运算放大器设计万用表--课程设计.doc

常熟理工学院课程设计报告电子线路课程设计（报告）题目 运算放大器设计万用表 系 别 物理与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 08电科3 学 号 050208324 日 期 2010年6月27日2010年7月2日 目 录目 录2第一章 题目要求与目的31.1课题及技术指标31.1.1课题名称31.1.2技术指标31.1.3课程设计元器件及所用设备31.2课程设计目的3第二章 电子线路设计与实现42.1课题分析42.1.1万用表工作原理42.1.2运算放大器工作原理62.1.3调零电路原理72.2由原理设计电路图82.2.1组合电路图82.2.2直流电压表设计92.2.3直流电流表设计102.2.4交流电压表设计122.2.5交流电流表设计132.2.6欧姆表设计13第三章实践总结13参考文献13第一章 题目要求与目的1.1课题及技术指标1.1.1课题名称用运算放大器设计万用表1.1.2技术指标1、直流电压表 满量程5v2、直流电流表 满量程10ma3、交流电压表 满量程5v （50hz1000 hz）4、交流电流表 满量程10ma5、欧姆表 满量程分别为1k欧姆、10k欧姆和100k欧姆6、其它可任意发挥1.1.3课程设计元器件及所用设备1、运算放大器： lm324n 2片2、电阻器： 1k 4只，2.9 k 1只，3.3 k 1只，10 k、100 k 各1只3、二极管： 1n4007 1只 4、开关： 单刀双掷 3个，单刀三掷1个，双刀四掷1个，三刀六1个5、其它： 桥式整流电桥，表头，电源若干1.2课程设计目的1、学会用multisim软件设计模拟电路。2、了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分3、掌握运算放大器组成万用表的设计方法4、掌握万用表的主要技术指标和调试方法第二章 电子线路设计与实现2.1课题分析2.1.1万用表工作原理1、万用表的工作原理万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而再由所得的电流值转换成待测电路中的电流、电压和电阻。下面分别介绍：1）直流电流测法如下图所示，在表头上并联一个适当的电阻（叫分流电阻）进行分流，就可以扩展电流量程。改变分流电阻的阻值，就能改变电流测量范围。表头图2.1.1 侧直流电流2）直流电压测法如下图所示，在表头上串联一个适当的电阻（叫倍增电阻）进行降压，就可以扩展电压量程。改变倍增电阻的阻值，就能改变电压的测量范围。表头图2.1.2 测直流电压3）交流电压测法如下图所示，因为表头是直流表，所以测量交流时，需加装一个并、串式半波整流电路，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。扩展交流电压量程的方法与直流电压量程相似。表头图2.1.3 测交流电压4）交流电流测法 测交流在直流的基础上将交流信号用半波整流器转换为直流信号同样可得出交流电流。扩展交流电流量程的方法与交流电流量程相似。5）电阻测法如下图所示，在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池，使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出电阻值。改变分流电阻的阻值，就能改变电阻的量程。 表头图2.1.4 测电阻 2.1.2运算放大器工作原理运放有两个输入端a（反相输入端），b(同相输入端)和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压加u-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点)之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压u实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压u+加在b端和公共端之间，u与u+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用-和+号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=a0（e1-e2），其中，a0 是运放的低频开环增益（如 100db，即 100000 倍），e1 是同相端的输入信号电压，e2 是反相端的输入信号电压。2.1.3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行补偿，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。特别是在做直流放大器时，由于输入失调电压和输入失调电流的影响，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，一抵消运放本身的失调电压，打到凋零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入凋零电路进行调零即可。如下图为本实验所用的调零电路。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。图2.1.3 凋零电路图2.2由原理设计电路图2.2.1组合电路图图2.2.1 万用表内部结构图电路说明：黑框以外部位是万用表的内部结构，黑框以内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，从而达到四种电表的测量功能。ab电表类型10直流电流01交流电压11直流电压00交流电流注：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，便于仿真的进行。表2.2.1 测量方式2.2.2直流电压表设计1、设计方案：当开关a=1，b=1，此时可以实现直流电压表的功能。2、测量数据：测量电压绝对误差相对误差输入电压5v5.002v0.002 v0.04%3v3.002 v0.002 v0.07%1v1.002 v0.002 v0.20%表2.2.2. 直流电压表测量数据图2.2.2（a） 直流电压测试图3、电路图：图2.2.2（b）直流电压独立电路图2.2.3直流电流表设计1、设计方案：开关a=1,b=0，实现直流电流表的功能。2、测量数据：理论值测试电流绝对误差相对误差输入电流4ma8 ma7.998 ma0.002 ma0.025%6ma12ma11.998 ma0.002ma0.017%10 ma20 ma19.999 ma 0.001 ma0.005%表2.2.3直流电流表测量数据图2.2.3（a） 直流电流测试图3、电路图图2.2.3（b） 直流电流独立电路图2.2.4交流电压表设计1、设计方案：开关a=0，b=1，实现交流电压表的功能。2、测量数据：理论值测试电压绝对误差相对误差输入电压5cos100t (v)4.5ma4.583 ma0.083 ma1.844%4cos100t (v)3.6 ma3.666 ma0.066 ma1.833%2cos100t (v)1.8 ma1.833 ma0.033 ma1.833%表2.2.4交流电压表测量数据图2.2.4(a) 交流电压表测试图3、电路图图2.2.4(b) 交流电压表独立电路图2.2.5交流电流表设计1、设计方案：开关a=0，b=0，实现交流电流表的功能。2、测量数据：理论值测试电流绝对误差相对误差输入电阻4cos100t (ma)5.656 ma5.185 ma0.471 ma8.33%6cos100t (ma)8.484 ma7.639 ma0.845 ma9.96%10cos100t (ma)14.141ma12.732 ma1.409 ma9.96%表2.2.5 交流电流表测量数据图2.2.5（a） 交流电流表测试图3、电路图：图2.2.5（a） 交流电流表独立电路图2.2.6欧姆表设计1、设计方案根据原理设计出电路图如下图所示，其中r5择2.9k欧姆，r4择3.3k欧姆。在该电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻r6跨接在运算放大器的反馈电路中，同相端加基准电压u1，由负反馈的虚短和虚断可知，u1/r=(uu1)/r6，所以r6=r（uu1）/u1，其中表头电流为i=（uu1）/r5，由以上三个式子可得出i=r6u1/rr5(其中r为所选取的量程，即r1，r2，r3)。由此可知表头电流i与被测电阻成正比，改变r的值可改变电表的量程。其中二极管起到保护电表的作用，当r6超量程时，特别是r6时，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载，有了二极管d可使输出钳位，防止表头过载。2、测量数据表表头电流测量电阻绝对误差相对误差输入电阻600622.613ua601.861.860.3%4k415.223ua4.0138k0.0138k0.35%70k726.974ua70.2742k0.2742k0.39%表2.2.6 欧姆表测量数据图2.2.6（a） 欧姆表测试图3、独立电路图图2.2.6（a） 欧姆表独立电路图第三章 实践总结这一次课程设计，我们小组选的是：用运算放大器设计万用表。课题看起来似乎很简单，仔细回想，对我们学电子的，万用表在熟悉不过了，无需太动脑，但在实训过程中我们发现想要做好这个万用表其实也并不简单。实训让我们接触到很多关于电子方面的东西，而这些知识以后会用的更多，比如运算放大器的基本原理和运用，桥式整流电桥和二极管等元器件。而且本学期也开了模电这门课，我想会对我学习模拟电子更有帮助。实训时间不长，再加上要期末考试了，那就要求我们尽快而又正确地用这些知识把电路设计出来，那么才有更多的时间分析调试。实践一开始，我们小组就开始查阅资料，在这过程中小组成员团结合作，各自分工。就这样资料全了，然而零碎的知识和原理要转换成实际电路图，就要求我们连贯的运用知识。首先我们设计万用表的直流电路，直流电路分为直流电压电路和直流电流电路，设计直流电压电路我们想到了通过分压求电流，而运算放大器在这里起电压电压调节的作用。一步接着一步，我们大体上把电路的框架弄好了。由于欧姆表需要内置电源，我们就将它独立出来了。后来的调试以及电路修改，我们花了不少时间，但在这部分时间里，我们对各种元件的特性了解更深了。比如由二极管组成的全波整流器，它是怎样工作的，又是怎样将交流信号转化为可以测量的值的。这是在理论上很难很快就理解的。再比如说，在课程设计起初，关于测量值的显示问题，一开始我们误认为加在电路中的微电流表既可以测电流又可以测电压，这种误导让我们走了好多弯路，这也是我们没能够彻底了解电路工作原理就开始设计电路而犯下的错。但现在我们知道了，微电流源只是一个表头，只可以显示直流电流，再通过所显示的直流电流转化为待测量。这次课程设计也锻炼了我们多方面思维的能力，也然我学习了不少技术，了解了更多电子上基础的知识。课程设计过程中我们使用的是multisim软件，它是用来模拟实际电路的，我向我们以后还会用到它。这次课程设计，锻炼了我连贯运用知识的能力。参考文献1.清华大学电子学教研组编，童