我从7年级开始学习物理,在物理学中,有一个重要的章节叫做“电”。在本章中,许多物理量(如电流和电压)都需要实际测量。在我的中学,我通常使用安培计(图1)来测量电流,电压表(图2)通常用于测量电位差。 它们都被称为模拟仪表或传统仪表。然而,在我的高中,模拟仪表被万用表取代(图3),也称为数字仪表。与传统电表相比,万用表可以测量电流和电位差,甚至可以测量元件的电阻。此外,普通的万用表可以有多个档位用于一个物理量。例如,如果要测量电流,则可以选择最大范围为10A的档位或最大范围为1A的档位。在这个项目中,我想自己设计和生产一个传统的仪表和万用表,以探索这些设备是如何工作的。此外,我会将这些个人想法与这些设备混合在一起。 值得一提的是,对于这个项目,我使用Multisim(绘制原理图的软件)(https://www.multisim.com/)绘制原理图,使用KiCad(绘制原理图和PCB的软件)绘制原理图和PCB(印刷电路板)(https://componentsearchengine.com/library/kicad?gclid=EAIaIQobChMIyOyf2p_r-AIV5JNmAh2FQwoOEAAYASAAEgLkNPD_BwE) ,从嘉立创(一家销售电子元器件的公司)(https://www.jlc.com/)购买元器件。 图1 图2 图3
该项目由两个主要阶段组成。一个是设计传统的万用表,第二个阶段是设计数字万用表。对于每个阶段,我会提到所需的背景知识并分析设备的原理。此外,我还会展示本项目中使用的电路、原理图和 PCB。每个万用表可能有多个版本,因为在以前的版本中可能存在一些问题,因此我将演示所有这些版本并展示我如何逐步完成它。 传统万用表的设计 分析传统电流表和电压表的工作原理 首先,让我再次展示一个传统的电流表(图4)。 图4 有一根针可以偏转,当针偏转时,它可以指向表盘上的一个值。如果我们去掉安培表的外壳,我们可以看到安培表内部,有一个电磁结构(图5)。在我介绍它是如何工作的之前,我必须提到一个理论,即电流会在磁场中受力(http://physics.bu.edu/~duffy/py106/MagForce.html)。此外,我要简要解释为什么这是真的。 事实证明,电流周围有一个磁场(这个理论的证明超出了我的知识范围),所以当电流在磁场中时,产生的磁场将与现有的磁场相互作用,如图6所示,电流将受到一个力。 然后,让我回到仪表的工作原理。安培表和电压表的基本原理是相似的,所以我会先介绍它们的相似之处,然后再讨论它们的区别。无论它是电压表还是安培表,一旦你把它连接到电路中,电流就会流入仪表。 然后,通过一个公式F=BIL (B是磁通量密度,L是导体在磁场中的长度,I是电流大小),我们可以看到力与电流的大小成正比。 然后,力将向针产生扭矩并推动其偏转。因此,指针偏转的角度也与电流的大小成正比。这是它如何运作的基本原则。 图5 图6 其次,让我讨论一下安培表和电压表之间的区别是什么。通常,我们知道安培表必须串联成一个电路(图7),而电压表必须并联连接(图8)。 这是为什么呢?如果我们对这些仪表进行更多的研究,我们可以看到安培表通常具有较小的电阻,而电压表通常具有巨大的电阻,因为在仪表内部,除了像图5这样的组件外,还有一些电阻器串联或并联(对于安培计它是并联的(图9),对于电压表它是串联的(图10))。 我之后会用我的图表来解释为什么内部结构是这样的。总之,安培表和电压表都使用“电流将在磁场中受力”来测量电量,唯一的区别是它们的内部结构。此外,从这项研究中,我们可以感觉到使用取决于结构。如果您想了解有关安培表和电压表的更多详细信息,可以转到(https://www.electronics-tutorials.ws/blog/ammeter.html)以了解有关安培计的更多信息,并转到(https://www.electronics-tutorials.ws/blog/voltmeter.html)以了解有关电压表的更多信息。 图7 图8
图9
图10 传统万用表电路
正如我在上一页中提到的,安培表和电压表的基本电磁结构是完全相同的,因此在本项目中,我想将电压表和安培表组合成一个设备。另外,我想为这个万用表设置几个档位,以便用户可以选择最合适的档位来获得更清晰的读数(例如,您要测量的电流为0.5A。如果使用最大范围为10A的齿轮,它只会偏转约4.5度。如果使用最大范围为1 A的齿轮,它将偏转45度)。 安培计设计 电磁组件由线圈,针和磁铁组成。线圈连接到电路,因此线圈也是电路的一部分。因此, 电路的电阻不容忽视。第一步是测量线圈的电阻。通过 R=U/I,我们可以对线圈施加电位差并测量通过它的电流。然后,可以应用不同的电位差来获得更准确的值。我对一个线圈进行了这样的测量(图11),我将在本项目中使用该线圈(图12,13)。我记录了数据,并使用Excel中的数据拟合来计算线圈的电阻。由于我使用的电流单位是mA,所以最终电阻为1.4677KΩ即1468Ω。 图11 图12 图13 如果我们只是将线圈连接到正常电路,由于电阻太大,因此几乎没有偏转。因此,我们必须将电阻器与线圈并联,以降低电流表的整体电阻,因此我的电路看起来像这样(图14)。 你可能会问一个问题,为什么我连接了这么多电阻器和开关。这就是我之前提到的。我想为万用表设置几个档位。通过我的实验,我发现线圈可以容纳的最大电流为0.1mA,如果线圈经历的电流大于 0.1mA,则指针指向表盘外。 有了 这些信息,我们可以很容易地确定所连接的电阻器的大小。例如,如果我希望我能够测量最大5mA。这意味着,当我将电流表连接到具有1A的电路时,流过线圈的电流为0.1mA,因为与线圈并联的电阻器可能与它共享一些电流。由于它们是并联的,它们的电位差是相同的, 因此我们用来 U=IR 得到这种情况下的电位差是0.147V。线圈仅消耗0.1mA电流,因此电阻将消耗4.9mA电流。使用 R=U/I,我们可以得到所需的电阻为 30Ω。遵循相同的原理,我们可以计算出其他档位所需的电阻。 最后,重要的是要注意,由于档位不同,我们必须自己制作表盘 以满足不同的档位。 图14
对于电压表,唯一的区别是电阻与线圈串联,因为串联的电阻可以与线圈共享电压。从 U=IR中我们可以计算出,线圈可以保持的最大电压为0.147V。因此,如果我们希望电压表可以测量10V的最大电压,则电阻必须采用9.853V,这意味着其电阻为98530Ω (几乎100KΩ)。 遵循相同的原理,我们可以计算出其他档位所需的电阻。 最终电路如下所示(图15)。您可能会问,如果我们将如此巨大的电阻与线圈连接,电压表的整体电阻将非常巨大。是的,它是。但这并不重要,因为电压表与电路并联。如果电压表的电阻很高,就不会对电路产生太大影响。 图15 电压表和安培组合的第一个版本
为什么我说这是第一个组合?因为我在组合图的设计中犯了一个错误,所以我会在测试部分分析错误。而且,在这一段中,我仍然会使用错误的,因为这是学习的过程。正确的图表在第二个版本中。 初稿如图 16 所示。电压表和安培计的组合意味着只有一个线圈是共享的。如果它是分开的仪表,则每个仪表都可以包含一个线圈。但是,要连接它们,他们必须共享它。在意识到这一点之后,现在的问题是如何处理两组电阻。一组将与线圈(电压表)串联连接,另一组与线圈并联连接(安培)。 为了实现这个目标,我选择使用SPDT开关(单刀双掷开关)。 图16
对原理图仅进行了一次更改。从电路中,我们可以看到我为安培表设置了4个档位,为电压表设置了5个档位,但是我不可能配备这么多开关,我希望只能使用两个开关。最后,我选择使用一个名为C508440的旋转开关(图17)(https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20200407/C508442_06221D97AB66BB11D47530C9AEBA3201.pdf)。对于此开关,您可以旋转它来换档,这很方便。但是,KiCad 的原理图中没有此组件的符号 ,因此我需要自己绘制它(图 18)。另外,我需要为使用的线圈绘制一个符号(图19)。 通过这些准备工作,我们可以开始绘制原理图(图20)。
图17 图18 图19 图20
绘制原理图后,KiCad中有一 个名为“从原理图更新PCB”的功能,可以直接将原理图转换为PCB。但是,我们仍然需要为原理图中使用的每个元件设置封装,以便它可以显示在PCB中。对于电阻等元件,我们可以在 KiCad 中使用现成的封装 ,但我们仍然需要为旋转开关(图 21)、线圈(图 22)、SPDT 开关(图 24)和测试线(连接万用表和电路的地方)等元件绘制基底面(图 23)。 当我们为这些组件绘制封装时,我们必须遵循您购买的组件介绍中的说明,特别是确保您的引脚号和极点正确,否则您的PCB会有问题。 当我们完成绘图尺寸时,我们可以创建我们的PCB(图25)。 到目前为止,我们的PCB只演示了一些组件,我们需要组织它们并设置电线来连接它们(图26)。 图21 图22 图23 图24 图25 图26 当我们完成PCB设计并确保图形没有错误时,我们可以将图形发送给PCB生产商并等待它(图27)。 图27 下一步是在PCB上焊接元件(图28)。 我试图将线圈放入PCB中,但似乎孔彼此太近, 因此我必须对其进行打磨。 图28
这是最重要的部分。测量电流和电压都有一些误差。首先,电流的偏转比我的预期要大得多,而且如果我不将电流部分设置为初始档位,电压部分不会发生偏转。第二个问题很奇怪。对于第一个问题,它可能是由电阻大小的误差引起的(导线可能有电阻。线圈的电阻为1400Ω用于测量电压的电阻具有巨大的电阻,因此导线的电阻对它们几乎没有影响。但是用于测量电流的电阻很低,因此额外的电阻可能会大大增加到它们的幅度,从而导致更大的电流流过线圈)。 但是对于第二个问题,只有电流部分可以影响电压部分,电压部分不会影响电流部分。为了找出错误的根源,我必须回到我的原理电路(图20)。 图20 最后,是开关的问题。 如果 分析电路,可以发现,如果开关向上,串联电阻 (电压部分的电阻)是分开的,这是正确的。但是,如果开关向下,并联电阻(电流部分的电阻)仍然连接在电路中 ,因此这可能是第二个问题的原因。 众所周知,用于测量电流的电阻具有低电阻,因此如果它们并联连接,则大部分电流将流过它们而不是流过线圈。因此,如果电流部分未转向初始档位,则电压部分几乎没有偏转。 电压表和安培组合的第二版
因为这个万用表只用了一个线圈,所以这个万用表的主要结构是不能改变的,我们唯一可以交替的元件就是开关。我们应该使用一个开关,既可以连接电压部分和分离电流部分,也可以连接电流部分和分离电压部分。为了实现这一目标,我回到电子元件市场,找到一种称为双刀开关的新开关(图29)(file:///C:/Users/user/Downloads/C1122348_%E5%BC%80%E5%85%B3_2021-03-25%20(2).PDF)。)。 图29 对于这种开关,您会发现它里面有两个键,它们的作用将完全相同,这意味着它们要么都向上,要么都向下。有了它,我们可以绘制一个新的原理电路(图30)。 图30 对于本电路,如果开关向上,则连接电流部分和电压部分分离,如果开关向下,则连接电压部分,分离电流部分。
使用校正后的 原理 电路,我们可以绘制新的原理图(图31)。 图31 此原理图中的几乎所有内容都与上一个原理图相同,唯一的区别是开关,因此我们需要为其绘制一个新符号(图 32)。 图32 我在再次绘制符号时犯了一个错误,在测试部件中会看到问题。
在创建PCB之前,我们需要为开关设计一个新的基底面(图33)。有了原理图,我们就可以创建PCB(图34)。 图33 图34 接下来,我们需要组织它们并设置导线(图 35)。 图35 然后,我们将PCB图发送给PCB生产商并等待新的PCB图(图36)。 图36 然后,是时候将组件焊接到PCB中了(图37)。 图37
我们惊讶地发现,对于新板,测量的电流电压都不偏转。这很奇怪,唯一的原因是电路中有一些东西坏了。经过分析,是双刀开关符号的问题。 当我们绘制符号时,我们需要为元件设置引脚,以便元件可以连接到电路中,并且带有“输入”的一侧必须在元件外部,因为它是可以连接元件的地方。但是如果你检查我的符号(图32)。您可以发现输出侧位于元件内部,因此实际上开关没有连接到电路中,因此不会偏转。正确的符号应该如图 38 所示。
图32 图38 但是,我不想重新绘制新的PCB并再次等待它,因此有一种方法,即我们可以手动连接PCB(图39)。它看起来很丑陋,但它确实有效,连接两根电线后,PCB的所有功能都运行良好。 图39
由于内部电路是我自己设计的,所以偏转程度有点不同,我们需要根据该万用表的偏转程度绘制新的刻度盘(图40)。 图40 然后,此阶段的最后一步是为万用表生产外壳,使其看起来更美观(图41, 42, 66, 67, 68)。 图41 图42 图66 图67 图68
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