指针万用表的性能与精度之表头和电阻的选用与发展变迁

rainysky

   万用表电路中的小电阻大学问（绕制电阻、大红袍、绿袍、色环电阻的使用和变迁）
   万用表电路中，使用电阻的精度和稳定度直接关系到万用表的性能，指针表和数字表都是如此。电阻的精度不单指电阻本身与标称值的误差，而是包括一系列通电老化、高低温环境变化后，电阻阻值的变化稳定程度，电阻的阻值会随温度变化而出现细小的变化，这种变化在普通应用级电子电路中可以忽略不计，但在高精度的计量级应用中不可忽视。
   目前，市场上普通廉价色环电阻的精度在5%-1%的水平，而在中档万用表里需要使用电阻精度普通在0.5%以下，高端产品还会用到0.01%的电阻，即使是现代电阻制造工艺非常成熟的年代，不同精度的电阻价格相差依然很大，现在5%精度的1/4色环电阻约0.01元，1%精度的电阻0.03元，顶级的0.01%国产电阻价格会超过20元。高精度、低温漂的电阻要使用特殊的材料和工艺，所以成本自然较高。
  在早期万用表的时代，碳膜电阻制作工艺不成熟，批量成品电阻自身公差就很厉害，很多产品标称精度20%，因此很难找到合适万用表使用的有一定精度的碳膜电阻，所以在那时，万用表中大量使用手工性很强的高精度线绕电阻。这些电阻几乎都是定制的，手工制作电阻的误差可以做得很小，而且很容易制作特殊阻值的电阻，同时由于使用合金电阻丝绕制，所以温飘特性要比普通碳膜电阻好得多。这种绕制高精度电阻的很多精度指标在0.5%水平。在一些早期出品的万用表中，我们可以看到大量的这种裸露电阻丝的绕制电阻。后来，随着碳膜电阻制造工艺的提高和金属膜电阻技术的应用，高成本的高精度绕制电阻应用逐渐减少。
  在20世纪50至60年代出品的早期国产万用表中，会较多地看到电阻丝绕制的高精度绕制电阻。20世纪70年代的产品中，绕制电阻逐渐被一些电子爱好者称之为“大红袍”、“绿袍”的批量、厂产、大体积的高精度金属膜电阻所替代。由于当时有些“大红袍”性能还不稳定，因此表头关键位置的电阻也还有使用环氧密封的绕指电阻的情况。在20世纪80年代后期，万用表中大部分电阻都改成了体积小巧的色环电阻，这时的金属膜色环电阻已经可以提供1%和0.5%精度的批量产品，一般精度的万用表已经完全没必要使用高成本的高精度绕制电阻了。到了后期，高精度绕制电阻存在的原因主要是因为万用表线路中需要一些特殊阻值的电阻。
   从技术上来看，大量廉价的色环电阻替代原来高价的绕制电阻并不是产品“缩水”，而是新技术替代老技术。一些万用表发烧友和怀旧的朋友，依然推崇早期大量使用绕指电阻出品的万用表，主要是看中了一个时代的制造工艺和历史，已非技术性能方面的因素。使用绕制电阻和大红袍电阻，使线路板看上去满满当当，更显示出一个特定时代电子产品的韵味。
   
   万用表的核心——高灵敏度磁电式直流表头
   早期，一块中档万用表被视为很高级的仪器，其价值基本与现在我们仰慕的进口200MHZ数字示波器相当，即使是一个高灵敏度表头也是价值不菲。当时很多业余无线电爱好者甚至会购买一些报废表头，经过整修后，DIY“土炮级”万用表。即使在20世纪70年代至80年代，一台国产中高档万用表的价格也是一般工人半年到一年的收入。就制作材料方面来说，当时磁钢的磁力不强，绕制高灵敏度表头线圈需要的高强度的0.0几毫米的超细漆包线十分匮乏，表头线圈往往需要超细漆包线绕上千圈，制作表头内游丝在手工时代完全是一项高技术活。一个好的磁电表头不但具有高灵敏度，更需要具有良好的线性度，指针具有适当的阻尼。
    电磁表头比较脆弱，过流和反接电源极性都容易损坏表头，很多源自误操作。所以在很多万用表中都采取了多种保护措施。针对电磁表头易过载损坏和反向输入电压损坏的问题，在表头后部并联正反向二极管，从而起到限幅作用，这样表头两端的电压就被限制在二极管导通电压之下。为了防止万用表输入过流烧毁元器件，在输入端串联保险丝，过流时能及时熔断，保护机件。为了防止误输入高电压，在电压输入电路中增加压敏电阻。另外，针对外磁表头易受到外界强磁场干扰的问题，通常在万用表后盖会设计安装一块金属屏蔽板。另外，指针万用表的读数误差客观存在，为了减小读数误差，人们也想了很多不少办法。首先人们采用大表盘，大表面上刻度的弧线可以更长，方便制作精密刻度，同时也更方便定位指针在刻度线上的位置。其次，为了尽量消除视差，一些万用表在表盘上设置了反光镜。
    在指针万用表时代的后期，半导体技术飞速发展，人们通过附加有源电子放大线路来提高万用表的测量灵敏度和电压输入阻抗，几乎可以达到数字万用表的水平。但这样的指针万用表在测量电压时需要使用额外的电池供电，而且运放电路增加了故障的几率。后来，因为数字万用表发展太快，这类有源万用表并未普及。另外，高灵敏度表头有利于万用表提供对高阻值电阻的测量，尤其是对一些兆欧级的电阻的测量。由于万用表电阻档使用通用电池作为电压源，通常电压只有15V或9V，电压不可能太高，要测量高阻值就只能依靠表头灵敏度！
    不同型号的万用表，由于使用磁电式表头的灵敏度不同，所以电压测量档实际输入阻抗会不同。我们在看一些老图纸时，有的图纸上会标明图纸标示电压值为500型万用表所测得，其言下之意就是，其他不同型号的万用表，由于电压测量输入阻抗不同，可能出现测量结果相对偏差的情况。当然现代数字万用表由于结构和器件的改变，电压档输入阻抗已普遍大为提高，对原电路影响非常小，所以现代图纸不会再出现使用哪种型号万用表测量所得数据的标注。



  谢谢你的观赏回复和点评！互相探讨，与时俱进，谢谢！（作者匆忙间发了两个帖子的合贴，望坛友和版主见谅，多多指教，谢谢！ ）

rainysky

      万用表电路中的小电阻大学问（绕制电阻、大红袍、绿袍、色环电阻的使用和变迁）
   万用表电路中，使用电阻的精度和稳定度直接关系到万用表的性能，指针表和数字表都是如此。电阻的精度不单指电阻本身与标称值的误差，而是包括一系列通电老化、高低温环境变化后，电阻阻值的变化稳定程度，电阻的阻值会随温度变化而出现细小的变化，这种变化在普通应用级电子电路中可以忽略不计，但在高精度的计量级应用中不可忽视。
   目前，市场上普通廉价色环电阻的精度在5%-1%的水平，而在中档万用表里需要使用电阻精度普通在0.5%以下，高端产品还会用到0.01%的电阻，即使是现代电阻制造工艺非常成熟的年代，不同精度的电阻价格相差依然很大，现在5%精度的1/4色环电阻约0.01元，1%精度的电阻0.03元，顶级的0.01%国产电阻价格会超过20元。高精度、低温漂的电阻要使用特殊的材料和工艺，所以成本自然较高。
  在早期万用表的时代，碳膜电阻制作工艺不成熟，批量成品电阻自身公差就很厉害，很多产品标称精度20%，因此很难找到合适万用表使用的有一定精度的碳膜电阻，所以在那时，万用表中大量使用手工性很强的高精度线绕电阻。这些电阻几乎都是定制的，手工制作电阻的误差可以做得很小，而且很容易制作特殊阻值的电阻，同时由于使用合金电阻丝绕制，所以温飘特性要比普通碳膜电阻好得多。这种绕制高精度电阻的很多精度指标在0.5%水平。在一些早期出品的万用表中，我们可以看到大量的这种裸露电阻丝的绕制电阻。后来，随着碳膜电阻制造工艺的提高和金属膜电阻技术的应用，高成本的高精度绕制电阻应用逐渐减少。
  在20世纪50至60年代出品的早期国产万用表中，会较多地看到电阻丝绕制的高精度绕制电阻。20世纪70年代的产品中，绕制电阻逐渐被一些电子爱好者称之为“大红袍”、“绿袍”的批量、厂产、大体积的高精度金属膜电阻所替代。由于当时有些“大红袍”性能还不稳定，因此表头关键位置的电阻也还有使用环氧密封的绕指电阻的情况。在20世纪80年代后期，万用表中大部分电阻都改成了体积小巧的色环电阻，这时的金属膜色环电阻已经可以提供1%和0.5%精度的批量产品，一般精度的万用表已经完全没必要使用高成本的高精度绕制电阻了。到了后期，高精度绕制电阻存在的原因主要是因为万用表线路中需要一些特殊阻值的电阻。
   从技术上来看，大量廉价的色环电阻替代原来高价的绕制电阻并不是产品“缩水”，而是新技术替代老技术。一些万用表发烧友和怀旧的朋友，依然推崇早期大量使用绕指电阻出品的万用表，主要是看中了一个时代的制造工艺和历史，已非技术性能方面的因素。使用绕制电阻和大红袍电阻，使线路板看上去满满当当，更显示出一个特定时代电子产品的韵味。
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卫星123

谢大师科普知识，论坛有你更精彩

ww5063128

小电阻大学问，相信军工航天上应用的电阻一定不是几分钱可以制造的电阻！

3106185359

洗耳恭听，讲得好。

ttfx

不管那个年代都应当精密，误差小，功率大。品质高。

wp7208335

节能是时代发展的必然结果。那就是先进。

rainysky

卫星123 发表于 2016-8-8 14:34
谢大师科普知识，论坛有你更精彩

谢谢你的支持与回复！资源共享，互相促进，共同进步与提高！谢谢！

wzn1630

是的，但是必须是5环的电阻才行，不然温度特没有办法保。什么脑啊？“特xing "，”保zheng"是不良信息？

rainysky

ww5063128 发表于 2016-8-8 14:37
小电阻大学问，相信军工航天上应用的电阻一定不是几分钱可以制造的电阻！

谢谢大虾的鼓励支持！ 军工航天用电阻的价格的确很高，相关的技术要求也不是民用电阻可比！我也没有机会涉猎过，发个网上的图片大家一起看看，互相促进！