模擬課程設計---萬用表的設計與調試

1、<p><b>　　萬用表的設計與調試</b></p><p><b>　　實驗目的</b></p><p>　　1、了解萬用表的基本工作原理及其相關組成部分；</p><p>　　2、掌握用運算放大器組成萬用表的設計方法；</p><p>　　3、掌握萬用表的主要技術指標和調試方法。&l

2、t;/p><p><b>　　知識點和涉及內容</b></p><p>　　本課程設計的知識點主要是用運算放大器構成各種簡單儀表的原理，主要內容則是直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流及電阻的測量測試方法。</p><p><b>　　技術指標 </b></p><p>　　萬用表的測量精確度：2.

3、5級</p><p><b>　　電源電壓：12V</b></p><p>　　1.直流電壓表 量程：6V</p><p>　　2.直流電流表 量程：5mA</p><p>　　3.交流電壓表 量程：6V，50Hz～1KHz</p><p>　　4.交流電流表 量程：5mA

4、</p><p>　　5.歐姆表 量程分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ</p><p>　　萬用表工作原理及參考電路</p><p>　　運算放大器調零電路原理</p><p>　　由于集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度,要求對失調電壓

5、和失調電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調零?！罢{零”技術是使用運放時必須掌握的。特別是在作直流放大器用時，由于輸入失調電壓和失調電流的影響，當運放的輸入為零時，輸出不為零，將影響運算放大器的精度，嚴重時使運算放大器不能正常工作。調零的原理是，在運放的輸入端外加一個補償電壓，以抵消運放本身的失調電壓，達到調零的目的。有些運放已經引出調零端，只需要按照器件的規(guī)定，接入調零電路進行調零即可，例如本實驗所用到的HA17741。下面以?

6、A17741為例，圖1給出了常用外部調零電路。它的調零電路由-12V電源、50kΩ的電阻和調零電位器Rp組成。調零時應將電路接成閉環(huán)，將兩個輸入端接“地”，調節(jié)調零電位器，使輸出電壓為零。</p><p>　　本實驗采用的集成運算放大器為HA17741。</p><p><b>　　圖1 調零電路</b></p><p>　　2.工作原理及參考

7、電路</p><p>　　在測量中，電壓表或者電流表的接入應不影響被測電路的原工作狀態(tài)，這就要求電壓表應具有無窮大的輸入電阻，電流表的內阻應為零。但實際上，萬用表表頭的可動線圈總有一定的電阻，例如100μA的表頭，其內阻約為1KΩ，用它進行測量時將影響到被測量，從而引起誤差。此外，交流表中的整流二極管的壓降和非線性特性也會產生誤差。如果在萬用表中使用運算放大器，就能大大降低這些誤差，提高測量精度。在歐姆表中采用運

8、算放大器，不僅能得到線性刻度，還能實現自動調零。</p><p><b>　　1） 直流電壓表</b></p><p>　　圖2為同相端輸入，高精度直流電壓表電原理圖。</p><p><b>　　圖2 直流電壓表</b></p><p>　　表頭電流I與被測電壓Ui的關系為: </p&g

9、t;<p>　　應當指出：圖1適用于測量電路與運算放大器共地的有關電路。此外，當被測電壓較高時，在運放的輸入端應設置衰減器。</p><p><b>　　2） 直流電流表</b></p><p>　　圖3是浮地直流電流表的電原理圖。在電流測量中，浮地電流的測量是普遍存在的，例如：若被測電流無接地點，就屬于這種情況。為此，應把運算放大器的電源也對地浮動，按

10、此種方式構成的電流表就可象常規(guī)電流表那樣，串聯(lián)在任何電流通路中測量電流。</p><p>　　表頭電流I與被測電流I1間關系為: －I1R1＝（I1－I）R2 </p><p>　　可見，改變電阻比（R1／R2），可調節(jié)流過電流表的電流，以提高靈敏度。如果被測電流較大時，應給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。</p><p><b>　　圖3 直流電流

11、表</b></p><p><b>　　3） 交流電壓表</b></p><p>　　由運算放大器、 二極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖4所示。被測交流電壓Ui加到運算放大器的同相端，故有很高的輸入阻抗，又因為負反饋能減小反饋回路中的非線性影響，故把二極管橋路和表頭置于運算放大器的反饋回路中，以減小二極管本身非線性的影響。</p>

12、<p><b>　　圖4 交流電壓表</b></p><p>　　表頭電流I與被測電壓Ui的關系為</p><p>　　電流I全部流過橋路，其值僅與Ui／R1有關， 與橋路和表頭參數（如二極管的死區(qū)等非線性參數）無關。表頭中電流與被測電壓ui的全波整流平均值成正比，若ui為正弦波，則表頭可按有效值來刻度。被測電壓的上限頻率決定于運算放大器的頻帶和上升速率。

13、</p><p><b>　　4）、 交流電流表</b></p><p><b>　　圖5 交流電流表</b></p><p>　　圖5為浮地交流電流表，表頭讀數由被測交流電流i的全波整流平均值I1AV決定，即</p><p>　　如果被測電流I1為正弦電流，即I＝I1sinωt，則上式可寫為&l

14、t;/p><p>　　則表頭可按有效值來刻度。</p><p><b>　　5）、 歐姆表</b></p><p>　　圖6為多量程的歐姆表。</p><p><b>　　圖6 歐姆表</b></p><p>　　在此電路中，運算放大器改用單電源供電，被測電阻RX跨接在運算放大

15、器的反饋回路中，同相端加基準電壓UREF。</p><p>　　∵ UP＝UN＝UREF</p><p><b>　　I1＝IX</b></p><p><b>　　即 </b></p><p><b>　　流經表頭的電流</b></p><p>

16、　　由上兩式消去(UO－UREF) 可得 </p><p>　　可見，電流I與被測電阻成正比，而且表頭具有線性刻度，改變R1值，可改變歐姆表的量程。這種歐姆表能自動調零，當RX＝0時，電路變成電壓跟隨器，UO＝UREF，故表頭電流為零，從而實現了自動調零。</p><p>　　二極管D起保護電表的作用，如果沒有D，當RX超量程時，特別是當RX→∞，運算放大器的輸出電壓將接近電源電壓，

17、使表頭過載。有了D 就可使輸出鉗位，防止表頭過載。調整R2，可實現滿量程調節(jié)。</p><p><b>　　電路設計</b></p><p>　　1.萬用表的電路是多種多樣的，建議用參考電路設計一只較完整的萬用表。</p><p>　　2.萬用表作電壓、電流或歐姆測量時，和進行量程切換時應用開關切換，但實驗時可用跳線切換。</p>

18、<p>　　實驗元器件及所用設備</p><p>　　1、 表頭： 靈敏度為1mA 1 塊</p><p>　　2、 運算放大器： HA17741 1片</p><p>　　3、 電位器： 500Ω 1只，1KΩ2只，2KΩ1只，50KΩ 1只，</p><p><b>　　100KΩ 1只

19、</b></p><p>　　4、 電阻器： 1KΩ 2只，2.7KΩ 1只，10KΩ 2只，100KΩ 1只</p><p>　　均采用的金屬膜電阻器</p><p>　　5、 二極管： IN4007 4只，IN4148 1只</p><p>　　6、 穩(wěn)壓管： IN4728 1只</p>

20、<p>　　7、實驗所用設備：模擬實驗箱、信號發(fā)生器（SP1641B）、數字萬用表、面包板、鑷子、螺絲刀、保險絲（2.5A）</p><p><b>　　注意事項</b></p><p>　　1、在連接電源時，正、負電源連接點上各接大容量的濾波電容和0.01μF～0.1μF的小電容，以消除通過電源產生的干擾。</p><p>