并联子电路：
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），极大地改变了电路中的电压降。现在，下部电阻器上的电压将比以前小得多，而上部电阻器的电压要高得多。
# 2. 测量分压器
电阻值为 250 MΩ 和 9.615 MΩ 的分压器将 24 伏分别分成 23.1111 伏和 0.8889 伏的部分。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”在连接到较低的 250 MΩ 电阻器之前有 12 伏的电位下降。将电压表连接到电路这一行为使其成为电路的一部分，电压表自身的电阻会改变分压器电路的电阻比，从而影响被测电压。
# 3. 电压表如何工作？
想象一下使用一个轮胎压力表，它需要大量的空气来操作，以至于它会放气它所连接的任何轮胎。压力表在测量过程中消耗的空气量类似于电压表移动以移动指针所消耗的电流。压力表运行所需的空气越少，被测轮胎放气的次数就越少。电压表驱动指针所消耗的电流越少，对被测电路的负担就越小。
这种效应称为负载，并且在电压表的每个使用实例中都会在某种程度上存在。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的电阻。但总会有某种程度的负载，导致仪表在未连接仪表的情况下显示低于真实电压。显然，电压表的电阻越高，被测电路的负载越小，这就是为什么理想的电压表具有无限内阻的原因。
具有机电机芯的电压表通常以“欧姆每伏特”的范围给出额定值，以指定由机芯的电流消耗产生的电路冲击量。由于此类仪表依赖于不同的倍增电阻值来提供不同的测量范围，因此它们的引线间电阻会根据它们设置的范围而变化。另一方面，数字电压表通常在其测试引线上表现出恒定的电阻，无论范围设置如何（但并非总是如此！），因此通常仅以欧姆输入电阻为单位，而不是“欧姆每伏特”灵敏度。
“每伏特欧姆”的意思是选择开关上每伏特的量程设置有多少欧姆的引线间电阻。让我们以上一节中的示例电压表为例：
在 1000 伏刻度上，总电阻为 1 MΩ (999.5 kΩ + 500Ω)，每 1000 伏量程为 1,000,000 Ω，或每伏特 1000 欧姆 (1 kΩ/V)。对于此仪表的任何范围，此欧姆/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/伏额定值由一个因素决定：机芯的满量程电流，在这种情况下为 1 mA。“欧姆/伏特”是“伏特/欧姆”的数学倒数，由欧姆定律定义为电流 (I=E/R)。因此，机芯的满量程电流决定了仪表的 Ω/伏特灵敏度，无论设计人员通过倍增电阻为其配备什么量程。在这种情况下，无论我们如何使用倍增电阻对其进行量程调整，万用表机芯的 1 mA 满量程电流额定值使其电压表灵敏度为 1000 Ω/V。
为了将电压表在任何电路上的负载降至最低，设计人员必须设法将其运动的电流消耗降至最低。这可以通过重新设计机芯本身以获得最大灵敏度（满量程偏转所需的电流更少）来实现，但这里的权衡通常是坚固性：更敏感的机芯往往更脆弱。
另一种方法是通过电子方式提高发送到机芯的电流，因此需要从被测电路中汲取的电流非常少。这种特殊的电子电路被称为_放大器 (opens new window)_，由此构成的电压表就是放大的电压表。
放大器的内部工作原理过于复杂，无法在此讨论，但只要说电路允许测量的电压控制发送到仪表移动的电池电流量就足够了。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。放大器仍然在一定程度上加载被测电路，但通常比仪表本身的移动少数百或数千倍。
# 4. 真空管电压表 (VTVM)
在被称为“场效应晶体管 (opens new window)”的半导体出现之前，真空管被用作放大装置来执行这种升压。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。这是一张非常旧的 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同样的任务。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，使得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计或零平衡仪器。它不需要先进的（电子）电路或晶体管或真空管等敏感设备，但确实需要更多的技术人员参与和技能。在电位计中，将一个精密可调电压源与测量电压进行比较，一个称为零位检测器的敏感设备用于指示两个电压何时相等。
在某些电路设计中，精密电位器用于提供可调电压，因此称为电位器 (opens new window)。当电压相等时，从被测电路汲取的电流为零，因此测得的电压应该不受影响。很容易通过我们的最后一个示例（高阻分压器电路）来展示它是如何工作的：
# 5. 零点检测器
“零位检测器”是一种敏感设备，能够指示存在非常小的电压。如果将机电式仪表机芯用作零位检测器，它将有一个弹簧中心针，可以在任一方向偏转，以便用于指示任一极性的电压。由于零位检测器的目的是准确指示_零_电压条件，而不是像普通电压表那样指示任何特定（非零）量，因此所用仪器的刻度无关紧要。空检测器通常设计为尽可能灵敏，以便更准确地指示“零”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。当最初将直流电压施加到扬声器时，通过它的电流将移动扬声器锥体并产生可听见的“咔哒”声。断开直流电源时，会听到另一声“咔哒”声。基于此原理，灵敏的零位检测器可以仅由耳机和瞬时接触开关制成：
如果为此目的使用一套“8欧姆”耳机，通过将其连接到一个称为变压器 (opens new window)的设备，它的灵敏度可能会大大提高。变压器利用电磁 (opens new window)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）转换为更高电流的脉冲，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”变压器非常适合此目的。变压器还通过在磁场中积累低电流信号的能量来提高检测器的灵敏度，以便在开关打开时突然释放到耳机扬声器中。因此，它将产生更响亮的“咔哒”声来检测较小的信号：
作为零位检测器连接到电位器电路，开关/变压器/耳机装置的使用如下：
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 2 之间没有电压），仅此而已。实验室天平秤实际上并不称量任何东西。相反，它只是表示未知质量与一堆标准（校准）质量之间的相等性。
同样，零值检测器仅指示点 1 和 2 之间的电压何时相等，这（根据基尔霍夫电压定律 (opens new window)）将是可调电压源（带有对角箭头的电池符号）电压精确相等于 R2 两端的压降。
为了操作该仪器，技术人员将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，技术人员将反复按下和释放按钮开关，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指示的源电压，该指示代表较低的 250 MΩ 电阻器上的电压：
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，因为电源将提供其运行所需的所有电流。只要零位检测器上的电压为零，点 1 和 2 之间的电流就会为零，这相当于被测分压器电路没有负载。
值得重申的事实是，如果正确执行该方法，被测电路的负载几乎为零。理想情况下，它绝对不会在被测电路上施加任何负载，但要实现这一理想目标，零位检测器必须具有绝对为零的电压，这将需要一个无限灵敏的零位计和来自可调电压源的电压的完美平衡。
然而，尽管电位电路实际上无法实现绝对零负载，但它仍然是测量高电阻电路中电压的绝佳技术。与使用先进技术解决问题的电子放大器解决方案不同，电位法通过利用基本电定律 (KVL) 实现了假设完美的解决方案。
# 6. 原文链接
Lessons in Electric Circuits (opens new window)
# 7. 总结
- 理想的电压表具有无限大的电阻。
- 电压表中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对电路施加_零_负载的方法。
- 零位检测器_是一种对小电压或电流具有最大灵敏度的设备。它用于电位电压表电路，以指示两点之间_没有电压，从而指示可调节电压源和被测电压之间的平衡状态。
相关练习：
# 8. 总目录
一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)