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带放大器的指针万用表
     除静电系仪表之外,所有指针式电学测量仪器,都依据电流和磁场的相互作用力。具体到指针万用电表最常用的磁电系仪表,其磁场是由磁钢和软铁产生的放射状均匀磁场,动圈的两边通电流后,在磁场中受力偏转,当这个力矩(“安培”力矩)和游丝(或张丝)的反方向力矩平衡时,指针停止。因安培力与电流成正比,游丝力矩与偏转角度成正比,故偏转角度就与电流成正比。
 从欧姆同学研究欧姆定律的时候,人类就采用这种方式来测量电流(及电压)。随着技术的进步,精度越来越高,0.1级(误差为满量程的0.1%)基本上是常见的标准表,万用电表高精度的可做到1级,甚至0.5级。
 从原理出发,表头要获得测量结果,必须有电流通过;这意味这必须从待测对象获取电流,其结果导致对待测电路发生影响。所以表需要的电流越小,对待测电路的影响越小,其测量结果越准确。
 一般仪器,通常用最小能测量的物理量来定义“灵敏度”。比如10微安的表,指的是10微安表头能够达到满度,以一般常规的50分格计,有效的读数是0.2微安,这个是常规意义上的灵敏度;对万用表,则常用电压档的内阻来表征灵敏度。如果一个万用表最灵敏的档是10微安,则从原理上,通过串联分压电阻的方式来扩展电压量程,1V档的总内阻就是100kΩ;如果是10V档,总内阻就是1MΩ。内阻和电压量程之间的比率是固定的,所以我们说这个表的灵敏度是100kΩ/V。
  100kΩ/V在传统万用表中属于高灵敏度表,要求其表头满度<=10微安,国产的如MF10,MF104,进口的如Simpson269等,型号不多。最普及的表为20kΩ/V,低的有10kΩ/V,甚至像MF14这种只有1kΩ/V,不能用来做电子学测量。
 注意以上说的是直流。交流档,大多数万用表采用整流式测量,为了消除整流元件非线性的影响,需要人为降低表头灵敏度,如MF10的交流灵敏度仅为20kΩ/V,MF35的直流是20kΩ/V,交流只有2kΩ/V.
  拖拖拉拉一大堆,似乎和标题没什么关系。接下来还要说一些背景资料。
 自从半导体器件发展起来,其对测试测量技术的影响与对生产生活的影响一样迅猛而强大。利用P-N结反向击穿特性可以很容易的获得电压基准,结合在运算放大器和数字电路、精确时钟基础上发展起来的A/D转换方式,使高输入阻抗(几乎不需从待测对象取得电流)、高精度(取决于基准精度以及A/D转换精度,不再依赖于表头的摩擦、磁场均匀性等机械指标)、直观(数字化读数)的数字电压表以及在此基础上发展的数字万用表风靡一时,并成为现今万用表的主流。

 相对于指针万用表,数字万用表最大的优势就在于灵敏度高(输入电阻都在10M以上),对测量电路的影响小。不过,在数字万用表滥觞的同时,指针式万用表也没有忘了进步。同样借助半导体电子学的发展,指针万用表在输入端增加放大电路,使得灵敏度大大提高,输入阻抗接近或达到数字表的水平。不过,这一次的进步是指针万用表最后的一次努力,从此以后它再也没有发展。现在,除了一些特殊场合以及一些老爱好者的偏好,指针万用表是在慢慢的退出了,那些昔日高性能、高灵敏度的放大表,也成了昨日的花儿......

 放大,说起来是个很简单的事儿,随便一个爱好者都知道,三极管就能放大。不过在测试仪器里面,就不那么好玩了,因为不管是电子管,还是晶体管,放大倍数都是不稳定的。所以,要用放大来实现计量,如何获得稳定准确的放大倍数是关键。其思路是:构建一个放大倍数很大的系统,再加深度负反馈,这样,放大倍数就由反馈电阻确定。

  一般晶体管的放大倍数就在100左右。构建高倍放大系统,有几种方式:

 1)采用逐级放大或复合管放大。上海遵义电表厂70年代研发的MF20用的就是这种方式。
 2)采用差动放大。黑龙江泰来电子仪器仪表厂的DF-1B型晶体管繁用表采用的就是这种方式。
 3)直接用集成运算放大器。这种表相对不少,上海第四电表厂MF60、MF63;贵阳永跃仪表厂MF70;清华大学研发的JFX型。

一、MF20型

  MF20型由上海遵义电表厂(后上海第四电表厂)于70年代初研发,采用5只晶体管,前三个构成一个复合管,后两个构成一个复合管。由于这种逐级方式无法实现直流零输出,故只在交流档采用放大。其直流特性和常规50k/V的表一样,交流灵敏度达到333k/V,交流电流最灵敏档为6微安!

  MF20一直生产至90年代,目前市面上存量还是较大的。一共两种版本:早期采用锗PNP管3AX31的版本和采用硅NPN管3DG6的版本。这两种版本,交流部分放大电路分别如下:

   

上图为锗管放大电路;采用硅管的版本电路基本一致,供电电源反过来,另外T4的集电极和T5的基极之间为直接耦合。

MF20是一只大型立式仪表:
   

直流电路板、交流电路板分开,两只波段开关控制:



直流电路板:

采用3AX31的交流电路板:


采用3DG6的交流电路板:



二、DF-1B 型晶体管繁用表;
  
  此表应该为早期产品,黑龙江生产。采用3DG6构成的差动放大电路,灵敏度极高。交直流输入阻抗为2M/V(大电压档为10M),欧姆有×10M档,同时内置振荡器,可测试电容和电感,并具备测试高频100mV ~ 5V,2kHz ~100MHz的电压,可替代高频毫伏表使用。电流档灵敏度身高,最小量程500nA!
  
   放大部分电路:





内部电路,采用100微安灵敏度内磁表头:

双层印制板,背面也有元件和电路。


三、上海第四电表厂,MF60型万用表

  此表应为80年代设计生产,采用了两个FC54低功耗运算放大器,配合场效应管输入。说实话我没弄明白两个运放各司什么责任。此表存量极小,从图片上看,采用的和MF10/12/14/18/20/35等类似的圆形串联V类强磁场系统,外磁表头,因此应该是只大型表。

   放大部分电路图
   

   外形很摩登,日系风格


内部,用料和做工还是不错的。






四、上海第四电表厂,MF63型万用表

   MF63型是上海第四电表厂80年代后期研发生产的一只中型带放大型万用表。该表采用一只FC54(后期也用FC55和TL061)运算放大器,配合200微安小型外磁表头构成25mV,高内阻电压表头,再配合周边电路构成的高灵敏度宽量程万用表。该表电路简洁,体积小,重量轻,指针阻尼好,是替代传统大型表的一只很好的工具。美中不足的是由于设计的原因,直流内阻为10K/V(50mV档)~ 200K/V,交流内阻为10K/V (100mW档) ~ 100K/V。
   MF63型产量甚大,出口也不少,现在存量很大,次新表都可以买得到。

    MF63型放大部分电路图:
   

最早的MF63,注意“四表”的汉语拼音字母“Sibiao”的位置在左边;

后来某个时期的版本,“Sibiao”移到中间了;




早期的表内部,注意电池仓,需要6节5号电池构成运放的±4.5V供电,还需要一节给欧姆档供电。



上个版本的产量极小,因当时5#电池质量不好,容易漏液导致表损坏,后期改用两节6V叠层电池给运放供电:


早期表使用的金封运放FC55A,部分为FC54A。



五、贵阳永跃仪表厂MF70型万用表

   上四在做MF60、MF63的时候,兄弟厂商永跃也没闲着,推出了MF70型万用表。该表采用高输入阻抗型运放5G28,使得不需要借助场管,输入阻抗就可以做得很高。其交直流电压小量程(50mV,100mV)输入阻抗达到了1G,普通量程也达到10M;交直流电流最小量程达到500nA!另外其内附振荡器,可测电容、电感。
   更为出众的是,此表直流精度(含电阻)是1.5级,交流精度是2.5级,和上面几只表直流2.5级,交流4 ~ 5级有很大差别。
   此表存量极少(千万勿与北京南苑电表厂生产的MF70相混淆)。我找了很久只找到一个半尸。

    放大部分电路图:
   

如下是我的MF70半尸表,橘色的是携带箱:


电路板;该板下面还有一块电路板。我的半尸表就是两板之间大量的飞线被上家剪了,虽然我手上有5G28,也恢复不了了。



六、JFX型万用表,清华大学仪表所

  此表也是稀有产品,只看过介绍,见过图片。
  JFX采用两只场管构成差动输入,再输入到BG305型运算放大中,构成10mV基础灵敏度的电压表,再配合周边电路构成万用表。
   该表输入阻抗为10M(10mV档为1M),具备内置振荡器,可测量L、C。独特的一点是该表可提供10mV作为欧姆档供电,这样可以在线测量二三极管周边电阻的阻值。

   放大电路图:
   

外观:最NB的是它那个10nA电流档!



内部:为避免干扰,场管和运放是有屏蔽的,整个主板再屏蔽一下。





七:关于带放大器的指针万用表的优势和劣势:
  优势1:输入阻抗(灵敏度)高,和普通手持数字万用表可媲美;
 优势2:表头可采用灵敏度较低之表头,动圈轻,电阻低,阻尼好;动圈可用粗线,不容易坏;
 优势3:放大器尤其是运算放大器输出阻抗很低,动圈运动时感生电流大,所以表头阻尼很好;
  劣势1:供电复杂,多数产品需要双供电;
 劣势2:输入阻抗高的表,和数字表一样,易受周边电池感应干扰;带场管的,场管容易坏。如MF70,其5G28很容易坏。
 劣势3:严重依赖于放大电路的准确性。放大回路中任何一个微小的误差都会被放大。典型的例子是MF63,如果电池漏液导致电池仓沾污,几乎很难修复。

无论如何,它们都是昨日黄花;在老爱好者眼里,依旧闪着夺目的光彩。

后记:就在我们这些万用表都停产的时候,东洋的Sanwa却还在继续生产各种指针万用表,其中EM7000就是JFET放大的,淘宝卖价500~ 1000不等。像我们的MF60、MF70这种的,新表卖300难道会没有市场么?


SANWA EM-7000

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