用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬用表(論文)

.10/10用運(yùn)算放大器組成萬用表摘要2一引言41.1萬用表的結(jié)構(gòu)41.2萬用表的幾個(gè)重要參數(shù)41.3萬用表特性說明5二目的與意義62.1目的與意義62.2設(shè)計(jì)要求6三基本原理63.1運(yùn)算放大器的工作原理63.2運(yùn)算放大器調(diào)零電路原理83.3萬用表工作原理及參考電路8直流電壓表9直流電流表93.3.3交流電壓表103.3.4交流電流表113.3.5歐姆表11四電壓表的電路設(shè)計(jì)124.1總電路圖134.2直流電流的測量結(jié)果及其電路圖〔A=1,B=0：134.3交流電流的測量結(jié)果及其電路圖〔A=0,B=0：144.4直流電壓的測量結(jié)果及其電路圖〔A=1,B=1：154.5交流電壓的測量結(jié)果及其電路圖〔A=0,B=1：154.6歐姆表調(diào)試記錄：164.7以下是獨(dú)立的幾個(gè)圖,分別是交流電壓圖、直流電壓圖、直流電流圖和交流電流圖17五注意事項(xiàng)17六心得體會(huì)18萬用電表簡稱萬用表或三用表,在國家標(biāo)準(zhǔn)中稱作復(fù)用表。萬用電表實(shí)際上是一種可以進(jìn)行多種項(xiàng)目測量的便攜式儀器,主要用于測量電壓、電流、電阻。另外可粗略判斷電容器、晶體三極管及二極管、集成電路等元器件的性能好壞。在測量中,萬用電表的接入因不影響被測電路原來的工作狀態(tài),這就要求電壓表應(yīng)具有無窮大的輸入電阻,電流表的內(nèi)阻應(yīng)為零。但實(shí)際上,萬用電表表頭的可動(dòng)線圈總有一定的電阻,例如100uA的表頭,其內(nèi)阻約為1K,用它進(jìn)行測量時(shí)將會(huì)影響被測量,會(huì)引起誤差。此外,交流電表中整流二極管的壓降和非線性特性也會(huì)產(chǎn)生誤差。如果在萬用電表中使用運(yùn)算放大器,就能大大降低這些誤差,提高測量精度。在歐姆表中采用運(yùn)算放大器,不僅能得到線性刻度,還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。運(yùn)算放大器電路性能的優(yōu)劣直接影響到萬用表的性能。本文從運(yùn)算放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā),在闡述運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上,用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)萬用表的電路設(shè)計(jì)。通過仿真與實(shí)際電路性能指標(biāo)的測試、分析、比較,總結(jié)出各種電路方案的特點(diǎn),為電路設(shè)計(jì)初學(xué)者提供一定的參考借鑒。關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；萬用表；小信號放大。萬用電表簡稱萬用表。它是一種多量程和多電量的測量儀表,一般情況以測量電流、電壓和電阻為主要目標(biāo),所以習(xí)慣叫三用表。此外又派生了電容、電感、功率、電平、晶體管靜態(tài)電流放大系數(shù)等測量項(xiàng)目。

通過萬用表的組裝,能夠進(jìn)一步熟悉萬用表的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法,了解電路理論的實(shí)際應(yīng)用,掌握儀表的裝配和調(diào)試工藝,提高實(shí)際操作技能。雖然萬用表的型號很多,但其測量原理和測量線路大致相同,其結(jié)構(gòu)也基本相同。我們以500型萬用表為例,具體介紹萬用表的結(jié)構(gòu)、測量線路及裝配等有關(guān)知識。1.1萬用表的結(jié)構(gòu)萬用表的結(jié)構(gòu)組成主要分為三個(gè)部分。1．指示部分〔表頭

指示部分由磁電系直流微安表組成,表頭刻度盤有多種量程刻度。表頭是萬用表的關(guān)鍵部分,許多的重要性能〔如靈敏度、準(zhǔn)確度等級等都取決于表頭的參數(shù)。其主要作用是通過表頭刻度及指針指示出被測電量的大小。500型萬用表的表頭滿偏電流為40uA,表頭內(nèi)阻為2.5。2．測量電路測量電路由分壓電阻、分流電阻、整流裝置等組成。其主要作用是將被測電量轉(zhuǎn)換成適合表頭指示用的電量。3．轉(zhuǎn)換裝置由轉(zhuǎn)換開關(guān)、旋鈕、插孔等組成。其主要作用是把萬用表的電路轉(zhuǎn)換為所選的測量種類和合適的量程,來接通不同的測量線路。1.2萬用表的幾個(gè)重要參數(shù)1、準(zhǔn)確度萬用表示值與被測量真值的一致程度稱為萬用表的準(zhǔn)確度。它反映了測量結(jié)果的基本誤差大小。同一塊萬用表,不同功能檔的準(zhǔn)確度也不盡相同。2、表頭靈敏度萬用表所用表頭的滿量程值稱為表頭靈敏度。一般為9.2-200UA。值越小,靈敏度越高,萬用表性能也越好。3、表頭內(nèi)阻表頭內(nèi)線圈及上下兩層盤絲的直流電阻之和稱為表頭內(nèi)阻。萬用表表頭內(nèi)阻多在幾百到幾千歐之間。一般來說,靈敏度越高,內(nèi)阻越大。但靈敏度相同的表頭,內(nèi)阻不盡相同。這是因?yàn)?在制造相同表頭時(shí),所選用的線圈和盤絲的阻值很難做到完全一致。4、直流電壓靈敏度直流電壓檔的內(nèi)阻R與該檔滿量程電壓U的比值稱為直流電壓靈敏度,電壓靈敏度的單位是兆/V或千兆/V,簡稱每伏歐姆數(shù)。電壓靈敏度越高,萬用表性能越好。5、直流電流檔的內(nèi)阻電流表內(nèi)阻的大小決定于表頭內(nèi)阻及分流電阻的大小。對同一塊萬用表而言,不同檔級的電流表,其分流電阻不同,所以內(nèi)阻也不同。電流表的額內(nèi)阻越小,質(zhì)量越小。測電流時(shí),將電流表串聯(lián)在被測電路中,對被測電路會(huì)造成兩方面的影響：一是它的阻流作用會(huì)改變原電路的工作狀態(tài)；二是增加了被測電路的功耗。為了減少這兩方面的影響,內(nèi)阻越小越好。6、歐姆檔的中值電阻歐姆檔的內(nèi)阻稱為該檔的中值電阻。已知中值電阻的大小確定該檔的測量范圍,若中值電阻為,則該檔的測量范圍是1/4-4之間。7、交流電壓靈敏度交流電壓檔內(nèi)阻與該檔量程之比稱為交流電壓靈敏度.1.3萬用表特性說明<1>高準(zhǔn)確度和高分辨力<2>電壓表具有高的輸入阻抗<3>測量速率快<4>自動(dòng)判別極性<5>全部測量實(shí)現(xiàn)數(shù)字直讀<6>自動(dòng)調(diào)零<7>抗過載能力強(qiáng)當(dāng)然,數(shù)字萬用表也有一些弱點(diǎn),如：<1>測量時(shí)不象指針式儀表那樣能清楚直觀地觀察到指針偏轉(zhuǎn)的過程,在觀察充放電等過程時(shí)不夠方便。<2>數(shù)字萬用表的量程轉(zhuǎn)換開關(guān)通常與電路板是一體的,觸點(diǎn)容量小,耐壓不很高,有的機(jī)械強(qiáng)度不夠高,壽命不夠長,導(dǎo)致用舊以后換檔不可靠。<3>一般萬用表的V/Ω檔公用一個(gè)表筆插孔,而A檔單獨(dú)用一個(gè)插孔。使用時(shí)應(yīng)注意根據(jù)被測量調(diào)換插孔,否則可能造成測量錯(cuò)誤或儀表損壞2.1目的與意義通過萬用表的安裝和調(diào)試操作實(shí)習(xí),了解萬用表的基本原理與安裝工藝,掌握一般元器件識別及檢測,練習(xí)常用儀器的使用,掌握焊接技術(shù)和數(shù)字萬用表的檢測方法。培養(yǎng)初步的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識,以及嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)科學(xué)的工作作風(fēng)和良好的學(xué)風(fēng),提高解決實(shí)際問題的能力和素質(zhì),為今后的學(xué)習(xí)和從事有關(guān)的電子技術(shù)工作奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。2.2設(shè)計(jì)要求根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件自選方案設(shè)計(jì)出原理電路圖,分析工作原理。列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件。安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路,使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.1運(yùn)算放大器的工作原理運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端,如圖3－1所示,其中標(biāo)有"+"號的輸入端為"同相輸入端"而不能叫做正端>,另一只標(biāo)有"一"號的輸入端為"反相輸入端"同樣也不能叫做負(fù)端,如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號,則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相,而與反相輸入端的信號反相。圖3－1運(yùn)算放大器的電路符號圖3－1運(yùn)算放大器的電路符號運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的,也可以是雙電源的,如圖3-1所示。運(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性,靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途,總的來說,這些特性可以綜合為兩條：11、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。22、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無窮大,輸出電阻為零。圖3－2運(yùn)算放大器可接的兩種電源xian現(xiàn)在我們來簡單地看看由于上面的兩個(gè)特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。圖3－2運(yùn)算放大器可接的兩種電源首先,運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無窮大,所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零,輸出端就會(huì)有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來應(yīng)該是無窮高的輸出電壓,但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)確地說,如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高,哪怕只高極小的一點(diǎn),運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與正電源電壓相同的電壓；反之,如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高,運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與負(fù)電源電壓相同的電壓<如果運(yùn)算放大器用的是單電源,則輸出電壓為零>。其次,由于放大倍數(shù)為無窮大,所以不能將運(yùn)算放大器直接用來做放大器用,必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端<稱為負(fù)反饋>來降低它的放大倍數(shù)。如圖3-3中左圖所示,的作用就是將輸出的信號返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端,由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的,所以會(huì)減小電路的放大倍數(shù),是一個(gè)負(fù)反饋電路,電阻也叫做負(fù)反饋電阻。圖3－3運(yùn)算放大器的反饋電阻接法〔左：反相接法；右：同相接法圖3－3運(yùn)算放大器的反饋電阻接法〔左：反相接法；右：同相接法還有,由于運(yùn)算放大器的輸入電阻為無窮大,所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣,如果我們想象在運(yùn)算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻,那么加在這個(gè)電阻兩端的電壓是不能形成電流的,沒有電流,根據(jù)歐姆定律,電阻兩端就不會(huì)有電壓,所以我們又可以認(rèn)為在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端電壓是相同的<電壓在這種情況就有點(diǎn)像用導(dǎo)線將兩個(gè)輸入端短路,所以我們又將這種現(xiàn)象叫做"虛短">。3.2運(yùn)算放大器調(diào)零電路原理由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度,要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。"調(diào)零"技術(shù)是使用運(yùn)放時(shí)必須掌握的。特別是在作直流放大器用時(shí),由于輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)放的輸入為零時(shí),輸出不為零,將影響運(yùn)算放大器的精度,嚴(yán)重時(shí)使運(yùn)算放大器不能正常工作。調(diào)零的原理是,在運(yùn)放的輸入端外加一個(gè)補(bǔ)償電壓,以抵消運(yùn)放本身的失調(diào)電壓,達(dá)到調(diào)零的目的。有些運(yùn)放已經(jīng)引出調(diào)零端,只需要按照器件的規(guī)定,接入調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零即可,例如本實(shí)驗(yàn)所用到的HA17741。下面以A17741為例,圖1給出了常用外部調(diào)零電路。它的調(diào)零電路由-12V電源、50kΩ的電阻和調(diào)零電位器Rp組成。調(diào)零時(shí)應(yīng)將電路接成閉環(huán),將兩個(gè)輸入端接"地",調(diào)節(jié)調(diào)零電位器,使輸出電壓為零。本實(shí)驗(yàn)采用的集成運(yùn)算放大器為HA17741。圖3-4調(diào)零電路3.3萬用表工作原理及參考電路在測量中,電壓表或者電流表的接入應(yīng)不影響被測電路的原工作狀態(tài),這就要求電壓表應(yīng)具有無窮大的輸入電阻,電流表的內(nèi)阻應(yīng)為零。但實(shí)際上,萬用Ω,用它進(jìn)行測量時(shí)將影響到被測量,從而引起誤差。此外,交流表中的整流二極管的壓降和非線性特性也會(huì)產(chǎn)生誤差。如果在萬用表中使用運(yùn)算放大器,就能大大降低這些誤差,提高測量精度。在歐姆表中采用運(yùn)算放大器,不僅能得到線性刻度,還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。直流電壓表圖3-5為同相端輸入,高精度直流電壓表電原理圖。圖3-5直流電壓表表頭電流I與被測電壓Ui的關(guān)系為:應(yīng)當(dāng)指出：圖1適用于測量電路與運(yùn)算放大器共地的有關(guān)電路。此外,當(dāng)被測電壓較高時(shí),在運(yùn)放的輸入端應(yīng)設(shè)置衰減器。直流電流表圖3-6是浮地直流電流表的電原理圖。在電流測量中,浮地電流的測量是普遍存在的,例如：若被測電流無接地點(diǎn),就屬于這種情況。為此,應(yīng)把運(yùn)算放大器的電源也對地浮動(dòng),按此種方式構(gòu)成的電流表就可象常規(guī)電流表那樣,串聯(lián)在任何電流通路中測量電流。表頭電流I與被測電流I1間關(guān)系為:－I1R1＝〔I1－IR2可見,改變電阻比〔R1／R2,可調(diào)節(jié)流過電流表的電流,以提高靈敏度。如果被測電流較大時(shí),應(yīng)給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。圖3-6直流電流表交流電壓表由運(yùn)算放大器、二極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖4所示。被測交流電壓Ui加到運(yùn)算放大器的同相端,故有很高的輸入阻抗,又因?yàn)樨?fù)反饋能減小反饋回路中的非線性影響,故把二極管橋路和表頭置于運(yùn)算放大器的反饋回路中,以減小二極管本身非線性的影響。圖3-7交流電壓表表頭電流I與被測電壓Ui的關(guān)系為電流I全部流過橋路,其值僅與Ui／R1有關(guān),與橋路和表頭參數(shù)〔如二極管的死區(qū)等非線性參數(shù)無關(guān)。表頭中電流與被測電壓ui的全波整流平均值成正比,若ui為正弦波,則表頭可按有效值來刻度。被測電壓的上限頻率決定于運(yùn)算放大器的頻帶和上升速率。交流電流表圖3-8交流電流表圖3-8為浮地交流電流表,表頭讀數(shù)由被測交流電流i的全波整流平均值I1AV決定,即如果被測電流I1為正弦電流,即I＝I1sinωt,則上式可寫為則表頭可按有效值來刻度。歐姆表圖3-9為多量程的歐姆表。圖3-9歐姆表在此電路中,運(yùn)算放大器改用單電源供電,被測電阻RX跨接在運(yùn)算放大器的反饋回路中,同相端加基準(zhǔn)電壓UREF?！遀P＝UN＝UREFI1＝IX即流經(jīng)表頭的電流由上兩式消去<UO－UREF>可得可見,電流I與被測電阻成正比,而且表頭具有線性刻度,改變R1值,可改變歐姆表的量程。這種歐姆表能自動(dòng)調(diào)零,當(dāng)RX＝0時(shí),電路變成電壓跟隨器,UO＝UREF,故表頭電流為零,從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零。二極管D起保護(hù)電表的作用,如果沒有D,當(dāng)RX超量程時(shí),特別是當(dāng)RX→∞,運(yùn)算放大器的輸出電壓將接近電源電壓,使表頭過載。有了D就可使輸出鉗位,防止表頭過載。調(diào)整R2,可實(shí)現(xiàn)滿量程調(diào)節(jié)。4.1總電路圖如圖,為設(shè)計(jì)的總電路圖。電路說明：黑框以外部位是萬用表的內(nèi)部結(jié)構(gòu),黑框以內(nèi)是四種可能的待測元件。四種功能的切換是以開關(guān)S1、S3、S4、S6的控制完成的,其中在圖示初始狀態(tài)下,開關(guān)S1賦予控制鍵A,其余三個(gè)的控制鍵是B,這就能有四種組合方式,從而達(dá)到四種電表的測量功能。AB電表類型10直流電流01交流電壓11直流電壓00交流電流其中1表示對應(yīng)鍵在初始態(tài)下按下,0表示初態(tài)。黑框中以類似的方式快速切換,便于仿真的進(jìn)行。所以得數(shù)據(jù)都是基于此圖制作,圖中的數(shù)據(jù)為量程的測量值對應(yīng)電流值,若要制作表頭,需要以此為依據(jù)。最后的原理圖,僅供原理參照作用,不做研究。4.2直流電流的測量結(jié)果及其電路圖〔A=1,B=0：測量電流是根據(jù)歐姆定律,用合適的取樣電阻把待測電流轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的待測電壓,再進(jìn)行測量。測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電流4mA3.9992mA0.0008mA0.020%6mA5.9992mA0.0008mA0.013%8mA7.9992mA0.0008mA0.010%電阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ電表選用量程0——60mA4.3交流電流的測量結(jié)果及其電路圖〔A=0,B=0：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電流44.235mA0.235mA5.875%66.357mA0.357mA5.950%88.475mA0.475mA5.935%電阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ電表選用量程0——60mA4.4直流電壓的測量結(jié)果及其電路圖〔A=1,B=1：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電壓6V6.0025V0.0025V0.042%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%電阻R130V/60mA=0.5KΩ電表選用量程0——60mA4.5交流電壓的測量結(jié)果及其電路圖〔A=0,B=1：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電壓65.040V0.599V9.98%87.2015V0.7985V9.98%109.0020V0.9980V9.98%電阻R