模电实验万用表的设计.docx
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模电实验万用表的设计
用运算放大器组成万用电表的设计
一、实验目的
1、综合利用所学知识，根据设计要求设计由运算放大器、二极管整流电路及电流表组成万用表电路图，搭出时基电路并组装调试，提高实验综合能力与实际动手能力。
2、熟悉万用表各常见功能的测试电路原理与方法。
3、进一步体会运算放大器的应用，了解其优势。
设计要求
1、直流电压表
卄曰工口
满量程
+30V
2、直流电流表
卄曰工口
满量程
50mV
3、交流电压表
卄曰工口
满量程
30V，50Hz~1kHz
4、交流电流表
卄曰工口
满量程
50mA
5、欧姆表
满量程分别为
1k?
，10k?
100k?
实验原理
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100卩A的表头，其内阻约为1KQ,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。
表头电流I与被测电压Ui的关系为
Ri
应当指出，图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。
表头电流I与被测电流11间关系为
-liR（IiQR2
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。
表头电流I与被测电压ui的关系为
Ui
R
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
1AV
（1
如果被测电流i为正弦电流，即
i1.2I1sint
则上式可写为
R
I0.9（1-）I1
R2
则表头可按有效值来刻度。
5、欧姆表
图为多量程的欧姆表。
幣22-5歐姆衣
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。
UpUNUREP
11IX
UREFUoUREF
R1RX
即RxH（UoUref）
UREF
由上两式消去（UO-UREF）可得
UREFRz
Rl（RmR2）
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100Q
2、
运算放大器
卩A741
3、
电阻器
均采用0.25W的金属膜电阻器
4、
二极管
IN4007X4、IN4148
5、
稳压管
IN4728
六、实验数据及结果分析
直流电流
Us（V）
R3（K?
）
I1（mA）
I3（mA）
5
10
0.5
0.09
5
1
5
0.909
8
1
8
1.455
测量电压
表头显示
测量结果
0.1mA
0.2mA
0.1mA
0.5mA
1mA
0.5mA
1mA
2mA
1mA
交流电压
测量电压
表头显示
测量结果
0.5V
0.167mA
0.5V
3V
1mA
3V
6V
2mA
6V
交流电流
测量电压
表头显示
测量结果
0.1mA
0,.198mA
0.1mA
0.5mA
0.99mA
0.5mA
1mA
1.98mA
1mA
设计方案调试验证:
直流电流表
20mA档
l1（mA）
Us（V）
R3（K?
）
R1（K?
）
R2（K?
）
I（mA）
测量值
理论值
误差%
5
5
1
2
2
9.9
10
1
0.5
0.5
1
2
2
1.069
1
6.0
2mA档
l1（mA）
Us（V）
R3（K?
）
R1（K?
）
R2（K?
）
Rx（?
）
I（mA）
测量值
理论值
误差%
5
0.5
1
2
2
10
0.9
1
1
以上数据表明，该设计满足设计要求
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。
交流电压表f=100Hz
20mA档
I1（mA）
Us（V）
R3（K?
）
R1（K?
）
R2（K?
）
I（mA）
测量值
理论值
误差%
5
5.4
1
2
2
9.03
9
0.3
0.5
0.5
1
2
2
0.901
0.9
0.1
2mA档
I1（mA）
Us（V）
R3（K?
）
R1（K?
）
R2（K?
）
Rx（K?
）
I（mA）
测量值
理论值
误差%
5
5.4
1
2
2
10
0.9
0.9
1
以上数据表明，该设计满足设计要求
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。
七、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0.01〜0.1F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表和电流表校正，而欧姆表用标准电阻校正，考
虑到实验要求不高，建议用数字式4.5位万用电表作为标准表。
3万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。
4万用电表作电压、电流或欧姆表测量时，和进行量程切换时应用开关切换，但实验可引用接线切换。
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