用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬(wàn)用表(論文)

1、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)論文 用運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用表摘要2一 引言41.1 萬(wàn)用表的結(jié)構(gòu)41.2 萬(wàn)用表的幾個(gè)重要參數(shù)41.3 萬(wàn)用表特性說(shuō)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(wàn)用表工作原理及參考電路83.3.1直流電壓表93.3.2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(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=1,B=0）：134.3 交流電流的測(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=0，B=0）：144.4 直流電壓的測(cè)量結(jié)果及其

2、電路圖（A=1，B=1）：154.5 交流電壓的測(cè)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摘要萬(wàn)用電表簡(jiǎn)稱萬(wàn)用表或三用表，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中稱作復(fù)用表。萬(wàn)用電表實(shí)際上是一種可以進(jìn)行多種項(xiàng)目測(cè)量的便攜式儀器，主要用于測(cè)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(cè)量中，萬(wàn)用電表的接入因不影響被測(cè)電路原來(lái)的工作狀態(tài)，這就要求電壓表應(yīng)具有無(wú)窮大的輸入電阻，電流表的內(nèi)阻應(yīng)為零。但實(shí)際上，萬(wàn)用電表表頭的可動(dòng)線圈總有一定的電阻

3、，例如100uA的表頭，其內(nèi)阻約為1 K ，用它進(jìn)行測(cè)量時(shí)將會(huì)影響被測(cè)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(wàn)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(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。運(yùn)算放大器電路性能的優(yōu)劣直接影響到萬(wàn)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(wàn)用表的電路設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真與實(shí)際電路性能指標(biāo)的測(cè)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(wàn)用表 ；小信號(hào)放大。 一

4、引言萬(wàn)用電表簡(jiǎn)稱萬(wàn)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。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(cè)量項(xiàng)目。 通過(guò)萬(wàn)用表的組裝，能夠進(jìn)一步熟悉萬(wàn)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(wàn)用表的型號(hào)很多，但其測(cè)量原理和測(cè)量線路大致相同，其結(jié)構(gòu)也基本相同。我們以500型萬(wàn)用表為例，具體介紹萬(wàn)用表的結(jié)構(gòu)、測(cè)量線路及裝配等有關(guān)知識(shí)。1.1 萬(wàn)用表的結(jié)構(gòu)萬(wàn)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(pán)有多種量程刻度

5、。表頭是萬(wàn)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(jí)等）都取決于表頭的參數(shù)。其主要作用是通過(guò)表頭刻度及指針指示出被測(cè)電量的大小。500型萬(wàn)用表的表頭滿偏電流為40uA，表頭內(nèi)阻為2.5。2測(cè)量電路測(cè)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(cè)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(kāi)關(guān)、旋鈕、插孔等組成。其主要作用是把萬(wàn)用表的電路轉(zhuǎn)換為所選的測(cè)量種類和合適的量程，來(lái)接通不同的測(cè)量線路。1.2 萬(wàn)用表的幾個(gè)重要參數(shù)1、準(zhǔn)確度 萬(wàn)用表示值與被測(cè)量真值的一致程度稱為萬(wàn)用表的準(zhǔn)確度。它反映了測(cè)量結(jié)果的基本誤差大小。同一塊萬(wàn)用表，不同功能檔的準(zhǔn)確度也不盡相同。2、表頭

6、靈敏度萬(wàn)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(wàn)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(pán)絲的直流電阻之和稱為表頭內(nèi)阻。萬(wàn)用表表頭內(nèi)阻多在幾百到幾千歐之間。一般來(lái)說(shuō)，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)椋谥圃煜嗤眍^時(shí)，所選用的線圈和盤(pán)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(jiǎn)稱每伏歐姆數(shù)。電壓靈敏度越高，萬(wàn)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(duì)同一塊萬(wàn)用表而

7、言，不同檔級(jí)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(cè)電流時(shí)，將電流表串聯(lián)在被測(cè)電路中，對(duì)被測(cè)電路會(huì)造成兩方面的影響：一是它的阻流作用會(huì)改變?cè)娐返墓ぷ鳡顟B(tài)；二是增加了被測(cè)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(cè)量范圍，若中值電阻為，則該檔的測(cè)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(wàn)用表特性說(shuō)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(cè)量速率快(4)自動(dòng)判別極性(5)全部測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字直讀(6

8、)自動(dòng)調(diào)零(7)抗過(guò)載能力強(qiáng)當(dāng)然，數(shù)字萬(wàn)用表也有一些弱點(diǎn)，如：(1)測(cè)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(guò)程，在觀察充放電等過(guò)程時(shí)不夠方便。(2)數(shù)字萬(wàn)用表的量程轉(zhuǎn)換開(kāi)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(zhǎng)，導(dǎo)致用舊以后換檔不可靠。(3)一般萬(wàn)用表的V/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(cè)量調(diào)換插孔，否則可能造成測(cè)量錯(cuò)誤或儀表?yè)p壞二 目的與意義2.1目的與意義通過(guò)萬(wàn)用表的安裝和調(diào)試操作實(shí)習(xí)，了解萬(wàn)用表的基本原理與安裝工藝，掌握一般元器件識(shí)別及檢測(cè)，練習(xí)常用儀器的使用，掌握焊接技術(shù)和數(shù)字萬(wàn)用表的檢測(cè)方法。培養(yǎng)初步的

9、工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)，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(wèn)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（1） 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。（2） 列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件。（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（4） 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三 基本原理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31所示，其中標(biāo)有“+”號(hào)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(hào)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(hào)，

10、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31 運(yùn)算放大器的電路符號(hào) 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(lái)說(shuō)，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(wú)窮大。 22、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。 圖32 運(yùn)算放大器可接的兩種電源xian 現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)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。 首先，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)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)

11、有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來(lái)應(yīng)該是無(wú)窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)確地說(shuō)，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(wú)窮大，所以不能將運(yùn)算放大器直接用來(lái)做放大器用，必須要將輸出的信號(hào)反饋到反相輸入端(稱為負(fù)反饋)來(lái)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(hào)返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與

12、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33 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(wú)窮大，所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒(méi)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(wú)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(méi)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)

13、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(hào)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(duì)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HA17741為例，圖1給出了常用外部

14、調(diào)零電路。它的調(diào)零電路由-12V電源、50k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(wàn)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(wú)窮大的輸入電阻，電流表的內(nèi)阻應(yīng)為零。但實(shí)際上，萬(wàn)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)生誤差。如果在萬(wàn)用表中使用運(yùn)算放大器，就能大大降低這些誤差，提

15、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。3.3.1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(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)放的輸入端應(yīng)設(shè)置衰減器。3.3.2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(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(wú)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)成的電流表就可象常規(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: I1

16、R1（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。圖3-6 直流電流表3.3.3 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(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。圖3-7 交流電壓表表頭電流I與被測(cè)電壓Ui的關(guān)系為電流I全部流過(guò)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(wú)關(guān)。表頭中電流與被測(cè)電壓ui的

17、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(lái)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。3.3.4 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(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(xiě)為則表頭可按有效值來(lái)刻度。3.3.5 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(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

18、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，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R2，可實(shí)現(xiàn)滿量程調(diào)節(jié)。四 電壓表的電路設(shè)計(jì)4.1總電路圖 如圖，為設(shè)計(jì)的總電路圖。電路說(shuō)明：黑框以外部位是萬(wàn)用表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，黑框以內(nèi)是四種可能的待測(cè)元件。四種功能的切換是以開(kāi)關(guān)S1、S3、S4、S6的控制完成的，其中在圖示初始狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)S1賦予控制鍵A，其余三個(gè)的控制鍵是B，這就能

19、有四種組合方式，從而達(dá)到四種電表的測(cè)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(duì)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(cè)量值對(duì)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(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=1,B=0）：測(cè)量電流是根據(jù)歐姆定律，用合適的取樣電阻把待測(cè)電流轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的待測(cè)電壓，再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流4mA3.9992mA0.0008mA0.020%6mA5.9992mA0.0008mA0.013%

20、8mA7.9992mA0.0008mA0.010%電阻R130V/60mA=0.5KR22.5K電表選用量程0 60 mA4.3 交流電流的測(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=0，B=0）：測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流44.235mA0.235mA5.875%66.357mA0.357mA5.950%88.475mA0.475mA5.935%電阻R130V/60mA=0.5KR22.5K電表選用量程0 60 mA4.4 直流電壓的測(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=1，B=1）：測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電壓6V6.0025V0.0025V0.042%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%電阻R130V/60mA=0.5K電表選用量程0 60 mA4.5 交流電壓的測(cè)量結(jié)果及其電路圖（A=0，B=1）：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 mA4.6歐姆表調(diào)試記錄：測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電阻600601.81.80.31%9K9.02K0.02K0.22%80K80.35K0.35K0.44%電阻R11KR22.9K電表選用量程0 1mA（忽略了Rm的影響）4.7以下是獨(dú)立