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用运算放大器设计万用表论文
用运算放大器组成万用表
摘要
万用电表简称万用表或三用表，在国家标准中称作复用表。
万用电表实际上是一种可以进展多种工程测量的便携式仪器，主要用于测量电压、电流、电阻。
另外可粗略判断电容器、晶体三极管及二极管、集成电路等元器件的性能好坏。
在测量中，万用电表的接入因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100uA的表头，其阻约为1K，用它进展测量时将会影响被测量，会引起误差。
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。
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构造、原理出发，在阐述运算放大器电路构造、原理的根底上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。
通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比拟,总结出各种电路方案的特点,为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。
关键词：
运算放大器；万用表；小信号放大。
一引言
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工程。
通过万用表的组装，能够进一步熟悉万用表的构造、工作原理和使用方法，了解电路理论的实际应用，掌握仪表的装配和调试工艺，提高实际操作技能。
虽然万用表的型号很多，但其测量原理和测量线路大致一样，其构造也根本一样。
我们以500型万用表为例，具体介绍万用表的构造、测量线路及装配等有关知识。
1.1万用表的构造
万用表的构造组成主要分为三个局部。
1．指示局部〔表头〕
指示局部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局部，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适宜的量程，来接通不同的测量线路。
1.2万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根本误差大小。
同一块万用表，不同功能档的准确度也不尽一样。
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、表头阻
表头线圈及上下两层盘丝的直流电阻之和称为表头阻。
万用表表头阻多在几百到几千欧之间。
一般来说，灵敏度越高，阻越大。
但灵敏度一样的表头，阻不尽一样。
这是因为，在制造一样表头时，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
直流电压档的阻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、直流电流档的阻
电流表阻的大小决定于表头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，所以阻也不同。
电流表的额阻越小，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，阻越小越好。
6、欧姆档的中值电阻
欧姆档的阻称为该档的中值电阻。
中值电阻
的大小确定该档的测量围，假设中值电阻为
，那么该档的测量围是1/4
-4
之间。
7、交流电压灵敏度
交流电压档阻与该档量程之比称为交流电压灵敏度
.
1.3万用表特性说明
（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/Ω档公用一个表笔插孔，而A档单独用一个插孔。
使用时应注意根据被测量调换插孔，否那么可能造成测量错误或仪表损坏
二目的与意义
2.1目的与意义
通过万用表的安装和调试操作实习，了解万用表的根本原理与安装工艺，掌握一般元器件识别及检测，练习常用仪器的使用，掌握焊接技术和数字万用表的检测方法。
培养初步的工程设计能力和创新意识，以及严谨踏实科学的工作作风和良好的学风，提高解决实际问题的能力和素质，为今后的学习和从事有关的电子技术工作奠定实践根底。
2.2设计要求
（1）根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理。
（2）列出所有元、器件清单报实验室备件。
（3）安装调试所设计的电路，使之到达设计要求。
（4）记录实验结果。
三根本原理
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“一〞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，那么在输出端会得到电压一样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3-1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，这些特性可以综合为两条：
11、运算放大器的放大倍数为无穷大。
22、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
xian现在我们来简单地看看由于上面的两个特性可以得到一些什么样的结论。
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一样的电压；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一样的电压（如果运算放大器用的是单电源，那么输出电压为零）。
其次，由于放大倍数为无穷大，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应到反相输入端（称为负反应）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，是一个负反应电路，电阻
也叫做负反应电阻。
图3－3运算放大器的反应电阻接法〔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——它只承受电压。
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一样的（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〞）。
3.2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展补偿，这就是运算放大器的调零。
“调零〞技术是使用运放时必须掌握的。
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，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，到达调零的目的。
有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进展调零即可，例如本实验所用到的HA17741。
下面以A17741为例，图1给出了常用外部调零电路。
它的调零电路由-12V电源、50kΩ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，使输出电压为零。
本实验采用的集成运算放大器为HA17741。
图3-4调零电路
3.3万用表工作原理及参考电路
在测量中，电压表或者电流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，电流表的阻应为零。
但实际上，万用表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如100μA的表头，其阻约为1KΩ，用它进展测量时将影响到被测量，从而引起误差。
此外，交流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。
3.3.1直流电压表
图3-5为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。
图3-5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。
3.3.2直流电流表
图3-6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：
假设被测电流无接地点，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。
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。
图3-6直流电流表
3.3.3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4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，又因为负反应能减小反应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应回路中，以减小二极管本身非线性的影响。
图3-7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，假设ui为正弦波，那么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。
3.3.4交流电流表
图3-8交流电流表
图3-8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I1为正弦电流，即I＝
I1sinωt，那么上式可写为
那么表头可按有效值来刻度。
3.3.5欧姆表
图3-9为多量程的欧姆表。
图3-9欧姆表
在此电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻RX跨接在运算放大器的反应回路中，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。
四电压表的电路设计
4.1总电路图
如图，为设计的总电路图。
电路说明：
黑框以外部位是万用表的部构造，黑框以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，从而到达四种电表的测量功能。
A
B
电表类型
1
0
直流电流
0
1
交流电压
1
1
直流电压
0
0
交流电流
其中1表示对应键在初始态下按下，0表示初态。
黑框中以类似的方式快速切换，便于仿真的进展。
所以得数据都是基于此图制作，图中的数据为量程的测量值对应电流值，假设要制作表头，需要以此为依据。
最后的原理图，仅供原理参照作用，不做研究。
4.2直流电流的测量结果及其电路图〔A=1,B=0〕：
测量电流是根据欧姆定律，用适宜的取样电阻把待测电流转化为相应的待测电压，再进展测量。
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4mA
3.9992mA
0.0008mA
0.020%
6mA
5.9992mA
0.0008mA
0.013%
8mA
7.9992mA
0.0008mA
0.010%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
4.3交流电流的测量结果及其电路图〔A=0，B=0〕：
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4
4.235mA
0.235mA
5.875%
6
6.357mA
0.357mA
5.950%
8
8.475mA
0.475mA
5.935%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
4.4直流电压的测量结果及其电路图〔A=1，B=1〕：
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
6V
6.0025V
0.0025V
0.042%
8V
8.0015V
0.0015V
0.019%
10V
10.003V
0.003V
0.03%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
4.5交流电压的测量结果及其电路图〔A=0，B=1〕：
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
6
5.040V
0.599V
9.98%
8
7.2021V
0.7985V
9.98%
10
9.0020V
0.9980V
9.98%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
4.6欧姆表调试记录：
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电阻
600Ω
601.8Ω
1.8Ω
0.31%
9KΩ
9.02KΩ
0.02KΩ
0.22%
80KΩ
80.35KΩ
0.35KΩ
0.44%
电阻
R1
1KΩ
R2
2.9KΩ
电表选用量程
0——1mA〔忽略了Rm的影响〕
4.7以下是独立的几个图，分别是交流电压图、直流电压图、直流电流图和交流电流图
五考前须知
1.实验时应当“先接线，再加电；先断电，再拆线〞，加电前应确认接线无误，防止短路。
2.即使加有保护电路，也应注意不要用电流档或电阻档测量电压，以免造成不必要的损失。
3.当数字表头最高位显示“1〞（或“1〞）而其余位都不亮时，说明输入信号过大，即超量程。
此时应尽快换大量程档或减小（断开）输入信号，防止长时间超量程。
4.自锁紧插头插入时不必太用力就可接触良好，拔出时应手捏插头旋转一下就可轻易拔出，防止硬拔硬拽导线，拽断线芯。
六心得体会
作为一名学生，我想学习的目的不在于通过结业考试，而是为了获取知识，获取工作技能。
换句话说，在学校学习是为了能够适应社会的需要，通过学习保证能够完成将来的工作，为社会作出奉献。
然而步出象牙塔步入社会是有很大落差的，能够以进入公司实习来作为缓冲，对我而言是一件幸事，通过实习工作了解到工作的实际需要，使得学习的目的性更明确，得到的效果也相应的更好通过对万用表电路的设计，我深刻认识到了“理论联系实际〞的这句话的重要性与真实性。
对此课程的设计，我不但深入学习了理论知识，最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛，也明白教师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试局部是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最正确参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期到达最好。
而参数的调试是一个经历的积累过程，没有经历是不可能在短时间将其完成的。
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