用運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)仿真

1、用運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康木C合利用所學(xué)知識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)由運(yùn)算放大器、二極管整流電流及電流表組成萬(wàn)用表電路圖，搭出實(shí)際電路并組裝調(diào)試，提高實(shí)驗(yàn)綜合能力與實(shí)際動(dòng)手能力。熟悉萬(wàn)用表各種常見(jiàn)功能的測(cè)試電路原理與方法。進(jìn)一步體會(huì)運(yùn)算放大器的應(yīng)用，了解其優(yōu)勢(shì)。二、 萬(wàn)用表工作原理萬(wàn)用表基本功能包括測(cè)量直流電壓與電流，交流電壓與電流，以及電阻測(cè)量。用電表測(cè)量電路參數(shù)時(shí)電表的接入應(yīng)不影響被測(cè)電路的原工作狀態(tài)，這就要求電壓表內(nèi)阻無(wú)限大，電流表內(nèi)阻為零。但實(shí)際上，萬(wàn)用表表頭的可動(dòng)線(xiàn)圈不可避免的有一定電阻，這將引起測(cè)量誤差。此外，交流電表中的整流二極管的壓降和非線(xiàn)性特性也會(huì)產(chǎn)生誤差。在此試驗(yàn)中

2、，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”與“虛短”的特點(diǎn)，使用運(yùn)算放大器及相應(yīng)電路組成一個(gè)具有基本功能的萬(wàn)用表，在很大程度上降低了上述誤差，提高測(cè)量精度。此外更能得到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整線(xiàn)性刻度的歐姆表。在實(shí)驗(yàn)中采用毫安表與運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用表，其基本原理是將交流量測(cè)量轉(zhuǎn)化為直流量測(cè)量，將電壓測(cè)量轉(zhuǎn)化為電流測(cè)量，通過(guò)測(cè)量電流來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表的測(cè)量功能，故此實(shí)驗(yàn)中最重要的是各轉(zhuǎn)換電路，只需分析清楚各轉(zhuǎn)化電路的作用及其工作原理就不難把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)。（1） 直流電壓表圖1為直流電壓表的原理圖。圖1 圖1仿真圖表頭電流i與被測(cè)電壓ui的關(guān)系為: 應(yīng)當(dāng)指出：圖1適用于測(cè)量電路與運(yùn)算放大器共地的有關(guān)電路。此外，當(dāng)被測(cè)電壓較高時(shí)，在運(yùn)放

3、的輸入端應(yīng)設(shè)置衰減器。（2） 直流電流表圖2 圖2仿真圖表頭電流i與被測(cè)電流i1間關(guān)系為: i1r1（i1i）r2 可見(jiàn)，改變電阻比（r1r2），可調(diào)節(jié)流過(guò)電流表的電流，以提高靈敏度。如果被測(cè)電流較大時(shí)，應(yīng)給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。（3） 交流電壓表仿真圖如圖3圖3表頭電流i與被測(cè)電流i1間關(guān)系為: i1r1（i1i）r2 可見(jiàn)，改變電阻比（r1r2），可調(diào)節(jié)流過(guò)電流表的電流，以提高靈敏度。如果被測(cè)電流較大時(shí)，應(yīng)給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。（4） 交流電流表仿真圖如圖4圖4圖4為浮地交流電流表，表頭讀數(shù)由被測(cè)交流電流i的全波整流平均值i1av決定，即如果被測(cè)電流i1為正弦電流，即ii1sint，

4、則上式可寫(xiě)為則表頭可按有效值來(lái)刻度。（5） 歐姆表仿真圖如圖5圖5在此電路中，運(yùn)算放大器改用單電源供電，被測(cè)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。 upunurefi1ix 即 流經(jīng)表頭的電流由上兩式消去(uouref) 可得 可見(jiàn)，電流i與被測(cè)電阻成正比，而且表頭具有線(xiàn)性刻度，改變r(jià)1值，可改變歐姆表的量程。這種歐姆表能自動(dòng)調(diào)零，當(dāng)rx0時(shí)，電路變成電壓跟隨器，uouref，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(méi)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(guò)載。有了d 就可使輸出鉗位，防止表頭過(guò)載。調(diào)整

5、r2，可實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)量程調(diào)節(jié)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果（1） 直流電流的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流4ma3.9991ma0.0009ma0.018%6ma5.9991ma0.0009ma0.011%8ma7.9991ma0.0009ma0.009%電阻r130v/60ma=0.5kr22.5k電表選用量程0 60 ma（2） 交流電流的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流44.264ma0.264ma5.975%66.345ma0.345ma5.879%88.475ma0.475ma5.935%電阻r130v/60ma=0.5kr22.5k電表選用量程0 60 ma

6、（3） 直流電壓的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電壓6v6.0075v0.0075v0.051%8v8.0015v0.0015v0.019%10v10.003v0.003v0.03%電阻r130v/60ma=0.5k電表選用量程0 60 ma（4） 交流電壓的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電壓65.040v0.599v9.98%87.2015v0.7985v9.98%109.0020v0.9980v9.98%電阻r130v/60ma=0.5k電表選用量程0 60 ma（5） 歐姆表仿真結(jié)果及仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電阻600601.41.40.26%9

7、k9.005k0.005k0.055%80k80.35k0.35k0.44%電阻r11kr22.9k電表選用量程0 1ma（忽略了rm的影響）四、 注意事項(xiàng)1、 運(yùn)算放大器的檢測(cè)用數(shù)字式萬(wàn)用表直流電壓檔，測(cè)量運(yùn)算放大器輸出端與負(fù)電源之間的電壓值（在靜態(tài)時(shí)電壓值較高）。用手持金屬鑷子依次點(diǎn)觸運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端（加入干擾信號(hào)），若萬(wàn)用表表針有較大幅度的擺動(dòng)，則說(shuō)明該運(yùn)算放大器完好；若萬(wàn)用表表針不動(dòng)，則說(shuō)明運(yùn)算放大器已經(jīng)損壞。2、 測(cè)量電流時(shí)應(yīng)注意消除電源產(chǎn)生的干擾連接電源時(shí)，正負(fù)電源連接點(diǎn)上各接大容量的濾波電容器和小電容器，以消除電源產(chǎn)生的干擾。3、萬(wàn)用表的使用技巧（1） 測(cè)量前毫安表要水平放置，看指針是否為零，如不在零位，則要機(jī)械調(diào)零。（2） 毫安表按照規(guī)定位置放置，遠(yuǎn)離外磁場(chǎng)。（3） 正確讀數(shù)，減少視覺(jué)誤差。（4） 測(cè)量電阻時(shí)，每換一次檔都要重新調(diào)零。五、 心得體會(huì)這是我第一次嘗試設(shè)計(jì)電路并把它仿真出來(lái)。不得不說(shuō)這次實(shí)驗(yàn)對(duì)我來(lái)說(shuō)有一定難度，我在上面花費(fèi)了很多時(shí)間。從構(gòu)思到仿真再到寫(xiě)報(bào)告，每一環(huán)節(jié)我都會(huì)遇到很多新問(wèn)題，需要學(xué)習(xí)很多新技能，但最重要的，我收獲了很多新知識(shí)。我不僅對(duì)模電的理論知識(shí)有了更深一步的理解，還學(xué)會(huì)了multism仿真軟件的使用。這個(gè)仿真軟件非常好用，能幫助我們理解一些理論知識(shí)并驗(yàn)證一些結(jié)論。同時(shí)，這次實(shí)踐動(dòng)手更加讓我明白了，如果知