模电实验万用表的设计.docx

1、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+30V2、直流电流表卄曰工口满量程50mV3、交流电压表卄曰工口满量程30V， 50Hz1kHz4、交流电流表卄曰工口满量程50mA5、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

2、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1K Q,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

3、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 (Ii QR2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

4、、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UiR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

5、决定，即1AV(1如果被测电流i为正弦电流，即i1 . 2I1 sin t则上式可写为RI 0.9(1 -)I1R2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。Up U N U REP11 I XU REF U o U REFR1 RX即 Rx H(Uo Uref)U REF由上两式消去（UO-UREF） 可得U REF RzRl(Rm R2 )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

6、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100 Q2、运算放大器卩 A7413、电阻器均采用0.25W的金属膜电阻器4、二极管IN4007

7、 X4、 IN41485、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)5100.50.095150.9098181.455测量电压表头显示测量结果0.1mA0.2mA0.1mA0.5mA1mA0.5mA1mA2 mA1mA交流电压测量电压表头显示测量结果0.5V0.167mA0.5V3V1mA3V6V2 mA6V交流电流测量电压表头显示测量结果0.1mA0,.198mA0.1mA0.5mA0.99mA0.5mA1mA1.98mA1mA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)

8、测量值理论值误差%551229.91010.50.51221.06916.02mA档l1(mA)Us(V)R3(K?)R1(K?)R2(K?)Rx(?)I(mA)测量值理论值误差%50.5122100.911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=100Hz20mA 档I1(mA)Us(V)R3(K ?)R1(K?)R2(K?)I(mA)测量值理论值误差%55.41229.0390.30.50.51220.9010.90.12mA档I1(mA)Us(V)R3(K?)R1(

9、K?)R2(K?)Rx(K ?)I(mA)测量值理论值误差%55.4122100.90.91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 0.010.1 F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。