简易模拟万用表.doc

电子技术课程设计技术任务报告万用表技术指标与方案论证（设计题题目）用集成运放设计万用表技术指标1直流电压表测量范围：（06V ）2直流电流表测量范围：（010mA） 3交流电压表测量范围及频率范围:有效值(0-6V)，50Hz1kHz4交流电流表测量范围及频率范围: 有效值(0-10mA) 5欧姆表测程：（01K）方案论证在测量中，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，万用表表头的可动线圈总有一定的电阻。例如100A的表头，其内阻约为1K，用它进行测量时将影响被测量量，引起误差。此外，交流电表中的整流二极管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。万用表的基本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，从而测出电路中的电流、电压和电阻。下面分别介绍。图22-1为同相端输入，高进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，将表头至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，就可以进行量程的切换。 表头电流I与被测电压Ui的关系为 应当指出：图22-1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。测直流电流原理图22-2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。 图22-2 直流电流表表头电流I与被测电流I1间关系为： 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。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22-3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至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：测交流电流原理如图22-4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I1AY决定，即如果被测电流i为正弦电流，即 则表头可按有效值来刻度。电流I全部流过桥路，其值仅与Ui/Ri有关，与桥路和表头参数无关。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。测电阻原理图22-5是多量程的欧姆表 图22-5 欧姆表在此电路中，运算放大器改用单电源供电，北侧电阻Rx跨在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压UREF。可见，电流I于被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变Ri值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当Rx=0是，电路改成电压跟随器，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。运放制作万用表的电路设计总图：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。直流电压的电路图：说明：5v为待测直流电压直流电流的电路图：说明：4mA为待测直流电流交流电压的电路图：说明：50mV为待测交流电压有效值交流电流的电路图：说明：4mA为待测交流电流峰值欧姆表电路图：说明：R6为待测电阻，S1可控制量程三 测试结果用万用表测量各种电流、电压、电阻的结果及其分析： 通过改变量程和被测量，测得数组结果，以下对结果进行定量分析。直流电压的测量结果及分析：测量电压绝对误差相对误差输入电压6V6.0025V0.0025V0.042%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%电阻R115V/60mA=0.25K电表选用量程0 60 mA直流电流的测量结果及分析：测量电压绝对误差相对误差输入电流4mA3.9992mA0.0008mA0.020%6mA5.9992mA0.0008mA0.013%8mA7.9992mA0.0008mA0.010%电阻R130V/60mA=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA交流电压的测量结果及分析：测量电压绝对误差相对误差输入电压1.04000.0400V4.00%22.2015V0.2015V2.01%44.0020V0.9980V3.20%电阻R15V/60mA=0.0833K电表选用量程0 60 mA交流电流的测量结果及分析：测量电压绝对误差相对误差输入电流44.235mA0.235mA5.875%66.357mA0.357mA5.950%88.475mA0.475mA5.935%电阻R130V/60mA=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA欧姆表测量结果及分析：测量电压绝对误差相对误差输入电阻300303.53.50.44%600601.81.80.31%900902.22.20.22%电阻R11KR22.9K电表选用量程0 1mA（忽略了Rm的影响）实验设备和主要元器件1、运算放大器HA177412、毫伏表 表头满偏电流1mA 内阻10003、一般电阻和12V直流电源4.二极管 IN40075.稳压管 2CW51参考文献1 清华大