模電實(shí)驗(yàn)萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)

1、用運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用電表的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、綜合利用所學(xué)知識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)由運(yùn)算放大器、二極管整流電路 及電流表組成萬(wàn)用表電路圖， 搭出時(shí)基電路并組裝調(diào)試， 提高實(shí)驗(yàn)綜合能力與實(shí) 際動(dòng)手能力。2、熟悉萬(wàn)用表各常見(jiàn)功能的測(cè)試電路原理與方法。3、進(jìn)一步體會(huì)運(yùn)算放大器的應(yīng)用，了解其優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)要求1、直流電壓表滿量程+30V2、直流電流表滿量程50mV3、交流電壓表滿量程30V，50Hz1kHz4、交流電流表滿量程50mA5、歐姆表滿量程分別為1k? ，10k?,100k?實(shí)驗(yàn)原理在測(cè)量中，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

2、實(shí)際上， 萬(wàn)用電表表頭的可動(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)將影響被測(cè)量引起誤差。 此外，交流電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。1、直流電壓表圖為同相端輸入，高精度直流電壓表電原理圖為了減小表頭參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響， 將表頭置于運(yùn)算放大器的反饋回路中， 這時(shí)，流經(jīng)表頭的電流與表頭的參數(shù)無(wú)關(guān)，只要改變 R1 一個(gè)電阻，就可進(jìn)行量 程的切換。表頭電流 I 與被測(cè)電壓 Ui 的關(guān)系為UiR

3、1應(yīng)當(dāng)指出，圖適用于測(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。2、直流電流表圖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- I1R1 (I1 I)R2(1R1R2)I1可見(jiàn)，改變電阻比（ R1/R2） 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、交流電壓表由運(yùn)算放大器、 二

4、極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖所示。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UiRi電流 I 全部流過(guò)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(wú)關(guān)。表頭中電流與被測(cè)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(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。4、交流電流表圖為浮地交流電流表，表頭讀數(shù)由被測(cè)交流電流

5、 i 的全波整流平均值 I1A V 決定，即(1RR12)I1AV如果被測(cè)電流 i 為正弦電流，即i12 I1 sin t則上式可寫(xiě)為R1I 0.9(1 1 )I1R2則表頭可按有效值來(lái)刻度。5、歐姆表圖為多量程的歐姆表。在此電路中， 運(yùn)算放大器改由單電源供電， 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 。UP UN U REPI1 I XU REF U o U REFR1RX即RXR1 (Uo U REF)U REF流經(jīng)表頭的電流 IUo U REFR2RZ由上兩式消去 (UO -UREF) 可得U REF RZR1(Rm R2 )可見(jiàn)，電流 I 與被測(cè)電阻

6、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(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、電路設(shè)計(jì)1、萬(wàn)用電表的電路是多種多樣的，建議用參考電路設(shè)計(jì)一只較完整的萬(wàn)用電表。2、萬(wàn)用電表作電壓、電流或歐姆測(cè)量時(shí)、和進(jìn)行量程切換時(shí)應(yīng)用開(kāi)關(guān)切換，但實(shí)驗(yàn)時(shí) 可用引接線切換。五、實(shí)驗(yàn)元器件選擇1、表頭靈

7、敏度為 1mA 內(nèi)阻為 1002、運(yùn)算放大器A7413、電阻器均采用 0.25W 的金屬膜電阻器4、二極管IN4007 4、 IN41485、穩(wěn)壓管IN4728六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析直流電流Us(V)R3(K ? )I1(mA)I3(mA)5100.50.095150.9098181.455測(cè)量電壓表頭顯示測(cè)量結(jié)果0.1mA0.2mA0.1mA0.5mA1mA0.5mA1mA2mA1mA交流電壓測(cè)量電壓表頭顯示測(cè)量結(jié)果0.5V0.167mA0.5V3V1mA3V6V2mA6V交流電流測(cè)量電壓表頭顯示測(cè)量結(jié)果0.1mA0,.198mA0.1mA0.5mA0.99mA0.5mA1mA1.98mA1

8、mA設(shè)計(jì)方案調(diào)試驗(yàn)證：直流電流表20mA 檔I1(mA)Us(V)R3(K ? )R1(K ? )R2(K ? )I(mA)測(cè)量值理論值誤差 %551229.91010.50.51221.06916.02mA 檔I1(mA)Us(V)R3(K ? )R1(K ? )R2(K ? )Rx(?)I(mA)測(cè)量值理論值誤差 %50.5122100.911以上數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求可見(jiàn)，改變電阻比 R1/R2 ，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。交流電壓表 f=100Hz20mA 檔I1(mA)Us(V)R3(K ? )R1(K ? )R2(K ? )I(mA)測(cè)量值理論值誤差 %55.41229.0390.30.50.51220.9010.90.12mA 檔I1(mA)Us(V)R3(K ? )R1(K ? )R2(K ? )Rx(K ?)I(mA)測(cè)量值理論值誤差 %55.4122100.90.91以上數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求可見(jiàn)，改變電阻比 R1/R2 ，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。七、注意事項(xiàng)在連接電源時(shí)，正、負(fù)電源連接點(diǎn)上各接大容量的濾波電容器和0.01 0.1F 的小電容器，以消除通過(guò)電源產(chǎn)生的干擾。萬(wàn)用電表的電性能測(cè)試要用