第13节 电位电压表 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 两节 6 伏电池
- 一个电位器，单圈，10 kΩ，线性锥形（Radio Shack 目录 # 271-1715）
- 两个高阻值电阻（每个至少 1 MΩ）
- 敏感电压检测器（来自之前的实验）
- 模拟电压表（来自之前的实验）
电位器值并不重要：1 kΩ 到 100 kΩ 的任何值都可以接受。
如果您已经构建了本章前面介绍的“精密电位器”，建议您在本实验中使用它。
同样，电阻器的实际值并不重要。在这个特定的实验中，值越大，结果越好。它们也不必是完全相等的值。
如果您还没有搭建灵敏电压检测器，建议您在进行此实验之前先搭建一个！
这是一个非常有用但简单的测试设备，您不应该没有。您可以使用设置为“DC 毫伏”(DC mV) 范围的数字万用表来代替电压检测器，但基于耳机的电压检测器更合适，因为它演示了如何在_不_使用昂贵或高级的情况下进行精确的电压 (opens new window)测量仪表设备。出于同样的原因，我建议您使用自制的万用表，尽管任何电压表都足以完成这个实验。
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：其原因及其解决方案
- 说明如何使用电位器作为可变电压源
- 说明电压测量的电位法
原理图，示意图
插图
指示
构建原理图和插图左侧所示的两电阻分压器电路。
如果两个高阻值电阻 (opens new window)值相等，则应将电池电压分成两半，每个电阻上大约下降 3 伏。
用电压表直接测量电池电压，然后测量每个电阻的压降。
你注意到电压表读数有什么异常吗？通常，串联电压降加起来等于总施加电压，但在这种情况下，您会注意到严重的差异。
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：当您在任一电阻器上连接电压表时，电压表本身_会改变_电路，因此电压与未连接仪表时的电压不同。
我喜欢用气压计来类比用于检查充气轮胎的压力。
当仪表连接到轮胎的充气阀时，它会从轮胎中释放出一些空气。
这会影响轮胎中的压力，因此压力表读数比连接压力表之前轮胎中的压力略低。
换句话说，测量轮胎压力的行为_会改变_轮胎的压力。但是，希望在测量过程中轮胎释放的空气很少，以至于压力的降低可以忽略不计。
电压表通过绕过正在测量电压降的组件周围的一些电流，同样会影响它们测量的电压。
这会影响电压降，但影响很小，您通常不会注意到它。
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阻值电阻，然后重复实验。
用两个 10 KΩ 单元替换这些电阻器并重复。对于使用低阻值电阻的电压读数，您有什么注意事项？
这告诉您电压表对电路的“影响”与该电路的电阻有关吗？
在继续之前，将所有低值电阻器替换为原始的高值 (>= 1 MΩ) 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阻值电阻上的电压（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。
理想的电压表将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，您获得的电压读数这次将加起来总电压，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，通过这种方式获得的电压读数不太可能等于未连接仪表时的真实电压降，因此这不是解决问题的实用方法。
有没有办法制造一个“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 (opens new window)”电路来实现这一目标，但这种方法技术太先进，学生或业余爱好者无法复制。
一种更简单且更古老的技术称为_电位_法或_零平衡_法。
这涉及使用可调电压源来“平衡”测量的电压。
当两个电压相等时，如非常灵敏的_零位检测器_所示，可调电压源用普通电压表测量。
因为两个电压源彼此相等，所以测量可调源与测量整个测试电路相同，只是没有“影响”误差，因为可调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。
检查以下原理图以了解电位电压表方法是如何实现的：
内部写有“null”字样的圆圈符号表示空检测器。
这可以是任意敏感的仪表移动或电压指示器。
它在该电路中的唯一目的是指示何时_有零_电压：当可调电压源（电位计）精确等于被测电路中的电压降时。
该零位检测器越灵敏，可调节源就越精确地被调节为等于被测电压，并且可以更精确地测量测试电压。
如图所示构建此电路并测试其操作，测量测试电路中一个高阻值电阻器上的电压降。
一开始使用普通万用表作为零点检测器可能更容易，直到您熟悉调整电位计以获取“零点”指示的过程，然后读取连接在电位计上的电压表。
如果您使用基于耳机的电压检测器作为零表，您将需要间歇性地与被测电路建立和断开接触，并聆听“咔哒”声。
为此，将其中一个测试探针牢固地固定在测试电路上，并在瞬间将另一个测试探针一次又一次地接触到测试电路中的另一点，听耳机中指示测试电路和测试电路之间电压差的声音。电位器。
调整电位器，直到耳机听不到咔嗒声。这表示“零”或“平衡”状态，您可以阅读电压表指示以查看测试电路电阻器上下降了多少电压。
不幸的是，基于耳机的零位检测器无法指示电位器电压是_大于_还是_小于_测试电路电压，因此您必须在转动电位器时聆听“咔哒”强度的_降低_以确定是否需要调高或调低电压。
您可能会发现单圈（“3/4 圈”）电位器对于调节装置来说过于粗糙，无法准确地“归零”测量电路。
可以使用多圈电位器代替单圈单元以获得更高的调节精度，或者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，电位法是进行高精度电压测量的_唯一方法。_
即使是现在，电气标准实验室也利用这种技术以及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。
虽然电位测量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巧，并且被认为对于除了最精确的测量应用之外的所有应用都已过时，但对于电子学的新学生来说，它仍然是一个有价值的学习过程，也是一个有用的方法。为可能在他们的家庭实验室中缺乏昂贵仪器的业余爱好者提供的技术。
电脑模拟
带有 SPICE 节点号的示意图：
网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字）：
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(2,0) v(2,3) v(3 ,0) .end
该SPICE 仿真显示了测试电路 R (opens new window) 2上的实际电压、零位检测器的电压以及可调电压源上的电压，因为该电压源以 0.5 伏的步长从 0 伏调整到 6 伏。
在此仿真的输出中，您会注意到，当测量电路不平衡时，R 2两端的电压 _会_受到显著影响，只有当零位检测器两端的电压几乎为零时才会返回其真实电压。
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。
从这个模拟中可以学到什么？电位电压表_只有_在与测试电路处于完美平衡（“零”）的情况下才能避免影响测试电路！
相关练习：
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