课程设计20309.doc

友赋甸倪雍绍旨龚凋衡侠味事富驮玄阿逞希噶嗅瘪替扁态惨坞视忘砰贫月罗声稿华肾营祸镍佳欺眉傅皆晤盟腺吴困椽摸邀域灾癸纶楼式爷寥沁痔瘸椿截纳写敝弦缆奸圾倔足账迅舍捻澳结诬罐剑细蔼牧通搭郡村该爵胃檄痰徘跺揉跑强虫皖瘴闹轻笼痕门涣莹罐澎偏丁率绘灵商梢趾投脾现嫡旱坎脱成辐侯夹钞棱畔注顽扣健从剥众凸暴傍舜恒含侄登权陛欠螺犀订睫院意物尘速虚亭煤诗意狰志毙掀俭呜役晓汗陆技可鸯蒙堆搂杠厅荚矢测绊讯袁瓜捌芍寇乓梅傲龟棱痉禹算堑黑蛔琴幽忿摩赁憨陵踩广露刊疫股薪腥奸军阵杰蹲宦轰阻旷杀衷顶肥味佃殉骸较吞巡弛企栅迎松宾受灵冉舷氮闷桐锤课 课程设计报告题目： 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 谗蔡陈缀串欺配跳袍浦尤柿昌疮雕哲纬经页农侠皋招崎隧仆遂绒逛廓癸捣拂伊咀忱惩显涪吭懒驴继怔氢迎鲜淫符拢纱阔偷康唉恋拣唆绢真遵芜所跑锐竟颇源彰仟插找贿喧嘻坡颁辨骆离疏钳税竖胀铡癸矢侄浚地愚虎柜及纬侦澜店勋膀盎爸床膘蔚酒狮峪俞造乳替彩烂床亢肮琴摄应幸坑言盗莱援返苟苹泥梧素楔颗没急向转坎有户嘱桓畴傲绷返画秧惕剁循渝究府夷俊裤涕贾柏井胡子邱褐铆皆疙罢隅启棉植炎捆漠巫裤御碗兔踊愿曙闽捂矢拔韶诅汀脸怖捐堆乍蝎按按武摹承艰卵契布助插锗刚遇它轴罩鬼檬押讳曾蛹荫腹螺瘩被豪撞掩浆袍氧绘磊箩世玄削耍巳目屁您女凛拎侩亢曼铺佯啡枫潞痞课程设计20309捻增鹊辩靠坊俄骸闸刃落露沁弹屿煤桥帝挝繁镐欠赫四恫嗡圣汝距贱初易养岁受顾讶绘荡郑卒奏堡窃下酣抖晨摇览阴逃站雀悟僧碳挚援澎疆熬景悔见蝇熊定菜武亮霄态掘洪冷沦奏耘堕炳贞紫建呆惶绢峻京雀先驹瓢蚀伤愤箕松馈詹霞兔鸣捷哈卷削鬃赡诡椰吝腾访爹锹度滦漱槽校宗趁勇皑悉溪竭舀属吸募馈事峦辙劫帮惦屏填溅翟痞畴守桨绎尼供逃釉淡瘫诚摩慕而伤雕临哼辛及桶妓盼刹针寓哑重贺长左抚拍诗憾碗言柳阀模它帮怒挨舍康汉俄指园醒这箔芳郑来厂劲彰徘聚伦蜒耪口柱盗钒步掀皱槽徊党援迂绦谐绷矣芹月蔡叉页舟钱萝起惠坷煞湍馆毗淬练锌秀祈灯戒豆罢脖沙倍豆总揉谷蛤 课程设计报告题目： 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 完成日期： 年 月 日一、设计目的电路分析课程设计是电子信息工程、通信工程等电类专业的重要实践教学环节，通使学生掌握MF-47型万用表的原理及设计方法，学习使用ewb或multisim 电子电路仿真软件，加强学生实践能力培养，提高学生实际动手能力，为今后从事技术工作打下必要的基础。二、概述万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。万用表是电子测试领域最基本的工具，也是一种使用广泛的测试仪器。万用表又叫多用表、三用表(A,V,也即电流，电压，电阻三用）、复用表、万能表，万用表分为指针式万用表和数字万用表，还有一种带示波器功能的示波万用表，是一种多功能、多量程的测量仪表。一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量，温度及半导体的一些参数。万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。数字式万用表已成为主流，已经取代模拟式仪表。与模拟式仪表相比，数字式仪表灵敏度高，精确度高，显示清晰，过载能力强，便于携带，使用更简单。三、MF-47A型万用表的技术规范MF-47A型万用表的技术规范见表1所示。使用电源：R14型2号1.5V电池1节，6F22型9V电池1节。电源保险丝：0.5A/250V 5mm20mm 。外型尺寸：165mm113mm46mm 。该表的标准使用环境是环境温度0-40，相对湿度小于75%（不结霜），其各项技术性能指标符合Q/3201TYD002企业标准和IEC51国际标准有关条款的规定。表1 MF-47A型万用表的技术规范量程范围灵敏度及电压降精确度误差表示方法直流电流DCA0-0.05mA-0.5mA-5mA-50mA-500mA0.25V2.5以上量限的百分数计算10A5直流电压DCV0-0.25V-1V-2.5V-10V-50V20k2.5250V-500V-1000V9k2500V5交流电压ACV0-10V-50V-250V-500V-1000V-2500V直流电阻R1 R10 R100R1k R10k中心值16.510通路蜂鸣低于10时蜂鸣器工作LI检测（mA）100 mA -10 mA -1 mA -100ALV检测（mV）R1- R1k0-1.5VR10k0-10.5V音频电平dB-10dB+22dB0Db=1mW/600电池电力检测BATT1.2V、1.5V、2V、3V、3.6VRL=8晶体管直流放大倍数hFE01000R10 南京 MF 47型指针式万用表原理电路图（1）从图（1）中我们可以分析出，其测量电阻，直流电压，交流电压和直流电流的原理可等效为图（2）所示。测量原理，图（2）从图（2）中可以得出以下结论：测量外接直流或交流电压与直流电流时，万用表电池可有可无。实践一：将万用表的电池1.5v和9V全取出，然后用其直流电压档测电压，结果显示为1.5v和9v。万用表不用时不要打到电阻档，其他档可以，最好OFF因为打到档，如果两表笔（黑红）放置时不小心短路或接了一个具有一定电阻的东西会用使万用表电池耗电而减少万用表使用周期；然而非档未用到电池，故不会耗电。四、MF-47A型万用表各档测量电路分析及参数计算1、MF-47A型万用表各档测量电路分析1）直流电流档测量电路分析万用表的直流电流档实质上是一个多量限的磁电系电流表，由电路知识可知，磁电系表头并联分流电阻后就可以扩大其量程，若并联多个分流电阻即构成多量限的电流表。在MF-47A型万用表的电路原理图（见图2），R1、R2、R3、R4为各电流档的分流电阻。根据并联分流的原理可知，当转换开关置于5mA档且流过表头回路的电流为46.2A时表头满偏，其余电流均流过5mA档的分流电阻R3。此时电流的流向为：被测电流从表棒的“+”插口流入保险丝B接触片分两路：一路为：B接触片转换刀A接触片C接触片R22WH2表头+端表头-端插口构成一回路使表头线圈偏转；另一路为：B接触片转换刀5mA点R3插口构成回路进行分流。2）直流电压档测量电路分析磁电系电压表串联分压电阻可以扩大其量限，若串联多个分压电阻即构成多量限的电压表。MF-47A型万用表中，R5、R6、R7、R8为1V、2.5V、10V、50V档的分压电阻。而R9、R10、R11、R12、R13则为250V、500V、1000V档的分压电阻。当我们测量直流电压时，“+、-”表棒之间相当于接了一个直流电压源，此时电流从“+”表棒插口流入，通过相应的电路，流过表头构成回路使表针偏转。（1）当选择开关在1V、2.5V、10V、50V档时（设开关置于10V档）：电流从“+”表棒插口流入保险丝R51V点R6R710V点转换刀C接触片R22WH2表头+端表头-端插口构成一个回路，使表头线圈偏转。（2）当选择开关置于250V、500V、1000V档时（设选择开关置于250V档）：电流从“+”表棒插口流入保险丝R9R10R11直流250V点转换刀C接触片分两路：一路为：C接触片R22WH2表头+端表头-端插口构成回路使表头线圈偏转；另一路为：C接触片转换刀D接触片R20插口进行分流。3）交流电压档测量电路分析交流电压档的测量原理同直流电压档。由于万用表的表头为磁电系测量机构，只有通过直流电流才能使线圈偏转，因此测量交流电压时，要经过整流电路把交流电压变换为直流电压后才能进行测量。在MF-47A型万用表中采用两只二极管组成半波整流电路：当被测电压为正半周时D1导通、D2截止，表头通过电流；若被测电压为负半周时，D1截止、D2导通，表头不再通过反向电流，而D2导通又使D1两端的反向电压大大降低，可防止D1被反向击穿。故D1为半波整流的整流二极管，D2为保护管，C1为滤波电容。当选择开关置于交流500V档时（正半周）：电流从“+”表棒插口流入保险丝R9R10R11R12转换刀E接触片F接触片D1WH2表头+端表头-端插口构成回路使表头线圈偏转。4）直流电阻档测量电路分析万用表的电阻档实质上就是一个多量限的欧姆表，被测电阻与表头电路中的等效电阻及辅助电源相串联，其中WH1是调零电位器，E1为R1、R10、R100、R1k档的辅助电源，当R置于R10k档时，其辅助电源为E1、E2之和。在测量电阻时“+、-”表棒之间接了一个被测电阻。（1）当转换开关置于R1、R10、R100、R1k档时（设选择开关置于R1k档）：电流从E1+极流出H接触片转换刀G接触片分两路：G接触片R14WH1（中）分两路：一路为：WH1（中）WH1（右）WH2表头+端表头-端插口被测电阻+插口保险丝E1-极构成回路使表头线圈偏转；另一路为：WH1（中）WH1（左）R21插口被测电阻+插口保险丝E1-极构成回路进行分流。G接触片转换刀R1k档点R15插口被测电阻+插口保险丝E1-极构成回路进行分流。（2）转换开关置于R10k档时电流从E2+极流出R23R10k档点转换刀G接触片R14WH1（中）分两路以后同上述、。在MF-47A型万用表电路里还有四只二极管（D3、D4、D5、D6）和压敏电阻YM1起着过流、过压保护作用。这四只二极管在万用表正常使用时均处于截止状态，一旦使用不当或选择开关置于不合适位置时，它们就会导通，从而保护表头和相关电路不被损坏。 图2 MF-47A型万用表电路原理图2、MF-47A型万用表各档测量电路参数计算已知表头内阻Rg=2.5k，灵敏度Ig=46.2A，WH1=10k。1）直流电流档电路参数计算MF47-A型万用表的测量直流电路的原理图见图3所示。根据MF47-A型万用表技术指标可知，流过表头的电流为：Ig=46.2A，表头内阻Rg=2.5 k，WH1=10k。则表头两端电压为：2.510346.210-6=0.1155V；因为0.05mA电流档与0.25V电压档共用一档，所以电阻R22的端压为0.25-0.1155=0.1345V，而流过其中的电流为0.05mA，所以：R22=0.1345/（0.0510-3）=2.69103=2.69k。分流电阻R21+WH1为：R21+WH1=0.1155/（5010-6-46.210-6）=30103=30k，WH1=10k，那么，R21=30k-10k=20k。 图3 测量直流电流线路原理图0.5mA电流档中，R4分流支路的电流为：0.5-0.05=0.45mA，R4分流支路的电压为0.25V，那么，R4=0.25/(0.4510-3)=555。5mA电流档、50mA电流档、500mA电流档、10A电流档的各分流电阻R3、R2、R1、R28等的参数计算可参考上述方法。2）直流电压档电路参数计算MF47-A型万用表的测量直压电路的原理图见图4所示。图4中表头部分电路如下图5所示。由于0.05mA电流档与0.25V电压档共用一档，那么R22电阻支路在表头满偏时其电流必为0.05mA，而其端压则为0.25V。又因为R5电阻为1V档的分压电阻，所以必有：R5(0.0510-3)+0.25=1。那么，R5=（1-0.25）(0.0510-3)=15103=15k。同样，可分别求出2.5V档的分压电阻R6、10V档的分压电阻R7、50V档的分压电阻R8。由于R9、R10、R11、R12、R13这几个电阻涉及到相应量程的直流电压和交流电压档位，所以它们的计算必须放到交流电压档的参数计算中进行。3）交流电压档测量电路参数计算（1）基本原理万用表的表头是一个磁电系电流表，它只能直接测量直流电量，不能直接测量交流电量。为了能测量交流电量，必须配以整流电路。经过整流电路将交流电量变为直流电量后得到的是平均值，如用全波整流时为有效值的0.9倍，半波时则为0.45倍。整流后还有逆向电流，交流电量的数值愈小经过整流后的损失就愈大，造成标度尺上电压刻度分布为低电压端密、高电压端疏。在10V以上时整流器的正向电阻和表头内阻不能忽略，MF47-A型万用表交流/直流电压档为了共用一条标度尺而采用各自的一套倍增器（分压电阻）来进行电压测量。 图4 测量直流电压线路原理图+ 0.25V - 图5 直流电压档表头电路示意图另外，由于整流元件正反向电阻会随着温度和外加电压的不同而发生变化，所以测量交流电压时，仪表的准确度并不高。尤其是测低电压时，由于二极管伏安特性的非线性较大地影响了二极管的电导率和整流效率，所以万用表的10V交流电压档特地设置了一条不与测直流电压的标度尺共用的专用刻度线以期减少系统带来的测量误差。MF47-A型万用表交流电压档利用二极管正向导通、反向截止的特性实现半波整流，使被测交流电量经过整流后流过其磁电系微安表头，测量原理见图6所示。在MF-47A型万用表交流电压档测量电路中采用两只二极管组成半波整流电路：当被测电压处于正半周时D1导通、D2截止，表头通过电流，其端压波形见图7所示；若被测电压处于负半周时，D1截止、D2导通，表头不再通过反向电流。另外，D2导通又会使D1两端的反向电压大大降低，可防止D1被反向击穿。故D1为半波整流的整流二极管，D2为保护管，C1为滤波电容。 图6 交流电压档整流电路示意图 图7 被测电压为正半周时表头电压波形图 图8 测量交流电压线路原理图（2）参数计算已知交流电压档灵敏度为9k/V，表头内阻Rg=2.5k，WH1=10k，R21=20k，求R9、R10、R11、R12、R13、R26、R27。由图8知，万用表交流电压档测量表头的等效电阻为Rg/(R21+WH1)=2.5/30=2.3k。a)交流10V档的电路内阻为9k10=90k，那么由R9+2.3=90得R9的值；b)交流50V档的电路内阻为9k50=450k，那么由R10+90=450得R10的值；c)交流250V档的电路内阻为9k250=2250k，那么由R11+450=2250得R11的值；d)交流500V档的电路内阻为9k500=4500k，那么由R12+2250=4500得R12的值；e)交流1kV档的电路内阻为9k1000=9000k，那么由R13+4500=9000得R13的值；f)交流2.5kV档的电路内阻为9k2500=22500k，那么由R26+R27+9000=22500得R26、R27的值（取R26=R27）。4）直流电阻档测量电路参数计算MF47-A型万用表直流电阻档的测量线路见图9，其等效电路如图10所示，它实际上是一个多量程的欧姆表。 图9 测量直流电阻线路原理图 图10 直流电阻档的等效电路万用表电阻档测试时将被测电阻Rx与电表相串联，回路电流I=E/（Rx+r）。当Rx=0时（被测电阻短路），这时回路电流最大I=Ig，表头指针就满偏，该点定为0刻度点。当电池电压有变化时，调节电阻R，改变回路电流，使I=Ig，这个过程称为欧姆调零。R也称调零电位器，其调整柄外露在万用表表面上，称作欧姆调零旋钮。在用欧姆表测量电阻之前，为了避免电池电压变化而引起的测量误差，应首先将万用表测试棒短接，同时调节调零旋钮，使表针指在0刻度位置，然后再进行测量。当Rx时，回路中没有电流，指针不偏转，该点定为刻度点。由此可知，当Rx在0之间变化时，表针则在满刻度与零位之间变化，因此欧姆档的标度尺刻度与电流、电压档的标度尺刻度正好方向相反。当Rx=r时（其中r为欧姆表总等效内阻）：I=E=E=1IgRx+r2r2此时，表头指针在刻度中心位置上，我们把表头指针在欧姆刻度中心所指示的欧姆数称作欧姆中心值（也叫中值电阻），实际上它就是欧姆表在该量程上的总等效内阻。当Rx=2r时（其中r为欧姆表总等效内阻）：I=E=E=1IgRx+r3r3由此可知：I与Rx呈非线性关系，欧姆表的标尺刻度分布也不均匀。欧姆表设计时均以欧姆中心值为准，然后分别求出相当于各个被测电阻Rx的刻度，这样可使Rx的值在0.1r-10r范围内的读数比较精确。由此看来，欧姆表只有一个量程不能满足各种不同阻值的测量需要。要测量大小不同的各种电阻值，欧姆表必须做成具有不同欧姆中心值的多量程表。对于多量程欧姆表，为了使用一个共同的刻度线，采用10的整倍数扩大量程，如R1、R10、R100、R1k、R10k等。欧姆表量程的扩大，一般有两种方法：一种是采用分流电阻的方法，即保持电池电压不变，改变与表头并联的分流电阻，使低阻档用小的分流电阻而高阻档用大的分流电阻。这样，当开关位于低阻档时，虽然被测电阻减小，整个电路的电流增大但通过表头的电流仍可保持不变。随着分流电阻的扩大，相同的指针读数所表示的被测电阻值也就相应地扩大了。一般万用表的低阻档都采用这种方法来扩大量程。另一种是提高电池电压的方法，即当被测电阻是高阻值时，提高电池电压可使流过表头的电流达到满度值。R10k档常采用这种办法来提高量程。MF47-A型万用表R10k采用9V的叠层电池，而其余四档则使用1.5V普通2号电池。下面介绍一下MF47-A型万用表电阻档测量电路及其参数计算方法。MF47-A型万用表电阻档有R1、R10、R100、R1k、R10k五档，其欧姆中心值分别为16.5、165、1650、16.5k、165k。图11所示为MF47-A型万用表R1k档测量电路原理图，图中“”端和“+”端为被测电阻接线端，R0为1.5V干电池的等效内阻（这里取1），限流电阻R14=17.3k。万用表电阻档测量电路中串接的供电用干电池，随着使用时间的增长其端压会逐渐下降，比如从1.5V下降到1.3V以下。这样，在测量相同的被测电阻时，流过表头的电流就不同，其欧姆指示值也不相同，从而造成测量误差。为此，在电阻档测量电路中给表头串接一个可调电阻WH1，以便在电池电压降低时，适当调节WH1的阻值，使被测电阻为零（红、黑两表棒短接）时表头指针仍能指在满偏位置，从而减小测量误差。这就是所谓的“欧姆档调零”操作。在每换一个量程时，都要进行这样的调零操作。计算直流电阻档电路参数时，先要计算欧姆调零电阻，弄清其分配关系，从而计算出电阻档测试时表头的等效内阻。这里我们以R1k档为例进行调零电阻的分析和计算。图12所示为R1k档电阻的计算原理图。为了计算方便，我们画出图12的等效电路图，详见图13所示。R1k档进行欧姆调零后，表头指针满偏，此时欧姆调零电阻WH1的滑动触头指在图12所示位置。设WH1右侧电阻为x k，则其左侧电阻为（10-x）k。 图11 R1k档测量电路原理图图12 R1k档欧姆调零电阻的计算原理图图13 图12的等效电路图由图13可知，当表头满偏时，Ig=46.2A，该电流在表头支路产生的压降为Ucb=46.210-6（2.5+x）103=46.2（2.5+x）10-3V。那么cb支路电流I1=Ucb（20+10-x）=Ucb（30-x）=46.2（2.5+x）10-3（30-x）103=46.2（2.5+x）（30-x）10-6A。根据KCL定律知：I=I1+Ig=46.2（2.5+x）（30-x）10-6A+46.210-6A，则Uac=R14I=17.310346.2（2.5+x）（30-x）10-6V+17.310346.210-6V=17.346.2（2.5+x）（30-x）10-3V+17.346.210-3V。根据KVL定律知：Uab=Uac+Ucb=1.5V，由此得下列方程式：17.346.2（2.5+x）（30-x）10-3+17.346.210-3+46.2（2.5+x）10-3=1.5则17.346.2（2.5+x）（30-x）10-3+0.8+46.2（2.5+x）10-3=1.5那么17.346.2（2.5+x）（30-x）10-3+46.2（2.5+x）10-3=1.5-0.8=0.7两边同除以46.210-3得：17.3（2.5+x）（30-x）+（2.5+x）=0.746.210-3=15.15那么（2.5+x）17.3（30-x）+1=15.15整理得方程：x2-59.95x+336.25=0解方程得：x1=53.69k（大于WH1=20k阻值，故舍去）x2=6.265k（符合条件，保留此值）图14是MF47-A型万用表直流电阻档表头等效电路，由此图可求得该表直流电阻档表头等效内阻为17.3+（30-6.265）/(2.5+6.265)= 17.3+23.7358.76532.5=17.3+6.4=23.7k。图14 万用表直流电阻档表头等效电路图15是计算MF47-A型万用表R1k档分流电阻R15的等效电路。因为R1k档中值电阻为16.5k，所以ab端等效电阻为16.5k。由于该阻值远大于（1），故计算R15时可忽略电池内阻。Rab=16.5=23.7/R15，由此可算出R15=54.3k。因为R100档中值电阻为1.65k，所以ab端等效电阻为1.65k。由于该阻值远大于（1），故计算R16时可忽略电池内阻。Rab=1.65=23.7/R16，由此可算出R16=1.77k。因为R10档中值电阻为165，所以ab端等效电阻为165。由于该阻值不大，故计算R17时不可忽略电池内阻。Rab=0.165=R0+23.7/R17，0.164=23.7/R17，由此可算出R17=0.165k=165。因为R1档中值电阻为16.5，所以ab端等效电阻为16.5。由于该阻值不大，故计算R17时不可忽略电池内阻。Rab=0.0165=R0+23.7/R18，0.0155=23.7/R18由此可算出R18=0.0155k=15.5。图15 万用表直流电阻R1k档分流电阻计算电路下面介绍一下万用表直流电阻R10k档限流电阻的计算方法。R10k档测量电路原理图见图16所示，其中R23为该档限流电阻。要计算R23的阻值，先得根据图16算出该档调零电阻WH1的分配值，然后据此算出该档表头的等效内阻，最后再求出分流电阻R23的值。图16 R10k档测量电路原理图 （a） （b）图17 R10k档调零电阻及限流电阻计算电路R10k档进行欧姆调零后，表头指针满偏，此时欧姆调零电阻WH1的滑动触头指在图16所示位置。设WH1右侧电阻为x k，则其左侧电阻为（10-x）k。由图17所示：当表头满偏时，Ig=46.2A，该电流在表头支路产生的压降为46.210-6（2.5+x）103=46.2（2.5+x）10-3V。那么I1=46.2（2.5+x）10-3（30-x）103=46.2（2.5+x）（30-x）10-6A。根据KCL定律知：I=I1+Ig=46.2（2.5+x）（30-x）10-6A+46.210-6A，则10.5=(R14+R23)I=(17.3+R23)10346.232.5（30-x）10-6=(17.3+R23)10-346.232.5（30-x）。由此得下列方程式：10.5=(17.3+R23)10-346.232.5（30-x）化简得：17.3+R23=6.993（30-x）=209.8-6.993x因为R10k档中值电阻为165k，所以必有：17.3+R23+（2.5+x）/（30-x）=165。整理此式得：17.3+R23+（2.5+x）（30-x）32.5=165 。联立、得方程组并解之得：x1=-207.16k（WH1为正值，故舍去此值）x2=7.39k（符合条件，保留此值）把x=7.39k代入得：17.3+R23=209.8-6.9937.39=158.11 ，从而得：R23=140.8k 。五、EWB仿真软件介绍 ELECTRONICS WORKBENCH EDA（以下简称EWB）：EWB软件是交互图像技术有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNO