综合设计 使用运算放大器组成万用电表的设计与调试

综合设计使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6V2.直流电流表 满量程10mA3.交流电压表 满量程6V，50Hz1KHz4.交流电流表 满量程10mA5.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，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路原理图。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 IUi应当指出：图27-1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 I(1)I1可见，改变电阻比(R1/R2)，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 IUi/R1电流I全部流过桥路，其值仅与Ui/R1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。表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比，若ui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。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的全波整流平均值图4 交流电流表I1AV决定，即 I(1)I1AV如果被测电流i是正弦电流，即 i1=I1sint，则上式可写为 I0.9(1)I1则表头可按有效值来刻度。5.欧姆表图27-5为多量程的欧姆表。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路中，同相端加基准电压UREF。UPUNUREF I1Ix 即 Rx= (UO-UREF)图27-5 欧姆表 流经表头的电流I为 I 由上两式消去(UOUREF) 可得I可见，电流I与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变R1值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当Rx0时，电路变成电压跟随器，UOUREF，故表头电流为零，从而实现了自动调零。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 1.万用电表的电路是多种多样的，建议用参考电路设计一只较完整的万用电表。2.万用电表作电压、电流或欧姆测量时和进行量程切换时应用开关切换，但实验时可用引接线切换。五、实验元、器件选择 1.表头 灵敏度为1mA，内阻为1002.运算放大器 A7413.电阻器 均采用1/4W的金属膜电阻器4.二极管 IN40075.稳压管 2CW51六、注意事项 1.在连接电源时，正、负电源连接点上均接大容量的滤波电容器和0.01F0.1F的小容器，以消除通过电源产生的干扰。2.万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4位万用电表作为标准表。七、报告要求 1.画出完整的万用电表的设计电路原理图。2.将万用电表与标准表作测试比较，计算万用电表各功能档的相对误差，分析误差原因。3.电路改进建议。 - 5 -