简易模拟万用表.doc

2011 2012 学年 第 2 学期 简易模拟万用表课 程 设 计 报 告题 目： 由运放设计万用表 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 10级电气工程及其自动化1班 姓 名： 葛家伟 汪涛 吕张建 陈庆恭 刘慈航 黄恋恋 孟祥坤 胡文亚 单晓明 指导教师： 江春红 1、任务书课题名称简易模拟万用表指导教师（职称） 执行时间2011 2012 学年第 2学期 第 10 周学生姓名学号承担任务单晓明1009141017设计直流电压表葛家伟1009141023设计直流电流表吕张建1009141061设计交流电压表黄恋恋1009141033设计交流电流表刘慈航1009141051设计欧姆表陈庆恭、胡文亚、汪涛100914100710091410291009141087 对所设计的各个电表进行仿真并测出数据孟祥坤1009141065画出总电路图、整理计算数据并负责相关打印设计目的1、 通过对集成万用表的设计，了解由集成、运放组成的测电压，电流等电路，学会在实际电路中应用。2、进一步熟悉集成运放的线性应用设计要求1直流电压表测量范围：（015V 5% ；2直流电流表测量范围：（010mA） 5%；3交流电压表测量范围及频率范围:有效值(0-5V) 5% ，50Hz1kHz；4交流电流表测量范围及频率范围: 有效值(0-10mA) 5% ； 5欧姆表测程：（01000）5% 。摘要万用电表简称万用表或三用表，在国家标准中称作复用表。万用电表实际上是一种可以进行多种项目测量的便携式仪器，主要用于测量电压、电流、电阻。另外可粗略判断电容器、晶体三极管及二极管、集成电路等元器件的性能好坏。在测量中，万用电表的接入因不影响被测电路原来的工作状态，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100uA的表头，其内阻约为1 K ，用它进行测量时将会影响被测量，会引起误差。此外，交流电表中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。运算放大器电路性能的优劣直接影响到万用表的性能。本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构、原理的基础上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较,总结出各种电路方案的特点,为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。目录一 题目要求与方案论证51.1（设计题题目）用运算放大器设计万用表51.1.1题目要求51.1.2 方案论证51.2课程设计目的5二 电子线路设计与实现62.1万用表工作原理62.1.1万用表的基本原理62.1.2测直流电压原理62.1.3测直流电流原理72.1.4测交流电压原理72.1.5测交流电流原理82.1.6测电阻原理92.2运放制作万用表的电路设计112.2.1总图：112.2.2直流电压的电路图：122.2.3直流电流的电路图：122.2.4交流电压的电路图：132.2.5交流电流的电路图：132.2.6欧姆表电路图：14三 结果与分析153.1 用万用表测量各种电流、电压、电阻的结果及其分析：153.1.1直流电压的测量结果及分析：153.1.2直流电流的测量结果及分析：153.1.3交流电压的测量结果及分析：153.1.4交流电流的测量结果及分析：163.1.5欧姆表测量结果及分析：16四 附录错误！未定义书签。参考文献18一 题目要求与方案论证1.1（设计题题目）用运算放大器设计万用表1.1.1题目要求二、设计内容及要求1直流电压表测量范围：（015V ） 5% ；2直流电流表测量范围：（010mA） 5%；3交流电压表测量范围及频率范围:有效值(0-5V) 5% ，50Hz1kHz；4交流电流表测量范围及频率范围: 有效值(0-10mA) 5% ； 5欧姆表测程：（01000）5% 。1.1.2 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。1.2课程设计目的1. 通过对集成万用表的设计，了解由集成、运放组成的测电压，电流等电路，学会在实际电路中应用。1 进一步熟悉集成运放的线性应用。二 电子线路设计与实现2.1万用表工作原理2.1.1万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。2.1.2测直流电压原理图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。2.1.3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。2.1.4测交流电压原理由运算放大器、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：2.1.5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。2.1.6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。2.2运放制作万用表的电路设计2.2.1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。2.2.2直流电压的电路图：说明：5v为待测直流电压2.2.3直流电流的电路图：说明：4mA为待测直流电流2.2.4交流电压的电路图：说明：50mV为待测交流电压有效值2.2.5交流电流的电路图：说明：4mA为待测交流电流峰值2.2.6欧姆表电路图：说明：R6为待测电阻，S1可控制量程三 结果与分析3.1 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。3.1.1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 mA3.1.2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 mA3.1.3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 mA3.1.4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 mA3.1.5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）四 附录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注意事项 1.在连接电源时，正、负电源连接点上均接大容量的滤波电容器和0.01F0