電表電路的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上5.5 電表電路的設(shè)計(jì) 普通的模擬電表中最常見的是以磁電式電流表(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，或需要測(cè)量微小的電壓、電流等。將集成運(yùn)放與磁電式電流表相結(jié)合，可構(gòu)成內(nèi)阻大于10MV的電壓表和內(nèi)阻小于1的微安表等性能優(yōu)良的電子測(cè)量?jī)x表。一、設(shè)計(jì)原理普通的模擬電表中最常見的是以磁電式電流表(又稱表頭)作為指示器，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。某些測(cè)量電

2、路中，要求電壓表有很高的內(nèi)阻，而電流表要有很小的內(nèi)阻。將集成運(yùn)放與磁電式電流表結(jié)合，可構(gòu)成內(nèi)阻大于10MV的電壓表和內(nèi)阻小于1的微安表等性能優(yōu)良的電子測(cè)量?jī)x表。1. 直流電壓表和電流表（1） 直流電壓表根據(jù)被測(cè)直流電壓是從運(yùn)放正相輸入端還是反向輸入端接入，可將直流電壓表分為同相輸入式和反相輸入式兩種。直流電壓表的表頭總是接在運(yùn)放的輸出端。圖5-5-1所示即為同相輸入式直流電壓表，被測(cè)信號(hào)Vx接與運(yùn)放的同相輸入端。圖（a）是原理電路，圖（b）是擴(kuò)展為多量程的實(shí)際電路。 圖5-5-1 同相輸入式直流電壓表下面分析圖5-5-1（b）所示電路的工作原理。在放大器的輸出端接有量程為150mV的電壓表，它

3、由200A表頭和750的電阻（包括表頭內(nèi)阻）串聯(lián)而成。當(dāng)輸出電壓Vx=25mV時(shí)，輸出 （5-5-1）電壓表達(dá)到滿量程。從圖5-5-1（b）虛線圖中可知，同相輸入方式的運(yùn)放輸入電阻非常大，所以電路可看作是內(nèi)阻無(wú)窮大的直流電壓表，它幾乎不從被測(cè)電路吸收電流。通過電阻分壓器可擴(kuò)大量程，分壓后的電壓在同相輸入端的值均不超過25mV。反相輸入式電壓表與同相輸入式電壓表的差別在于它的放大倍數(shù)為,表頭在輸出端的極性應(yīng)與圖5-5-1相反，輸入電阻應(yīng)為,不能達(dá)到很大。（2） 直流電流表直流電流表測(cè)量的實(shí)質(zhì)是將直流電流轉(zhuǎn)換成電壓。仿照直流電流表的構(gòu)成原理，電流表把表頭接在運(yùn)放的輸出端，通過改變反饋電阻即可改變電

4、流表的量程。由于電流表希望內(nèi)阻越小越好，所以被測(cè)電流常由運(yùn)放的反相輸入端加入。這里介紹將表頭接在反饋回路的直流電流表，其原理電路如圖5-5-2（a）。電阻為表頭內(nèi)阻，表頭流過的電流就是被測(cè)電流，即 （5-5-2）且與表頭內(nèi)阻無(wú)關(guān)。電流表的內(nèi)阻很小，約為 （5-5-3）其中為運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖5-5-2（b）為高靈敏度直流電流表電路。由虛短原則,可推導(dǎo)出表頭流過的電流與被測(cè)電流的關(guān)系為 (5-5-4) 圖5-5-2 直流電流表電路 可見，被測(cè)電流小于流過表頭的電流I，所以提高了電流表的靈敏度。利用運(yùn)放和100A的表頭構(gòu)成的直流電流表，適當(dāng)選取參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)量程為10A、內(nèi)阻小于1的高精度電

5、流表，這是普通微安表所達(dá)不到的。2. 由運(yùn)放構(gòu)成的線性整流電路在對(duì)交流電壓和電流進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常常是先將它們進(jìn)行整流，使交流量變換成直流量，然后再測(cè)量。再直流電壓表的基礎(chǔ)上，將二級(jí)管整流電路接在運(yùn)放的反饋回路中，即得到全波整流電路，如圖5-5-3所示。當(dāng)輸入電壓為正半周時(shí)，因運(yùn)放為反相輸入方式，其輸出為負(fù)半周，二極管和導(dǎo)通，負(fù)載上電壓為正，即；當(dāng)輸入時(shí)，二極管和導(dǎo)通，負(fù)載上的電壓仍為正，即，因而得到全波整流電壓。二極管伏安特性的非線性影響很小可忽略不計(jì)，因而實(shí)現(xiàn)線性整流。負(fù)載電壓平均值與輸入電壓有效值（因輸入為正弦電壓）之間的關(guān)系為 （5-5-5）利用整流電路和微安表可構(gòu)成交流電壓表和電流表。3

6、. 交流電壓表和電流表（1） 交流電壓表精密半波整流交流電壓表電路如圖5-5-4所示，它由精密半波整流電路和分壓電阻構(gòu)成。因?yàn)楸粶y(cè)電壓為交流，所以接在運(yùn)放輸出端的是交流電壓表。 圖5-5-4 精密半波整流交流電壓表圖5-5-4虛線框內(nèi)部分即為精密半波整流電路，它相當(dāng)于量程為50mV、內(nèi)阻接近無(wú)窮大的交流電壓表。當(dāng)同相輸入端電壓的有效值為=50mV時(shí)，流過微安表的電流平均值I為200A。輸出電壓為半波整流電壓，其平均值為 (5-5-6)其中，為被測(cè)交流電壓有效值，為不同量程的分壓系數(shù)。圖5-5-5中流過微安表的電流I是被測(cè)交流電壓經(jīng)過整流而形成的，與成正比，所以測(cè)量I即是測(cè)量。由于I為直流，顧交

7、流電壓表的刻度是均勻的。根據(jù)（5-5-6），可計(jì)算出各分壓電阻的阻值。（2） 交流電流表 將圖5-5-3的精密全波整流電路稍加改動(dòng)，即可構(gòu)成圖5-5-5所示的交流電流表。其工作原理實(shí)質(zhì)上市將被測(cè)電流經(jīng)已知電阻轉(zhuǎn)換成電壓，再利用電壓表進(jìn)行測(cè)量。圖5-5-5（a）中微安表頭是經(jīng)過整流橋接入反饋電路的，所以流過表頭的為全波整流電流，它指示的是電流的平均值I，若被測(cè)電流為正弦電流，則 (5-5-7)其中，為被測(cè)電流有效值。上式說明，微安表的指示只取決于，而與微安表內(nèi)阻及二極管的非線性無(wú)關(guān)，因此其刻度也是均勻的，具有較高的測(cè)量精度。若要測(cè)量較大電流，則需擴(kuò)大電流表的量程，圖5-5-5（b）即為一個(gè)多量程

8、的交流電流表。其測(cè)量的實(shí)質(zhì)是將被測(cè)電流經(jīng)已知電阻轉(zhuǎn)換成電壓，再利用電壓表進(jìn)行測(cè)量。 圖5-5-5 交流電流表4.電阻測(cè)量電路普通萬(wàn)用表的歐姆檔有測(cè)量精度不高的問題:當(dāng)被測(cè)電阻與該擋的等效內(nèi)阻（即中值電阻）比較接近時(shí)，測(cè)量值較準(zhǔn)確，但當(dāng)>>時(shí)只能大致估計(jì)的阻值,因?yàn)槠淇潭炔痪鶆颉＠眠\(yùn)放構(gòu)成的歐姆表，可測(cè)量電阻的精度大大提高，并可獲得線性刻度。（1）線性刻度歐姆表由反相比例接法的運(yùn)放即其外圍電路構(gòu)成的歐姆表如圖5-5-6所示。被測(cè)電阻作為運(yùn)放的負(fù)反饋電阻接在輸出端和反相輸入端之間。輸入信號(hào)電壓固定，取自穩(wěn)壓二極管。不同阻值的輸入電阻組成不同的電阻量程。當(dāng)和R已知時(shí)，有輸出電壓 (5-

9、5-8) 圖5-5-6 線性刻度歐姆表上式表明，與被測(cè)電阻成正比，由線性歐姆刻度的電壓表即可讀出電阻的阻值 (5-5-9)式中<0。歐姆表的刻度呈現(xiàn)性是由于它測(cè)量的實(shí)質(zhì)是將電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓，再用電壓表測(cè)量，所以此電路亦稱歐姆-電壓轉(zhuǎn)換器。由于輸入端失調(diào)引起的不平衡，可用開關(guān)及運(yùn)放1、5腳進(jìn)行調(diào)零來(lái)調(diào)整（具體調(diào)零電路的連接方法可參閱3-13節(jié)），以提高測(cè)量精度。（2）電橋測(cè)量電路圖5-5-7所示為利用電橋平衡原理測(cè)量電阻的歐姆表電路，它實(shí)質(zhì)上式一個(gè)差分輸入運(yùn)放放大器電路。 圖5-5-7 電橋測(cè)量電路 被測(cè)電阻接在同相輸入端與地之間。運(yùn)放的輸入為電橋的電源，調(diào)節(jié)電阻的大小，使輸出電壓為零，

10、相當(dāng)于電橋平衡。由差分比例運(yùn)算關(guān)系的條件，可導(dǎo)出 (5-5-10)即 (5-5-11)其中，為歐姆表的倍率，當(dāng)取不同阻值時(shí)，即構(gòu)成不同倍率的電阻擋量程。為帶有刻度指示的可變電阻。這種平衡電橋測(cè)量電路大大提高了精度，測(cè)量結(jié)果與輸入無(wú)關(guān)，其精度取決于的線性度以及調(diào)零的準(zhǔn)確與否。二極管、起輸出限幅保護(hù)的作用，R/2為電源的限流電阻。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)模擬萬(wàn)用表。技術(shù)要求如下：1. 直流電壓測(cè)量范圍：（015V）5%。2. 直流電流測(cè)量范圍：（010mA）5%。3. 交流電壓測(cè)量范圍及頻率范圍：有效值（05V）5%,50Hz1kHz。4. 交流電流測(cè)量范圍：有效值（010mA）5%。5. 歐姆表測(cè)量：01k。6. 要求自行設(shè)計(jì)和-直流穩(wěn)壓電源(不含整流與濾波電路)。7. 要求采用模擬集成電路，器件自選。8. 采用0A直流表，要求測(cè)試出其內(nèi)阻數(shù)值。9. 量程的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)要方便直觀。三、設(shè)計(jì)報(bào)告要求1.按照設(shè)計(jì)任務(wù)玩曾電表電路設(shè)計(jì)，畫出設(shè)計(jì)電路圖。2.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)中的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)所設(shè)計(jì)的電壓表、電流表、電阻器進(jìn)行調(diào)試、檢測(cè)。3.計(jì)算誤差范圍，分析誤差原因，確定所設(shè)計(jì)電壓表的精度。四、思考題1.電壓表內(nèi)