用运算放大器组成万用电表的设计与调试.doc

1、模电课程设计 用运算放大器组成万用电表的设计与调试 一、实验目的: 1、 设计由运算放大器组成的万用电表 2、 组装与调试 二、设计要求: 1、 直流电压表 满量程 +6V 2、 直流电流表 满量程 10mA 3、 交流电压表 满量程 6V，50Hz1KHz 4、 交流电流表 满量程 10mA 5、 欧姆表 满量程分别为1K，10K，100K 三、万用电表工作原理及参考电路: 在测量中，电表的接入应不影响被测电路的原工作状态，这就要求电压表应具有无穷大的输入电阻，电流表的内阻应为零。但实际上，万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如100A的表头，其内阻约为1K，用它进行测量时将影响被测量，

2、引起误差。此外，交流电表中的整流二极管的压降和非线性特性也会产生误差。如果在万用电表中使用运算放大器，就能大大降低这些误差，提高测量精度。在欧姆表中采用运算放大器，不仅能得到线性刻度，还能实现自动调零。 1、直流电压表 图1为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。 为了减小表头参数对测量精度的影响，将表头置于运算放大器的反馈回路中，这时，流经表头的电流与表头的参数无关，只要改变R1一个电阻，就可进行量程的切换。图1 直流电压表 表头电流I与被测电压Ui的关系为 应当指出：图1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。 2、 直流电流表图2是浮

3、地直流电流表的电原理图。在电流测量中，浮地电流的测量是普遍存在的，例如：若被测电流无接地点，就属于这种情况。为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可象常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。图2 直流电流表表头电流I与被测电流I1间关系为 I1R1（I1I）R2 可见，改变电阻比（R1R2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。如果被测电流较大时，应给电流表表头并联分流电阻。 3、交流电压表 由运算放大器、 二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图3所示。被测交流电压ui加到运算放大器的同相端，故有很高的输入阻抗，又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响，故

4、把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。图3 交流电压表 表头电流I与被测电压ui的关系为 电流I全部流过桥路，其值仅与UiR1有关， 与桥路和表头参数（如二极管的死区等非线性参数）无关。被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。 4、 交流电流表 图4为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AV决定，即如果被测电流i为正弦电流，即 i1I1sint，则上式可写为 则表头可按有效值来刻度。图4 交流电流表 5、 欧姆表 图5为多量程的欧姆表。图5 欧姆表在此电路中，运算放大器改由单电源供电，被测电阻RX跨接在运算放大器的反馈回

5、路中，同相端加基准电压UREF。 UPUNUREF I1IX即 流经表头的电流 由上两式消去(UOUREF) 可得 /UREF =3.21实现了自动调零。二极管D起保护电表的作用，如果没有D，当RX超量程时，特别是当RX，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载。有了D 就可使输出钳位，防止表头过载。调整R2，可实现满量程调节。四、电路设计与仿真:1、 直流电压表：(1)仿真图：(2)原始数据：Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差1100100.1420.1421.5150149.880.122200200.2840.2842.5250250.0220.0223300300.2040

6、.2043.5350350.3860.3864400399.680.324.5450450.3060.3065500500.0440.0445.5550549.7820.2186600600.4090.409(3) 坐标分析:2、 直流电流表 满量程 10Ma(1) 仿真图：(2)原始数据：I1/mA理论值I/mA实际值I/mA偏差11.0521.052022.1042.1050.00133.1563.1570.00144.2084.210.00255.2605.2620.00266.3126.3160.00477.3647.3680.00488.4168.420.01499.4689.472

7、0.0041010.52010.4210.099(3) 坐标分析:3、 交流电压表 满量程 6V，50Hz1KHz(1) 仿真图：(2)原始数据：Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差13.33.310.011.554.980.0226.76.680.022.58.38.290.0131010.040.043.511.711.740.04413.313.350.054.515.015.110.11516.717.00.35.518.318.450.15620.020.160.16(3) 坐标分析:4、 交流电流表 满量程 10Ma(1) 仿真图:(2)原始数据：I1/mA理论值I/mA实际值

8、I/mA偏差11.21.20022.42.310.0933.63.40.244.84.750.0556.05.930.0767.25.082.1278.48.340.0689.69.450.15910.810.780.021012.011.890.11(3)坐标分析:5、 欧姆表 满量程分别为1K，10K，100K(1) 仿真图:(2) 原始数据：R1=1k时Rx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差00000.1107107.4750.4750.2214214.9410.9410.3321321.9680.9680.4428428.9740.9740.5535536.9081.9080.774

9、9752.2893.2890.8856860.2084.2080.9963967.6754.675R1=10KRx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差00001107107.4720.4722214214.9390.9393321321.9650.9654428428.9770.9775535537.2232.2237749752.2873.2878856860.2014.2019963968.1145.114R1=100KRx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差000010107107.4720.47220214215.3831.38330321322.8531.85340428428.98

10、10.98150535538.2363.23670749754.0365.03680856861.9775.99790963969.8916.891(3) 坐标分析: 五、面膜板实验操作数记录：1、 直流电压表 满量程 +6V 数据：Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差1100100.9420.9421.5150151.081.082200201.8841.8842.5250252.0222.0223300302.6042.6043.5350353.1863.1864400402.882.884.5450453.9063.9065500504.0444.0445.5550554.1824.

11、1826600605.2095.209 图表：2、 直流电流表 满量程 10mA 数据：I1/mA理论值I/mA实际值I/mA偏差11.0521.8520.822.1043.7051.60133.1565.5572.40144.2087.413.20255.2609.2624.00266.31211.1164.80477.36412.9685.60488.41614.826.40499.46816.6727.2041010.52018.4217.901 图表： 3、 交流电压表 满量程 6V，50Hz1KHz 数据：Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差13.34.110.811.556.1

12、81.1826.78.281.582.58.310.291.9931012.442.443.511.714.542.84413.316.553.254.515.018.713.71516.7214.35.518.322.854.55620.024.964.96 图表： 4、 交流电流表 满量程 10mA 数据：I1/mA理论值I/mA实际值I/mA偏差11.21.80.622.43.511.1133.65.21.644.87.152.3556.08.932.9367.28.681.4878.412.544.1489.614.254.65910.816.185.381012.017.895.89

13、 图表：5、 欧姆表 满量程分别为1K 数据：Rx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差00000.1107107.5550.5550.2214215.1011.1010.3321322.2081.2080.4428429.2941.2940.5535537.3082.3080.7749752.8493.8490.8856860.8484.8480.9963968.3955.395 图表： 六、课程总结 在此次设计中，我们掌握了运算设计放大电路的设计与制作，掌握了集成芯片A741的原理和作用以及晶体管极性的判断等。学会了检查电路的错误与线路是否导通，进一步熟练万用表的使用。接触了与自己相关专业的

14、硬件材料，深刻体会到书本知识运用到设计中的乐趣，也更让我明白团结合作的重要性。通过实践不仅仅巩固了学过的知识，也在实践中发现自己的不足，设身处地的去思考解决问题的方法。本次实验设计使用的是Multisim，掌握了其应用原理和方法。 画电路图时需要注意的问题，器件位置的布局连线，确定良好的链接，两条线交叉是否有节点等细节。连线时不能只看原理图，注意把原理图中的每一个元件的原理用途搞清楚，明确每个元件的各个引脚的相应对应，明白每个与按键之间的联系。注意元件本身特点：在连接电源时，正、负电源连接点上各接大容量的滤波电容器和0.01f0.1f的小电容器，以消除通过电源产生的干扰。 万用电表的电性能测试要用标准电压、电流表校正， 欧姆表用标准电阻校正。考虑实验要求不高，建议用数字式位万用电表作为标准表。由此，他们在一起的作用、能实现的功能我们就十分了解，连接电路调节数值，记录数据，随时总结，此外我们在实验中要耐心仔细，出现问题从原理入手，避免忙乱。 2015年1月5日 16