基于集成運(yùn)算放大器的萬用表設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 基于集成運(yùn)算放大器的萬用表設(shè)計(jì) 初始條件： 可選元件：運(yùn)放可選用LM353 OP07等，表頭可選用動(dòng)圈式表頭（例如100A的表頭，其內(nèi)阻約為1K），或者選用3 1/2數(shù)字表頭；自制直流電源；自備元器件，如：電阻、電位器、電容若干?？捎脙x器：示波器，信號(hào)源，毫伏表，萬用表要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)已知條件，完成基于集成運(yùn)放萬用電表的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)要求 直流電壓表 滿量程 +6V 直流電流表 滿量程 10mA 交流電壓表 滿量程 6V，50Hz1KHz 交流電流表 滿量程

2、10mA 歐姆表 滿量程分別為1K，10K，100K 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。時(shí)間安排：1、 2012 年11月14日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。2、 2012 年11月14日 至2013年1月20日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3、 2013 年1月25日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師

3、）簽名： 年 月 日目錄摘要41 緒論52.1設(shè)計(jì)的目的及主要任務(wù)52.1.1設(shè)計(jì)的目的52.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)52.2設(shè)計(jì)思想63 設(shè)計(jì)原理63.1 運(yùn)算放大器的工作原理63.2萬用表工作原理及參考電路73.2.1直流電壓表73.2.2直流電流表83.2.3 交流電壓表83.2.4 交流電流表93.2.5 歐姆表104 總電路設(shè)計(jì)115 硬件調(diào)試116 心得體會(huì)137 參考文獻(xiàn)14摘要本文從運(yùn)算放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā)，在查閱大量參考資料的前提下，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(cè)試、分析、比較,總結(jié)

4、出了直流電壓、電流表，交流電壓、電流表，以及歐姆表的電路圖，最后進(jìn)行實(shí)物的裝配與調(diào)試 。關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；萬用表 ；小信號(hào)放大。1 緒論萬用電表簡(jiǎn)稱萬用表。它是一種多量程和多電量的測(cè)量?jī)x表，一般情況以測(cè)量電流、電壓和電阻為主要目標(biāo)，所以習(xí)慣叫三用表。普通的模擬電表，常以電磁式電流表（又稱表頭）作為指示器，它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、刻度線性以及受外磁場(chǎng)和溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其性能還不能達(dá)到較為理想的程度。在某些測(cè)量電路中，要求電壓表有很高的內(nèi)阻，而電流表的內(nèi)阻卻很低。將集成運(yùn)算放大器與電磁式電流表結(jié)合，可構(gòu)成性能優(yōu)良的電子測(cè)量?jī)x表。此外，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

5、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。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)的目的及主要任務(wù)2.1.1設(shè)計(jì)的目的了解萬用表的基本工作原理及其相關(guān)組成部分；掌握用運(yùn)算放大器組成萬用表的設(shè)計(jì)方法；掌握萬用表的主要技術(shù)指標(biāo)和調(diào)試方法。2.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo) 直流電壓表 滿量程 +6V 直流電流表 滿量程 10mA 交流電壓表 滿量程 6V，50Hz1KHz 交流電流表 滿量程 10mA 歐姆表 滿量程分別為1K，10K，100K 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。2.2設(shè)計(jì)思想主要是用運(yùn)算

6、放大器構(gòu)成各種簡(jiǎn)單儀表電路（包括直流電壓表電路、直流電流表電路、交流電壓表電路、交流電流表電路、歐姆表電路），然后通過仿真軟件分別對(duì)各個(gè)獨(dú)立的電路進(jìn)行仿真，接著就是用食物對(duì)各個(gè)獨(dú)立的電路進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)無誤后畫出整體電路圖，最后進(jìn)行整體電路的焊接與調(diào)試。3 設(shè)計(jì)原理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(hào)的輸入端為“同相輸入端”，另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。 圖3-1運(yùn)

7、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3-2所示。圖3-2運(yùn)算放大器有如下兩個(gè)特點(diǎn)：輸入端電壓趨于零，可做“虛短”、“虛地”處理。輸入端子電流趨于零，可做“虛斷”處理。本次設(shè)計(jì)涉及到兩種運(yùn)放：uA741 ，LM324。 單運(yùn)放uA741 四運(yùn)放LM3243.2萬用表工作原理及參考電路在測(cè)量中，電壓表或者電流表的接入應(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，萬用表表頭的可動(dòng)線圈總有一定的電阻，例如100A的表頭，其內(nèi)阻約為1K，用它進(jìn)行測(cè)量時(shí)將影響到被測(cè)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

8、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(cè)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。 3.2.1直流電壓表圖1為同相端輸入，高精度直流電壓表電原理圖。 圖1 直流電壓表表頭電流I與被測(cè)電壓Ui的關(guān)系為: =6V6k =1mA3.2.2直流電流表圖2是浮地直流電流表的電原理圖。在電流測(cè)量中，浮地電流的測(cè)量是普遍存在的，例如：若被測(cè)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(duì)地浮動(dòng)，按此種方式構(gòu)成的電流表就可像常規(guī)電流表那樣，串聯(lián)在任何電流通路中測(cè)量電流。表頭電流I與被測(cè)電流I1間關(guān)系為: I1R1（I1I）R2 =(1+1k1k

9、)*10mA=20mA可見，改變電阻比（R1R2），可調(diào)節(jié)流過電流表的電流，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。圖2 直流電流表3.2.3 交流電壓表運(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3所示。被測(cè)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。表頭電流I與被測(cè)電壓Ui的關(guān)系為*0.9圖3交流電壓表電流I全部流過橋路，其值僅與UiR1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(cè)電壓ui的全

10、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(cè)電壓的上限頻率決定于運(yùn)算放大器的頻帶和上升速率。3.2.4 交流電流表 圖4 交流電流表圖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，則上式可寫為=0.9*2*10mA=18mA則需在表頭兩端并聯(lián)電阻分流。3.2.5 歐姆表圖5 歐姆表在此電路中，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Up。I1IX UpR1=Uo-UpRx 即Rx=R1Up(Uo-Up)流經(jīng)表頭的電流I=Uo-UpRm由上兩式消去(UoUp

11、) 可得 I=UpRxR1Rm可見，電流I與被測(cè)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)RX0時(shí)，電路變成電壓跟隨器，Uo=Up，故表頭電流為零，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零。二極管D（1N4148）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 總電路設(shè)計(jì)下圖為設(shè)計(jì)的總的電路圖：說明：1mA表頭的+、-極通過杜邦線與電路圖中對(duì)應(yīng)的+、-相連，起到了開關(guān)的作用。+表示待測(cè)源的正極，待測(cè)源的負(fù)極一般接地。圖中左上角為直流電壓表，

12、左下角為直流電流表，右上角為交流電壓電流表，右下角為歐姆表。5 硬件調(diào)試 由于電阻，表頭都不是十分精確，所以在電路圖焊接中將不分電阻改為滑動(dòng)變阻器，便于調(diào)整。還有電流表電路中表頭兩端并聯(lián)了滑動(dòng)變阻器分流（如總電路圖所示）。經(jīng)測(cè)試各個(gè)表基本能實(shí)現(xiàn)各自的功能，即電壓表能測(cè)量6V以內(nèi)的電壓，電流表能測(cè)量10mA的電流，歐姆表能實(shí)現(xiàn)1k、10k、100k三個(gè)檔位的切換。以下為測(cè)試數(shù)據(jù):測(cè)試數(shù)據(jù)表格直流電壓(V)直流電流(mA)交流電壓（V）交流電流（mA）電阻（）輸入值63110536311053550500顯示值(mA)1.000.490.161.000.490.291.000.480.161.00

13、0.480.280.490500.50測(cè)量值6.002.940.9610.004.902.906.002.880.9610.004.802.804.9050.00500.00 6 心得體會(huì)不管怎樣模電課程設(shè)計(jì)終于要在此告一段落了,這期間的感觸頗多,收獲也不少。還記得剛開始選題時(shí)的興高采烈,面對(duì)失敗的迷惘沮喪,以及初嘗勝果時(shí)的信心重回,不得不承認(rèn)整個(gè)過程波瀾起伏。就“基于集成運(yùn)算放大器的萬用表設(shè)計(jì)”這個(gè)選題而言,據(jù)我所知我們電子專業(yè)只有我和另一名同學(xué)選取,所以商量討論的人不多。其次這個(gè)選題在網(wǎng)絡(luò)上的資料也相當(dāng)少, 也就發(fā)現(xiàn)了一套參考資料，所以從一開始設(shè)計(jì)就舉步維艱。然后這也是第一次做這樣設(shè)計(jì)能力

14、與動(dòng)手能力都要求較高的課程設(shè)計(jì)，對(duì)很多過程都沒有經(jīng)驗(yàn)，也導(dǎo)致出現(xiàn)了很多失敗。比如，過分依賴仿真軟件，忽略了理論與實(shí)際的差距，在調(diào)和各電路的仿真后，就埋頭設(shè)計(jì)總電路，再緊接著焊接，焊接過程也沒有注意分塊調(diào)試，一股腦的焊接完成后卻發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)表能正常工作，又重新檢查電路圖，檢查焊接電路，最終因?yàn)樵O(shè)計(jì)的總電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜，也沒有檢測(cè)出問題，接著就是苦惱迷惘。好在硬件查收的時(shí)候受到了老師的指點(diǎn)與鼓勵(lì)，又重新開始從頭做起。重新開始我吸取了上一次的經(jīng)驗(yàn)，在元器件選擇方面用LM324替代了uA741,將表頭單獨(dú)隔開作為開關(guān)使用，這樣大大簡(jiǎn)化了總電路圖；在焊接方面也注意了分塊調(diào)試。最終實(shí)現(xiàn)了萬用表的基本功能。通過這次課程設(shè)計(jì)讓我懂得了理論與實(shí)際操作之間的差距,也讓我體會(huì)到了模電理論知識(shí)的使用性,發(fā)現(xiàn)了自身知識(shí)的不足,積累了課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。最后對(duì)指導(dǎo)老師在設(shè)計(jì)過程中的輔導(dǎo)表示由衷的感謝。7 參考文獻(xiàn)1楊柳，陳映芳. 淺析萬用表的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)中的問