基于运算放大器的万用表设计.doc

1、摘 要万用电表简称万用表或三用表，主要用于测量电压、电流、电阻。在测量中，万用电表的接入应不影响被测电路原来的工作状态，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。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。运算放大器电路性能的优劣直接影响到万用表的性能。本文首先介绍了运算放大器电路的结构、原理，然后用运算放大器设计万用表电路。用设计出的万用表测试直流电压、电流，交流电压、电流，以及电阻，测量值与实际准确值相符很好，误差在可接受的范围内，也说明了用运算放大器设计的万用表电路的可行性。关键词：运算放大器；万用表 ；小信号放大MultimeterDesignBas

2、edonthe Operational AmplifierAbstract Multimeteralso namedthemultimeterorthreetables, mainly for the measurement ofvoltage,current, resistance.In the measurement,themultimeter,accessshould notaffectthe originalstatusofthecircuit under test, which requiresavoltmetershould haveinfinite inputresistance

3、,the internal resistanceoftheammetershould be zero.Operational amplifiers,theohmmetercan not onlybealinearscale, but alsoto achievetheautomatic zero adjustment.Theoperational amplifiercircuit performance willdirectly affecttheperformanceofthemultimeter.This paper firstdescribesthestructure, theoryof

4、operational amplifiercircuit.Then designed multimeter circuitusing operational amplifier.Usingamultimetertestthe DC voltage, current, AC voltage,current,and resistance,themeasured values agree well withactualand accuratevalues , the erroris intheacceptable range, and showsthefeasibility ofthemultime

5、tercircuitusing operational amplifier.Keywords:Operational Amplifier;Multimeter;Small signal amplification 1目 录第一章 绪论11.1 设计背景11.2目地与意义11.3本论文主要工作1第二章 万用表的工作原理22.1 万用表的结构22.2 万用表的几个重要参数22.3 万用表特性说明32.4万用表的基本原理32.4.1直流电压原理42.4.2直流电流原理52.4.3交流电压原理62.4.4交流电流原理72.4.5电阻原理8第三章 运算放大器的基本原理93.1 运算放大器的工作原理93.

6、2运算放大器调零电路原理11第四章 万用表的设计及其仿真电路图124.1总电路图124.2 直流电流表的设计134.2.1直流电流的测量结果及其电路图144.3 交流电流表的设计154.3.1 交流电流的测量结果及其电路图154.4直流电压表的设计164.4.1 直流电压的测量结果及其电路图174.5交流电压表的设计184.5.1交流电压的测量结果及其电路图194.6欧姆表的设计204.6.1欧姆表调试记录21第五章 结束语23参考文献24基于运算放大器的万用表设计 绪论 第一章 绪 论1.1 设计背景万用电表简称万用表。它是一种多量程和多电量的测量仪表，一般情况以测量电流、电压和电阻为主要目

7、标，所以习惯叫三用表。此外又派生了电容、电感、功率、电平、晶体管静态电流放大系数等测量项目。主要用于测量电压、电流、电阻。本文首先介绍了运算放大器电路的结构、原理，然后用运算放大器设计万用表电路。用设计出的万用表测试直流电压、电流，交流电压、电流，以及电阻，测量值如实际准确值相符很好，误差在可接受的范围内，也说明了用运算放大器设计的万用表电路的可行。1.2目地与意义万用电表的接入应不影响被测电路原来的工作状态，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，此外，交流电表中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

8、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。基于运算放大器的万用表设计能够有效的减少误差，使之能够应用与更广泛的空。 1.3本论文主要工作 本论文是基于运算放大器的万用表设计。运算放大器电路性能的优劣直接影响到万用表的性能。本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构、原理的基础上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路。第一章绪论主要是介绍选题背景，第二章介绍万用表的工作原理，第三章介绍运算放大器的基本原理，第四章电路仿真.测试及分析，这部分为本论文的重点章节，详细介绍勒各种万用表各种功能的设计与实现，第五章为

9、结束语。 基于运算放大器的万用表设计 万用表的工作原理2第二章 万用表的工作原理2.1 万用表的结构万用表的结构组成主要分为三个部分。1指示部分（表头） 指示部分由磁电系直流微安表组成，表头刻度盘有多种量程刻度。表头是万用表的关键部分，许多的重要性能（如灵敏度、准确度等级等）都取决于表头的参数。其主要作用是通过表头刻度及指针指示出被测电量的大小。500型万用表的表头满偏电流为40uA，表头内阻为2.5。2测量电路测量电路由分压电阻、分流电阻、整流装置等组成。其主要作用是将被测电量转换成适合表头指示用的电量。3转换装置由转换开关、旋钮、插孔等组成。其主要作用是把万用表的电路转换为所选的测量种类和

10、合适的量程，来接通不同的测量线。2.2 万用表的几个重要参数1. 准确度 万用表示值与被测量真值的一致程度称为万用表的准确度。它反映了测量结果的基本误差大小。同一块万用表，不同功能档的准确度也不尽相同。2. 表头灵敏度万用表所用表头的满量程值称为表头灵敏度，一般为9.2-200UA。值越小，灵敏度越高，万用表性能也越好。3. 表头内阻 表头内线圈及上下两层盘丝的直流电阻之和称为表头内阻。万用表表头内阻多在几百到几千欧之间。一般来说，灵敏度越高，内阻越大。但灵敏度相同的表头，内阻不尽相同。这是因为，在制造相同表头时，所选用的线圈和盘丝的阻值很难做到完全一致。4. 直流电压灵敏度 直流电压档的内阻

11、R与该档满量程电压U的比值称为直流电压灵敏度，电压灵敏度的单位是兆/V或千兆/V，简称每伏欧姆数。电压灵敏度越高，万用表性能越好。5. 直流电流档的内阻 电流表内阻的大小决定于表头内阻及分流电阻的大小。对同一块万用表而言，不同档级的电流表，其分流电阻不同，所以内阻也不同。电流表的额内阻越小，质量越小。测电流时，将电流表串联在被测电路中，对被测电路会造成两方面的影响：一是它的阻流作用会改变原电路的工作状态；二是增加了被测电路的功耗。为了减少这两方面的影响，内阻越小越好。6. 欧姆档的中值电阻 欧姆档的内阻称为该档的中值电阻。已知中值电阻的大小确定该档的测量范围，若中值电阻为，则该档的测量范围是1

12、/4-4之间。7. 交流电压灵敏度交流电压档内阻与该档量程之比称为交流电压灵敏度32.3 万用表特性说明(1)高准确度和高分辨力；(2)电压表具有高的输入阻抗；(3)测量速率快；(4)自动判别极性；(5)全部测量实现数字直读；(6)自动调零；(7)抗过载能力强。当然，数字万用表也有一些弱点，如：(1)测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不够方便。(2)数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的，触点容量小，耐压不很高，有的机械强度不够高，寿命不够长，导致用旧以后换档不可靠。(3)一般万用表的V/档公用一个表笔插孔，而A档单独用一个插孔。使用时应注意根

13、据被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。2.4万用表的基本原理万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。下面分别介绍。2.4.1直流电压原理图2.1为同相端输入，高进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，将表头至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，只要改变一个电阻，就可以进行量程的切换。4图2.1 直流电压表表头电流I与被测电压的关系为。 图2.1适用于测量电路与运算放大器共

14、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。2.4.2直流电流原理图2.2是浮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像常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。 图2.2直流电流表表头电流I与被测电流间关系为：5 可见，改变电阻比（/）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。2.4.3交流电压原理由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图2.3所示。被测交流电压加到运算放大器的

15、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，故把二极管桥路和表头至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。8图2.3交流电压表表头电流I与被测电压的关系为：基于运算放大器的万用表设计 2.4.4交流电流原理如图2.4为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值决定，即8如果被测电流I为正弦电流，即则上式可写为则表头可按有效值来刻度。图2.4交流电流表 电流I全部流过桥路，其值仅与/有关，与桥路和表头参数无关。表头中电流与被测电压的全波整流平均值成正比，若为正弦波，则表头可按有效值来刻度。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。

16、82.4.5电阻原理图2.5是多量程的欧姆表 图2.5 欧姆表8基于运算放大器的万用表设计 万用表的工作原理 在此电路中，运算放大器改用单电源供电，北侧电阻Rx跨在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压UREF。流经表头的电流由上两式消去可得 。可见，电流I于被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当是电路改成电压跟随器，,故表头电流为零，从而实现了自动调零。二极管D起保护作用，如果没有D，当超量程时，特别是当，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，可实现满量程调节。9基于运算放大器的万用表设

17、计 运算放大器的基本原理 第三章 运算放大器的基本原理3.1 运算放大器的工作原理运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图3.1所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端，另一只标有“-”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。图3.1 运算放大器的电路符号 运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图3.2所示。运算放大器有一些非常有意思的特性，灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途，总的来说，这些特

18、性可以综合为两条：1、运算放大器的放大倍数为无穷大。2、运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零。图3.2 运算放大器可接的两种电源 首先，运算放大器的放大倍数为无穷大，所以只要它的输入端的输入电压不为零，输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制。准确地说，如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压；反之，如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高，运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压，如果运算放大器用的是单电源，则输出电压为零。其次，由于

19、放大倍数为无穷大，所以不能将运算放大器直接用来做放大器用，必须要将输出的信号反馈到反相输入端称为负反馈来降低它的放大倍数。如图3.3中左图所示，的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端，由于反相输入端与输出的电压是相反的，所以会减小电路的放大倍数，是一个负反馈电路，电阻也叫做负反馈电阻。 图3.3 运算放大器的反馈电阻接法（左：反相接法；右：同相接法） 还有，由于运算放大器的输入电阻为无穷大，所以运算放大器的输入端是没有电流输入的它只接受电压。同样，如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻，那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的，没有电流，根据欧姆定

20、律，电阻两端就不会有电压，所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的电压在这种情况就有点像用导线将两个输入端短路，所以我们又将这种现象叫做“虚短”。103.2运算放大器调零电路原理由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。调零技术是使用运放时必11须掌握的。特别是在作直流放大器用时，由于输入失调电压和失调电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运算放大器的精度，严重时使运算放大器不能正常工作。调零的原理是，在运放的输

21、入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可，例如本论文设计所用到的HA17741。下面以HA17741为例，图3.4给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12V电源、50k的电阻和调零电位器Rp组成。调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为。本实验采用的集成运算放大器为HA17741。图3.4调零电路11基于运算放大器的万用表设计 万用表的设计及其仿真电路图 12第四章 万用表的设计及其仿真电路图4.1总电路图 如图4.1，为设计的总电路图。12图4.1 总电路图电路

22、说明：黑框以外部位是万用表的内部结构，黑框以内是四种可能的待测元件。四种功能的切换是以开关S1、S3、S4、S6的控制完成的，其中在图示初始状态下，开关S1赋予控制键A ，其余三个的控制键是B，这就能有四种组合方式，从而达到四种电表的测量功能。13基于运算放大器的万用表设计 万用表的设计及其仿真电路图 13表4.1 开关控制电表类型AB电表类型10直流电流01交流电压11直流电压00交流电流其中1表示对应键在初始态按下，0表示初态。黑框中以类似的方式快速切换，便于仿真的进行。4.2 直流电流表的设计1. 直流电流表电路图4.2为直流电流表电路图。由于运算放大器的净输入电流为零，所以流过电流表的

23、电流就是被测电流，即流过电流表的电流与其内阻无关。由运算放大器构成的电流表使其内阻会大大降低。图4.2 直流电流表2. 确定电阻值当被测电流达到直流电流表量程时，表头指针达到满刻度偏转。由，得改变，可改变直流电流表量程。测量电流是根据欧姆定律，用合适的取样电阻把待测电流转化为相应的待测电压，再进行测量。144.2.1直流电流的测量结果及其仿真电路图1.设计方案： 当开关A=1, B=0,此时可以实现直流电流表的功能。2.测量数据：表4.2直流电流表的测量数据测量电流绝对误差相对误差输入电流4mA3.9992mA0.0008mA0.020%6mA5.9992mA0.0008mA0.013%8mA

24、7.9992mA0.0008mA0.010%电阻R130V/60mA=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA由上表数据可以看出，输入电流为4mA时，测量出来的电流为3.9992mA，绝对误差为0.0008mA。可以看出设计的直流电流表符合要求。图4.3直流电流表的测试图14154.3 交流电流表的设计1. 交流电流表电路图4.4为交流电流表电路图。表头经整流电路接入运算放大器的反馈回路，所以流经表头的电流为全波整流电流，它与表头电阻和二极管的非线性无关。图4.4交流电压表2. 确定电阻值当被测电流达到交流电流表量程时，表头指针达到满刻度偏转。由，得改变，可改变交流电流表量程。4.3.1

25、 交流电流的测量结果及其电路图1.设计方案： 当开关A=0, B=0,此时可以实现交流电流表的功能。2.测量数据：17表4.3交流电流表的测量数据测量电流绝对误差相对误差输入电流44.235mA0.235mA5.875%66.357mA0.357mA5.950%88.475mA0.475mA5.935%电阻R130V/60mA=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA由上表数据可以看出，当输入电流为t时，测量电流为4.235mA，在允许的绝对误差范围之内，则设计的交流电流表符合要求。16图4.5交流电流表的测试图4.4直流电压表的设计1. 直流电压表电路图4.6为直流电压表电路图。为了减

26、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。17图4.6 直流电压表2. 确定电阻值当被测电压达到直流电压表量程时，表头指针达到满刻度偏转。由，得改变，可改变直流电压表量程。4.4.1 直流电压的测量结果及其电路图1.设计方案： 当开关A=1, B=1,此时可以实现直流电压表的功能。2.测量数据：表4.4直流电压表测量数据测量电压绝对误差相对误差输入电压6V6.0025V0.0025V0.042%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%电阻R130V/60mA=0.5K电表选用量程0 60 mA

27、由上表数据可以看出，当输入电压为6V时，测量出来的电压为6.0025V，绝对误差为0.0025V，在接受的范围之内，可以看出设计的直流电压表符合要求。20图4.7直流电压表的测试图4.5交流电压表的设计1. 交流电压表电路图4.8为交流电压表电路图。该电路引入了电压串联负反馈，故具有很高的输入阻抗。由于流过表头电流为 与桥路和表头电阻无关，故可克服二极管的非线性影响。 图4.8交流电压表182. 确定电阻值当被测电压达到交流电压表量程时，表头指针达到满刻度偏转。由，得改变，可改变交流电压表量程。4.5.1交流电压的测量结果及其电路图1.设计方案： 当开关A=0, B=1,此时可以实现交流电压表

28、的功能。2.测量数据：表4.5交流电压表的测量数据测量电压绝对误差相对误差输入电压65.040V0.599V9.98%87.2015V0.7985V9.98%109.0020V0.9980V9.98%电阻R130V/60mA=0.5K电表选用量程0 60 mA由上表数据可以看出，输入电压为t，测量电压为5.040V，绝对误差为0.599V，可以看出设计的交流电压表符合要求。22图4.9交流电压表的测试图4.6欧姆表的设计1. 欧姆表电路图4.10为欧姆表电路图。普通万用表欧姆档是反向刻度的，且刻度不均匀，测量准确度较低，而采用运算放大器构成的欧姆表可克服上述缺点。为欧姆表所接直流电压。1921

29、图4.10 欧姆表2. 确定电阻值当被测电阻达欧姆表量程时，表头指针达到满刻度偏转。由，得经整理得4.6.1欧姆表调试记录1.设计方案根据原理设计出电路图如图4.11所示，其中选择2.9K欧姆，选择3.3K欧姆。在该电路中，运算放大器该用单电源供电，被测电阻跨接在运算放大器的反馈电路中，同相端加基准电压，由负反馈的虚短和虚断可知，其中表头电流为 ，由以上三个式子可得出 。由此可知表头电流I与被测电阻成正比，改变R的值可改变电表的量程。其中二极管起到保护电表的作用，当 超量程特别是时，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载，有了二极管D可使输出钳位，防止表头过载。图4.11欧姆表的测试图

30、2.测量数据22表4.6欧姆表的测量数据测量电阻绝对误差相对误差输入电阻600601.81.80.31%9K9.02K0.02K0.22%80K80.35K0.35K0.44%电阻R11KR22.9K电表选用量程0 1mA（忽略了Rm的影响）由上表数据可以看出，当被测量的电阻为600时，测量出来的电阻为601.8，可以看出绝对误差仅为1.8，可以得出设计的欧姆表符合要求。24基于运算放大器的万用表设计 参考文献 223第五章 结 束 语本论文是基于运算放大器设计的万用表，用普通万用表测量交流时，会出现误差比较大的现象，万用表测交流电压是先将交流电分压，然后整流成直流，测量直流换算为交流有效值。

31、整流元件用的是2cp或1n4148，他们在0-0.7V之间是非线性的，也就是输入的交流和整流的直流数值上不成比例，因此测量结果是误差较大。而添加了运算放大器的万用表，会用运算放大器整流测出来的误差就会比较小。在前面的表中也可以看出来。本论文毕业设计即将成功结束。本论文在设计过程中遇到勒不小的困难，在老师的帮助下，我克服了重重障碍。在这段日子里，我学到勒很多东西，并且重新巩固了原来的知识，复习了模拟电路，电路分析等课程，为今后的工作和再学习指明了方向。在此向毕业设计期间帮助过我的老师和同学们致以诚挚的谢意，感谢你们在毕业设计期间所给予的经验和智慧，时我获益匪浅，能顺利完成毕业设计。 参考文献1

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