实验七 电表改装101230.docx
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实验七电表改装101230
实验七电表改装
一、实验目的
1、设计由运算放大器组成的电压、电流表
2、组装与调试自己设计的电压、电流表
二、实验设备
名称数量型号
1、直流稳压电源1台自备
2、交流电源1台DH-AV1（6V,12V,18V）
3、电位器2只5kΩ×1，10kΩ×1
4、电阻1只56kΩ×1
5、表头1个100μA内阻2K
6、运放 1个HA17741×1
7、芯片座1个SJ-004芯片座盒
8、二极管4只1N4007×4
9、短接桥和连接导线若干SJ-009和SJ-301
10、九孔插件方板1块SJ-010
三、电路原理简述
1、设计要求
直流电压表满量程+6V（或+1V，+10V）
直流电流表满量程200μA
交流电压表满量程+6V、50Hz～1kHz
交流电流表满量程100μA
2、电压、电流表工作原理及参考电路
在进行测量时，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，万用表表头的可动线圈总有一定的电阻，如像100μA的表头，其内阻R约为2kΩ（可以用比较法或代替法测出，具体见附DH4508电表改装与校准实验讲义），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。
（1）直流电压表
图7-1为同相输入，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。
只要知道要转换的最大量程Uimax,即可得到R1=Uimax/Imax。
实际设计的过程中可以把R1用标准电阻或一个定值电阻串联一个电位器来进行调节，以得到转换量程。
表头电流I与被测电压Ui的关系为：
（7-1）
应当指出，图7-1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。
图7-1直流电压表
（2）直流电流表
图7-2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。
表头电流I与被测电流间关系为：
-I1R1=（I1-I）R2
（7-2）
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（大于100μA），应给电流表表头并联分流电阻（用4.7kΩ电位器调节）。
实际设计时，通过改变
的值，并在表头并联分流电阻调节来得到要设计的量程。
注意先计算好参数范围后再连线设计，不要用来测量大电流。
设计时，可以在电流回路中串接标准电流表来观察实际测量电流值并校准改装表头。
遵循“先接线、再检查，再通电；先关电，再拆线”的原则，确保器件安全。
图7-2直流电流表
（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7-3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7-3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
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。
设计中通过调节R1的值来实现相应量程。
（4）交流电流表
图7-4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
（7-3）
如果被测电流i为正弦电流，即：
（7-4）
即上式可写为：
则表头可按有效值来刻度。
图7-4交流电流表
实际设计时，通过改变
的值，并结合在表头并联分流电阻来实现要设计的量程。
四、实验内容与步骤
1、电路设计
用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、选择元器件及安装调试
（1）表头：
电压表的表头灵敏度小于100μA，内电阻为2kΩ左右，应根据测试电流的大小来选择电流表表头的量程。
（2）电阻：
电路中的电阻均采用的金属膜电阻，须用电桥校准。
（3）运算放大器：
输入电阻500kΩ以上，输出电阻小，A0一万倍以上，UiO、IIO、IB要小。
（4）二极管：
可选用整流二极管或检波二极管。
（5）运算放大的调试按惯例进行，电流、电压表要用标准电流、电压表校正。
（6）实验中需要的100μA的电流可以用直流电压源串联电阻得到，例如：
电压0~10V可调，电阻选择100kΩ,则电流调节范围即成0~100μA可调。
注意实验过程中电流不可过大以免损坏放大器或微安表。
（7）实验中需要的可调交流电压可由DH-AV1加电位器调节实现。
（8）设计前先计算出量程转换参数，遵循“先接线、再检查，再通电；先关电，再拆线”的原则，特别注意放大器的管脚排列顺序。
（9）实验时把8脚芯片HA17741放在16脚芯片座中，注意电源供电和脚位接线正确。
五、分析与讨论
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。
5、附DH4508电表改装与校准实验讲义供学生参考设计。
6、HA17741运算放大器芯片实物图以及管脚排列图入图7-5、图7-6所示。
图7-5HA17741实物图图7-6HA17741管脚排列图
附录2：
DH4508电表改装与校准实验讲义
电表在电测量中有着广泛的应用，因此如何了解电表和使用电表就显得十分重要。
电流计（表头）由于构造的原因，一般只能测量较小的电流和电压，如果要用它来测量较大的电流或电压，就必须进行改装，以扩大其量程。
万用表的原理就是对微安表头进行多量程改装而来，在电路的测量和故障检测中得到了广泛的应用。
一、实验目的
1、测量表头内阻及满度电流
2、掌握将1mA表头改成较大量程的电流表和电压表的方法
3、设计一个R中=1500Ω的欧姆表，要求E在1.3~1.6V范围内使用能调零
4、用电阻器校准欧姆表，画校准曲线，并根据校准曲线用组装好的欧姆表测未知电阻
5、学会校准电流表和电压表的方法
二、实验原理
常见的磁电式电流计主要由放在永久磁场中的由细漆包线绕制的可以转动的线圈、用来产生机械反力矩的游丝、指示用的指针和永久磁铁所组成。
当电流通过线圈时，载流线圈在磁场中就产生一磁力矩M磁，使线圈转动，从而带动指针偏转。
线圈偏转角度的大小与通过的电流大小成正比，所以可由指针的偏转直接指示出电流值。
1、电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程，用Ig表示，电流计的线圈有一定内阻，用Rg表示，Ig与Rg是两个表示电流计特性的重要参数。
测量内阻Rg常用方法有：
（1）半电流法也称中值法。
测量原理图见图7-7。
图7-7图7-8
当被测电流计接在电路中时，使电流计满偏，再用十进位电阻箱与电流计并联作为分流电阻，改变电阻值即改变分流程度，当电流计指针指示到中间值，且标准表读数（总电流强度）仍保持不变，可通过调电源电压和RW来实现，显然这时分流电阻值就等于电流计的内阻。
（2）替代法
测量原理图见图7-8。
当被测电流计接在电路中时，用十进位电阻箱替代它，且改变电阻值，当电路中的电压不变时，且电路中的电流（标准表读数）亦保持不变，则电阻箱的电阻值即为被测电流计内阻。
替代法是一种运用很广的测量方法，具有较高的测量准确度。
2、改装为大量程电流表
根据电阻并联规律可知，如果在表头两端并联上一个阻值适当的电阻R2，如图7-9所示，可使表头不能承受的那部分电流从R2上分流通过。
这种由表头和并联电阻R2组成的整体（图中虚线框住的部分）就是改装后的电流表。
如需将量程扩大n倍，则不难得出
R2=Rg/（n-1）（7-5）
图7-9为扩流后的电流表原理图。
用电流表测量电流时，电流表应串联在被测电路中，所以要求电流表应有较小的内阻。
另外，在表头上并联阻值不同的分流电阻，便可制成多量程的电流表。
图7-9图7-10
3、改装为电压表
一般表头能承受的电压很小，不能用来测量较大的电压。
为了测量较大的电压，可以给表头串联一个阻值适当的电阻RM，如图7-10所示，使表头上不能承受的那部分电压降落在电阻RM上。
这种由表头和串联电阻RM组成的整体就是电压表，串联的电阻RM叫做扩程电阻。
选取不同大小的RM，就可以得到不同量程的电压表。
由图4可求得扩程电阻值为：
（7-6）
实际的扩展量程后的电压表原理见图7-10
用电压表测电压时，电压表总是并联在被测电路上，为了不因并联电压表而改变电路中的工作状态，要求电压表应有较高的内阻。
4、改装毫安表为欧姆表
用来测量电阻大小的电表称为欧姆表。
根据调零方式的不同，可分为串联分压式和并联分流式两种。
其原理电路如图7-11所示。
图中E为电源，R3为限流电阻，RW为调“零”电位器，Rx为被测电阻，Rg为等效表头内阻。
图7-11（b）中，RG与RW一起组成分流电阻。
欧姆表使用前先要调“零”点，即a、b两点短路，（相当于RX=0），调节
（a）串联分压式（b）并联分流式
图7-11欧姆表原理图
RW的阻值，使表头指针正好偏转到满度。
可见，欧姆表的零点是就在表头标度尺的满刻度（即量限）处，与电流表和电压表的零点正好相反。
在图7-11（a）中，当a、b端接入被测电阻Rx后，电路中的电流为
（7-7）
对于给定的表头和线路来说，Rg、RW、R3都是常量。
由此可见，当电源端电压E保持不变时，被测电阻和电流值有一一对应的关系。
即接入不同的电阻，表头就会有不同的偏转读数，Rx越大，电流I越小。
短路a、b两端，即Rx=0时
（7-8）
这时指针满偏。
当Rx=Rg+RW+R3时
（7-9）
这时指针在表头的中间位置，对应的阻值为中值电阻，显然R中=Rg+RW+R3。
当Rx=∞（相当于a、b开路）时，I=0，即指针在表头的机械零位。
所以欧姆表的标度尺为反向刻度，且刻度是不均匀的，电阻R越大，刻度间隔愈密。
如果表头的标度尺预先按已知电阻值刻度，就可以用电流表来直接测量电阻了。
并联分流式欧姆表利用对表头分流来进行调零的，具体参数可自行设计
欧姆表在使用过程中电池的端电压会有所改变，而表头的内阻Rg及限流电阻R3为常量，故要求RW要跟着E的变化而改变，以满足调“零”的要求，设计时用可调电源模拟电池电压的变化，范围取1.3~1.6V即可。
三、实验仪器
1、DH4508型电表改装与校准实验仪1台
2、ZX21电阻箱（可选用）1台
四、实验内容
DH4508型电表改装与校准实验仪的使用参见附录。
仪器在进行实验前应对毫安表进行机械调零。
1、用中值法或替代法测出表头的内阻，按图7-1或图7-2接线。
Rg=Ω
2、将一个量程为1mA的表头改装成5mA量程的电流表
（1）根据式①计算出分流电阻值，先将电源调到最小，RW调到中间位置，再按图4.3接线。
（2）慢慢调节电源，升高电压，使改装表指到满量程（可配合调节RW变阻器），这时记录标准表读数。
注意：
RW作为限流电阻，阻值不要调至最小值。
然后调小电源电压，使改装表每隔1mA（满量程的1/5）逐步减小读数直至零点；（将标准电流表选择开关打在20mA档量程）再调节电源电压按原间隔逐步增大改装表读数到满量程，每次记下标准表相应的读数于表7-1。
（3）以改装表读数为横坐标，标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的平均值为纵坐标，在坐标纸上作出电流表的校正曲线，并根据两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。
（4）重复以上步骤，将1mA表头改装成10mA表头，可按每隔2mA测量一次。
（可选做）。
表7-1
改装表读数（mA）
标准表读数（mA）
示值误差
ΔI（mA）
减小时
增大时
平均值
1
2
3
4
5
（5）将面板上的RG和表头串联，作为一个新的表头，重新测量一组数据，并比较扩流电阻有何异同（可选做）。
3、将一个量程为1mA的表头改装成1.5V量程的电压表
（1）根据式②计算扩程电阻RM的阻值，可用R1、R2进行实验。
（2）按图4连接校准电路。
用量程为2V的数显电压表作为标准表来校准改装的电压表。
（3）调节电源电压，使改装表指针指到满量程（1.5V），记下标准表读数。
然后每隔0.3V逐步减小改装读数直至零点，再按原间隔逐步增大到满量程，每次记下标准表相应的读数于下表：
表7-2
改装表读数（V）
标准表读数（V）
示值误差ΔU（V）
减小时
增大时
平均值
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
（4）以改装表读数为横坐标，标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的平均值为纵坐标，在坐标纸上作出电压表的校正曲线，并根据两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。
（5）重复以上步骤，将1mA表头改成5V表头，可按每隔1V测量一次。
（可选做）。
4、改装欧姆表及标定表面刻度
（1）根据表头参数Ig和Rg以及电源电压E，选择Rw为470Ω，R3为1KΩ，也可自行设计确定
（2）按图7-11（a）进行连线。
将R1、R2电阻箱（这时作为被测电阻Rx）接于欧姆表的a、b端，调节R1、R2，使R中=R1+R2=1500Ω。
（3）调节电源E=1.5V，调Rw使改装表头指示为零。
（4）取电阻箱的电阻为一组特定的数值Rxi，读出相应的偏转格数di。
利用所得读数Rxi、di绘制出改装欧姆表的标度盘。
如表7-3所示：
表7-3E=V，R中=Ω
RxI（Ω）
R中
R中
R中
R中
R中
2R中
3R中
4R中
5R中
偏转格数（di）
（5）按图7-11（b）进行连线，设计一个并联分流式欧姆表。
试与串联分压式欧姆表比较，有何异同。
（可选做）
五、思考题
1、是否还有别的办法来测定电流计内阻？
能否用欧姆定律来进行测定？
能否用电桥来进行测定而又保证通过电流计的电流不超过Ig?
2、设计R中=1500Ω的欧姆表，现有两块量程1mA的电流表，其内阻分别为250Ω和100Ω，你认为选哪块较好？
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