基于集成运算放大器的万用表设计

1、课程设计报省课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目:基于集成运算放大器的万用至设计初始条件:可选元件：运放可选用LM353 OP07等，表头可选用动圈式表头（例如100p A的表头，其 内阻约为1KQ ）,或者选用3 1/2数字表头：自制直流电源：自备元器件，如： 电阻、电位器、电容若干。可用仪器：示波器，信号源，亳伏表，万用表要求完成的主要任务：（1 ）设计任务根据已如条件，完成基于集成运放万用电表的设计、装配与调试。（2）设计要求 肖流电压表满最程+6V直流电流表满量程10mA交流电压表满量程6V, 50Hz-lKHz交流电流表满量程10mA欧姆表满量程分别

2、为1KQ , 10KQ , 100KQ 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：1、2012年11月14 口分班集中，布置课程设汁任务、选题：讲解课设具体实施计划与课 程设计报告格式的要求；课设答疑班项。2、2012年11月14 口至2013年1月20 口完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程 设计报告撰写。3、2013年1月25 口提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日课程设

3、计报行课程设计报省目录摘要41觥52.1设计的目的及主要任务52.1.1设计的目的52.1.2设计任务及主要技术指标52.2设计思想63设计原理63.1运算瑟器的工作原理63. 2万用表工作原理及参考电路73. 2.1直流电压表73. 2. 2直流电流表83.2.3交流电压表83. 2.4交流电流表93.2.5欧姆表104总电路设计115硬件砒116 137參考文献1413课程设计报省摘要本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在査阅大星参考资料的前提下, 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,总结出了直

4、流 电压、电流表，交流电压、电流表，以及欧姆表的电路图，最后进行实物的装配 与调试。关键词：运算放大器；万用表：小信号放大。课程设计报告1绪论万用电表简称万用表。它是一种多量程和多电量的测量仪表，一般情况以测 量电流、电压和电阻为主要目标，所以习惯叫三用表。普通的模拟电表，常以电 磁式电流表（乂称表头）作为指示器，它具有灵敏度高、准确度高、刻度线性以 及受外磁场和温度影响小等优点，但其性能还不能达到较为理想的程度。在某些 测量电路中，要求电压表有很高的内阻，而电流表的内阻却很低。将集成运算放 大器与电磁式电流表结合，可构成性能优良的电子测量仪表。此外，通过万用表 的组装，能够进一步熟悉万用表的

5、结构、匸作原理和使用方法，了解电路理论的 实际应用，常握仪表的装配和调试工艺，提高实际操作技能。2设计内容及要求2.1设计的目的及主要任务2丄1设计的目的 了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分： 第握用运算放大器组成万用表的设计方法： 举握万用表的主要技术指标和调试方法。2.1.2设计任务及主要技术指标直流电压表满量程PV直流电流表满最程10mA交流电压表满臺程6V, 50HzlKHz交流电流表满量程10111A欧姆表满最程分别为1KQ , 10KQ , 100KQ选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、 并画出总体电路原理图，阐述基本原理。课程设计报存2.2设

6、计思想主要是用运算放大器构成各种简单仪表电路（包括直流电压表电路、直流电 流表电路、交流电压表电路、交流电流表电路、欧姆表电路），然后通过仿真软 件分别对各个独立的电路进行仿真，接着就是用食物对各个独立的电路进行调试, 确认无误后画出整体电路图，最后进行整体电路的焊接与调试。3设计原理3.1运算放大器的工作原理运算放大器具有两个输入端和一个输岀端，如图31所示，其中标有“+” 号的输入端为“同相输入端”，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”， 如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极 性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入运算

7、放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图3-2所示。运算放大器有如下两个特点： 输入端电压趋于零，可做“虚短”、“虚地”处理。 输入端子电流趋于零，可做“虚断”处理。本次设计涉及到两种运放：uA741, LM324。课程设计报存OFFSET N1IN-IN +VCC-182 73 64 5NCVCC*OUTOFFSET N2单运放uA741四运放LM3213. 2万用表工作原理及参考电路在测量中，电压表或者电流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IOOjjA的表头，其

8、内阻约为1KQ .用它 进行测量时将影响到被测量，从而引起误差。比外，交流表中的整流二极管的压 降和非线性特性也会产生谋差。如果在万用表中使用运算放大器，就能大大降低 这些误差，提高测最精度。在欧姆表中采用运算放大器，不仅能得到线性刻度, 还能实现口动调零。3.2.1直流电压表图1为同相端输入，高精度直流电床表电原理图。图1 II流电压表表头电流I与被测电压诃关系为：1 =器釜讪课程设计报省3.2.2直流电流表图2是浮地直流电流表的电原理图。在电流测量中，浮地电流的测星是普遍 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

9、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I】间关系为：一IR= (Ii-I) R2/J = (l + 2k)I =(1+)*10mA=20inAR, 1 MQ可见，改变电阻比(&/艮)，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。十/X7k11P1Rm/A1R2112V、J1J：UA74111图2直流电流表3. 2. 3交流电压表运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电床表如图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

10、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U,的关系为1 =匕*0.9R1课程设计报告图3交流电压表电流I全部流过桥路，其值仅与U, / &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山的全波整流平均值成 正比，若u,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。3.2.4交流电流表图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1讪 决定,即1 = (1 +I価如果被测电流I】为正弦电流，即I = 5/5l】sinU)t,则上式可写为课程设计报省I = 0

11、.9(1 +Ix=0. 9*2*1 OmA=18mA则需在表头两端并联电阻分流。3.2.5欧姆表VCC图5欧姆表在此电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻&跨接在运算放大器 的反馈回路中，同相端加基准电压Up。TIi=IxUp f/o-Up（i f Rlz、=即 Rx=（Uo-Up）R1 RxUp流经表头的电流I二咛Rm由上两式消去（U。-Up）可得I二牆可见，电流I与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变&值，可 改变欧姆表的量程。这种欧姆表能门动调零，当&=0时，电路变成电压跟随器,u。二Up,故表头电流为零，从而实现了自动调零。二极管D （1N4148）起

12、保护电表的作用，如果没有D,当&超量程时，特别是当Rx-8,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。调整珞，可实现满量程调节。课程设计报存4总电路设计下图为设计的总的电路图:0说明：1mA表头的+、-极通过杜邦线与电路图中对应的+、-相连，起到了开 关的作用。 卄表示待测源的正极，待测源的负极一般接地。 图中左上角为直流电压表，左下角为直流电流表，右上角为交流电压 电流表，右下角为欧姆表。5硬件调试由于电阻,表头都不是十分精确，所以在电路图焊接中将不分电阻改为滑动变阻器， 便丁调整。还有电流表电路中表头两端并联了滑动变阻器分流（如总电路图所

13、示）。 经测试各个表基本能实现各门的功能，即电压表能测量6V以内的电压，电流表能测 量10mA的电流，欧姆表能实现lk、10k、100k三个档位的切换。以下为测试数据：课程设计报告测试数据表格直流电压(V)直流电流(mA)交流电压(V)交流电流(mA)电阻(Q )输入值63110536311053550500显1.0.0.1.00.0.1.0.0.1.00.0.0.00.5示 值 (m A)004916049290048160482849500测6.2.0.10.4.2.6.2.0.10.4.2.4.50.500值0091960090900088960080809000.00课程设计报行6心得

14、体会不管怎样模电课程设计终于要在此告一段落了，这期间的感触颇多，收获也不少。 还记得刚开始选题时的兴高采烈,面对失败的迷惘沮丧，以及初尝胜果时的信心重回, 不得不承认整个过程波澜起伏。就“基于集成运算放大器的万用表设计”这个选题而言，据我所知我们电子专业 只有我和另一名同学选取，所以商量讨论的人不多。其次这个选题在网络上的资料也 相当少，也就发现了一套参考资料，所以从一开始设计就举步维艰。然后这也是第一 次做这样设计能力与动手能力都要求较高的课程设计，对很多过程都没有经验，也 导致出现了很多失败。比如，过分依赖仿真软件，忽略了理论与实际的差距，在调 和各电路的仿真后，就埋头设计总电路，再紧接着

15、焊接，焊接过程也没有注意分块 调试，一股脑的焊接完成后却发现没有一个表能正常工作，又重新检查电路图，检 查焊接电路，最终因为设计的总电路设计太复杂，也没有检测出问题，接着就是苦 恼迷惘。好在硬件査收的时候受到了老师的指点与鼓励，乂重新开始从头做起。重 新开始我吸取了上一次的经验，在元器件选择方面用LM324替代了 uA741,将表头单 独隔开作为开关使用，这样大大简化了总电路冬：在焊接方面也注意了分块调试。 最终实现了万用表的基本功能。通过这次课程设计让我懂得了理论与实际操作之间的差距，也让我体会到了模 电理论知识的使用性,发现了自身知识的不足，积累了课程设计的经验。最后对指导 老师在设计过程中的辅导表示由衷的感谢。18课程设计报省7参考文献1 杨柳，陈映芳.