用运算放大器组成万用电表的设计.docx

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用运算放大器组成万用电表的设计

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，50Hz～1KHz

4、交流电流表满量程10mA

5、欧姆表满量程分别为1KΩ，10KΩ，100KΩ

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100μA的表头，其内阻约为1KΩ，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22－1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22－1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22－1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22－2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22－2直流电流表

表头电流I与被测电流I1间关系为

－I1R1＝（I1－I）R2

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22－3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22－3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22－4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

i1＝

I1sinωt，则上式可写为

则表头可按有效值来刻度。

图22－4交流电流表

5、欧姆表

图22－5为多量程的欧姆表。

图22－5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路中，同相端加基准电压UREF。

∵UP＝UN＝UREF

I1＝IX

即

流经表头的电流

由上两式消去（UO－UREF）

可得

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RX＝0时，电路变成电压跟随器，UO＝UREF，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100Ω

2、运算放大器μA741

3、电阻器均采用

的金属膜电阻器

4、二极管IN4007×4、IN4148

5、稳压管IN4728

六、注意事项

1、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

0.01μf～0.1μf的小电容器，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

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

4、收获与体会

附录Ⅰ　示波器原理及使用

　　一、　示波器的基本结构

　　示波器的种类很多，但它们都包含下列基本组成部分，如附图1－1所示。

附图1－1示波器的基本结构框图

1、主机

　　主机包括示波管及其所需的各种直流供电电路，在面板上的控制旋钮有：

辉度、聚焦、水平移位、垂直移位等。

　　2、垂直通道

垂直通道主要用来控制电子束按被测信号的幅值大小在垂直方向上的偏移。

它包括Y轴衰减器，Y轴放大器和配用的高频探头。

通常示波管的偏转灵敏度比较低，因此在一般情况下，被测信号往往需要通过Y轴放大器放大后加到垂直偏转板上，才能在屏幕上显示出一定幅度的波形。

Y轴放大器的作用提高了示波管Y轴偏转灵敏度。

为了保证Y轴放大不失真，加到Y轴放大器的信号不宜太大，但是实际的被测信号幅度往往在很大范围内变化，此Y轴放大器前还必须加一Y轴衰减器，以适应观察不同幅度的被测信号。

示波器面板上设有“Y轴衰减器”（通常称“Y轴灵敏度选择”开关）和“Y轴增益微调”旋钮，分别调节Y轴衰减器的衰减量和Y轴放大器的增益。

　　对Y轴放大器的要求是：

增益大，频响好，输入阻抗高。

　　为了避免杂散信号的干扰，被测信号一般都通过同轴电缆或带有探头的同轴电缆加到示波器Y轴输入端。

但必须注意，被测信号通过探头幅值将衰减（或不衰减），其衰减比为10∶1（或1∶1）。

　　3、水平通道

水平通道主要是控制电子束按时间值在水平方向上偏移。

主要由扫描发生器、水平放大器、触发电路组成。

3.1）扫描发生器

扫描发生器又叫锯齿波发生器，用来产生频率调节范围宽的锯齿波，作为

X轴偏转板的扫描电压。

锯齿波的频率（或周期）调节是由“扫描速率选择”开关和“扫速微调”旋钮控制的。

使用时，调节“扫速选择”开关和“扫速微调”旋钮，使其扫描周期为被测信号周期的整数倍，保证屏幕上显示稳定的波形。

3.2）水平放大器

其作用与垂直放大器一样，将扫描发生器产生的锯齿波放大到X轴偏转板

所需的数值。

3.3）触发电路

用于产生触发信号以实现触发扫描的电路。

为了扩展示波器应用范围，一

般示波器上都设有触发源控制开关，触发电平与极性控制旋钮和触发方式选择开关等。

二、示波器的二踪显示

1、二踪显示原理

示波器的二踪显示是依靠电子开关的控制作用来实现的。

电子开关由“显示方式”开关控制，共有五种工作状态，即Y1、Y2、Y1＋Y2、交替、断续。

当开关置于“交替”或“断续”位置时，荧光屏上便可同时显示两个波形。

当开关置于“交替”位置时，电子开关的转换频率受扫描系统控制，工作过程如附图1－2所示。

即电子开关首先接通Y2通道，进行第一次扫描，显示由Y2通道送入的被测信号的波形；然后电子开关接通Y1通道，进行第二次扫描，显示由Y1通道送入的被测信号的波形；接着再接通Y2通道……这样便轮流地对Y2和Y1两通道送入的信号进行扫描、显示，由于电子开关转换速度较快，每次扫描的回扫线在荧光屏上又不显示出来，借助于荧光屏的余辉作用和人眼的视觉暂留特性，使用者便能在荧光屏上同时观察到两个清晰的波形。

这种工作方式适宜于观察频率较高的输入信号场合。

当开关置于“断续”位置时，相当于将一次扫描分成许多个相等的时间间隔。

在第一次扫描的第一个时间间隔内显示Y2信号波形的某一段；在第二个时间时隔内显示Y1信号波形的某一段；以后各个时间间隔轮流地显示Y2、Y1两信号波形的其余段，经过若干次断续转换，使荧光屏上显示出两个由光点组成的完整波形如附图1－3（a）所示。

由于转换的频率很高，光点靠得很近，其间隙用肉眼几乎分辨不出，再利用消隐的方法使两通道间转换过程的过渡线不显示出来,见附图1－3（b），因而同样可达到同时清晰地显示两个波形的目的。

这种工作方式适合于输入信号频率较低时使用。

附图1-2交替方式显示波形附图1-3断续方式显示波形

2、触发扫描

在普通示波器中，X轴的扫描总是连续进行的，称为“连续扫描”。

为了能更好地观测各种脉冲波形，在脉冲示波器中，通常采用“触发扫描”。

采用这种扫描方式时，扫描发生器将工作在待触发状态。

它仅在外加触发信号作用下，时基信号才开始扫描，否则便不扫描。

这个外加触发信号通过触发选择开关分别取自“内触发”（Y轴的输入信号经由内触发放大器输出触发信号），也可取自“外触发”输入端的外接同步信号。

其基本原理是利用这些触发脉冲信号的上升沿或下降沿来触发扫描发生器，产生锯齿波扫描电压，然后经X轴放大后送X轴偏转板进行光点扫描。

适当地调节“扫描速率”开关和“电平”调节旋钮，能方便地在荧光屏上显示具有合适宽度的被测信号波形。

　　上面介绍了示波器的基本结构，下面将结合使用介绍电子技术实验中常用的CA8020型双踪示波器。

三、CA8020型双踪示波器

1、概述

CA8020型示波器为便携式双通道示波器。

本机垂直系统具有0～20MHz的频带宽度和5mV/DIV～5V/DIV的偏转灵敏度，配以10∶1探极，灵敏度可达5V/DIV。

本机在全频带范围内可获得稳定触发，触发方式设有常态、自动、TV和峰值自动，尤其峰值自动给使用带来了极大的方便。

内触设置了交替触发，可以稳定地显示两个频率不相关的信号。

本机水平系统具有0.5S/DIV～0.2μS/DIV的扫描速度，并设有扩展×10，可将最快扫速度提高到20nS/DIV。

　　2、面板控制件介绍

CA8020面板图如附图1－4　所示

附图1－4　CA8020型双踪示波器面板图

序号

控制件名称

功　　　能

（1）

亮度

调节光迹的亮度

（2）

辅助聚焦

与聚焦配合，调节光迹的清晰度

（3）

聚焦

调节光迹的清晰度

（4）

迹线旋转

调节光迹与水平刻度线平行

（5）

校正信号　

提供幅度为0.5V，频率为1KHz的方波信号，用于校正10∶1探极的补偿电容器和检测示波器垂直与水平的偏转因数

（6）

电源指示

电源接通时，灯亮

（7）

电源开关

电源接通或关闭

（8）

CH1移位

PULLCH1－X　CH2－Y

调节通道1光迹在屏幕上的垂直位置，用作X－Y显示

（9）

CH2移位

PULLINVERT

调节通道2光迹在屏幕上的垂直位置，在ADD方式时使CH1＋CH2或CH1－CH2

（10）

垂直方式

CH1或CH2：

通道1或通道2单独显示

ALT：

两个通道交替显示

CHOP：

两个通道断续显示，用于扫速较慢时的双踪显示

ADD：

用于两个通道的代数和或差

（11）

垂直衰减器

调节垂直偏转灵敏度

（12）

垂直衰减器

调节垂直偏转灵敏度

（13）

微调

用于连续调节垂直偏转灵敏度，顺时针旋足为校正位置

（14）

微调

用于连续调节垂直偏转灵敏度，顺时针旋足为校正位置

（15）

耦合方式

（AC-DC-GND）

用于选择被测信号饋入垂直通道的耦合方式

（16）

耦合方式

（AC-DC-GND）

用于选择被测信号饋入垂直通道的耦合方式

（17）

CH1　OR　X

被测信号的输入插座

（18）

CH2OR　Y

被测信号的输入插座

（19）

接地（GND）

与机壳相联的接地端

（20）

外触发输入

外触发输入插座

（21）

内触发源

用于选择CH1、CH2或交替触发

（22）

触发源选择

用于选择触发源为INT（内），EXT（外）或LINE（电源）

（23）

触发极性

用于选择信号的上升或下降沿触发扫描

（24）

电平

用于调节被测信号在某一电平触发扫描

（25）

微调

用于连续调节扫描速度，顺时针旋足为校正位置

（26）

扫描速率

用于调节扫描速度

（27）

触发方式

常态（NORM）：

无信号时，屏幕上无显示；有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。

自动（AUTO）：

无信号时，屏幕上显示光迹；有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。

电视场（TV）：

用于显示电视场信号。

峰值自动（P－P　AUTO）：

无信号时，屏幕上显示光迹；有信号时，无须调节电平即能获得稳定波形显示。

（28）

触发指示

在触发扫描时，指示灯亮

（29）

水平移位

PULL×10

调节迹线在屏幕上的水平位置拉出时扫描速度被扩展10倍

3、操作方法

1）、电源检查

CA8020双踪示波器电源电压为220V±10%。

接通电源前，检查当地电源电压，如果不相符合，则严格禁止使用！

2）、面板一般功能检查

A．将有关控制件按下表置位

控制件名称

作用位置

控制件名称

作用位置

亮　　度

居中

触发方式

峰值自动

聚　　焦

居中

扫描速率

0.5mS/div

位　　移

居中

极　　性

正

垂直方式

CH1

触发源

INT

灵敏度选择

10mV/div

内触发源

CH1

微　　调

校正位置

输入耦合

AC

B．接通电源，电源指示灯亮，稍预热后，屏幕上出现扫描光迹，分别调节亮度、聚焦、辅助聚焦、迹线旋转、垂直、水平移位等控制件，使光迹清晰并与水平刻度平行。

C．用10∶1探极将校正信号输入至CH1输入插座。

D．调节示波器有关控制件，使荧光屏上显示稳定且易观察方波波形。

E．将探极换至CH2输入插座，垂直方式置于“CH2”，内触发源置于“CH2”，重复D操作。

3）、垂直系统的操作

A．垂直方式的选择

当只需观察一路信号时，将“垂直方式”开关置“CH1”或“CH2”，此时被选中的通道有效，被测信号可从通道端口输入。

当需要同时观察两路信号时，将“垂直方式”开关置“交替”，该方式使两个通道的信号被交替显示，交替显示的频率受扫描周期控制。

当扫速低于一定频率时，交替方式显示会出现闪烁，此时应将开关置于“断续”位置。

当需要观察两路信号代数和时，将“垂直方式”开关置于“代数和”位置，在选择这种方式时，两个通道的衰减设置必须一致，CH2移位处于常态时为CH1＋CH2，CH2移位拉出时为CH1－CH2。

B．输入耦合方式的选择

直流（DC）耦合：

适用于观察包含直流成份的被测信号，如信号的逻辑电平和静态信号的直流电平，当被测信号的频率很低时，也必须采用这种方式。

交流（AC）耦合：

信号中的直流分量被隔断，用于观察信号的交流份量，如观察较高直流电平上的小信号。

接地（GND）：

通道输入端接地（输入信号断开），用于确定输入为零时光迹所处位置。

C．灵敏度选择（V/div）的设定

按被测信号幅值的大小选择合适档级。

“灵敏度选择”开关外旋钮为粗调，中心旋钮为细调（微调），微调旋钮按顺时针方向旋足至校正位置时，可根据粗调旋钮的示值（V/div）和波形在垂直轴方向上的格数读出被测信号幅值。

4）、触发源的选择

A．触发源选择

当触发源开关置于“电源”触发，机内50Hz信号输入到触发电路。

当触发源开关置于“常态”触发，有两种选择，一种是“外触发”，由面板上外触发输入插座输入触发信号；另一种是“内触发”，由内触发源选择开关控制。

B．内触发源选择

“CH1”触发：

触发源取自通道1。

“CH2”触发：

触发源取自通道2。

“交替触发”：

触发源受垂直方式开关控制，当垂直方式开关置于“CH1”，触发源自动切换到通道1；当垂直方式开关置于“CH2”，触发源自动切换到通

道2；当垂直方式开关置于“交替”，触发源与通道1、通道2同步切换，在这种状态使用时，两个不相关的信号其频率不应相差很大，同时垂直输入耦合应置于“AC”，触发方式应置于“自动”或“常态”。

当垂直方式开关置于“断续”和“代数和”时，内触发源选择应置于“CH1”或”CH2”。

5）、水平系统的操作

A．扫描速度选择（t/div）的设定

按被测信号频率高低选择合适档级，“扫描速率”开关外旋钮为粗调，中心旋钮为细调（微调），微调旋钮按顺时针方向旋足至校正位置时，可根据粗调旋钮的示值（t/div）和波形在水平轴方向上的格数读出被测信号的时间参数。

当需要观察波形某一个细节时，可进行水平扩展×10，此时原波形在水平轴方向上被扩展10倍。

B．触发方式的选择

“常态”：

无信号输入时，屏幕上无光迹显示；有信号输入时，触发电平调节在合适位置上，电路被触发扫描。

当被测信号频率低于20Hz时，必须选择这种方式。

“自动”：

无信号输入时，屏幕上有光迹显示；一旦有信号输入时，电平调节在合适位置上，电路自动转换到触发扫描状态，显示稳定的波形，当被测信号频率高于20Hz时，最常用这一种方式。

“电视场”：

对电视信号中的场信号进行同步，如果是正极性，则可以由CH2输入，借助于CH2移位拉出，把正极性转变为负极性后测量。

“峰值自动”：

这种方式同自动方式，但无须调节电平即能同步，它一般适用于正弦波、对称方波或占空比相差不大的脉冲波。

对于频率较高的测试信号，有时也要借助于电平调节，它的触发同步灵敏度要比“常态”或“自动”稍低一些。

C．“极性”的选择

用于选择被测试信号的上升沿或下降沿去触发扫描。

D．“电平”的位置

用于调节被测信号在某一合适的电平上启动扫描，当产生触发扫描后，触发指示灯亮。

4、测量电参数

1）电压的测量

示波器的电压测量实际上是对所显示波形的幅度进行测量，测量时应使被

测波形稳定地显示在荧光屏中央，幅度一般不宜超过6div，以避免非线性失真造成的测量误差。

1.1）交流电压的测量

A．将信号输入至CH1或CH2插座，将垂直方式置于被选用的通道。

B．将Y轴“灵敏度微调”旋钮置校准位置，调整示波器有关控制件，使荧光屏上显示稳定、易观察的波形，则交流电压幅值

Vp-p=垂直方向格数（div）×垂直偏转因数（V/div）

1.2）直流电平的测量

A．设置面板控制件，使屏幕显示扫描基线。

B．设置被选用通道的输入耦合方式为“GND”。

C．调节垂直移位，将扫描基线调至合适位置，作为零电平基准线。

D．将“灵敏度微调”旋钮置校准位置，输入耦合方式置“DC”，被测电平由相应Y输入端输入，这时扫描基线将偏移，读出扫描基线在垂直方向偏移的格数（div），则被测电平

V＝垂直方向偏移格数（div）×垂直偏转因数（V/div）×偏转方向（＋或一）

式中，基线向上偏移取正号，基线向下偏移取负号。

2）、时间测量

时间测量是指对脉冲波形的宽度、周期、边沿时间及两个信号波形间的时间间隔（相位差）等参数的测量。

一般要求被测部分在荧光屏X轴方向应占（4～6）div。

2.1）时间间隔的测量

对于一个波形中两点间的时间间隔的测量，测量时先将“扫描微调”旋钮置校准位置，调整示波器有关控制件，使荧光屏上波形在X轴方向大小适中，读出波形中需测量两点间水平方向格数，则时间间隔：

时间间隔=两点之间水平方向格数（div）×扫描时间因数（t/div）

2.2）脉冲边沿时间的测量

上升（或下降）时间的测量方法和时间间隔的测量方法一样，只不过是测

量被测波形满幅度的10%和90%两点之间的水平方向距离，如附图1-5所示。

用示波器观察脉冲波形的上升边沿、下降边沿时，必须合理选择示波器的触发极性（用触发极性开关控制）。

显示波形的上升边沿用“＋”极性触发，显示波形下降边沿用“－”极性触发。

如波形的上升沿或下降沿较快则可将水平扩展×10，使波形在水平方向上扩展10倍，则上升（或下降）时间：

2.3）相位差的测量

A．参考信号和一个待比较信号分别饋入“CH1”和“CH2”输入插座。

B．根据信号频率，将垂直方式置于“交替”或“断续”

C．设置内触发源至参考信号那个通道。

D．将CH1和CH2输入耦合方式置“　”，调节CH1、CH2移位旋钮，使两条扫描基线重合。

E．将CH1、CH2耦合方式开关置“AC”，调整有关控制件，使荧光屏显示大小适中、便于观察两路信号，如附图1-6所示。

读出两波形水平方向差距格数D及信号周期所占格数T，则相位差：

附图1-5上升时间的测量附图1-6相位差的测量