简易模拟万用表.docx
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简易模拟万用表
电子技术课程设计技术任务报告
万
用
表
技术指标与方案论证
(设计题题目)用集成运放设计万用表
技术指标
1.直流电压表测量范围:
(0—6V)
2.直流电流表测量范围:
(0—10mA)
3.交流电压表测量范围及频率范围:
有效值(0-6V),50Hz~1kHz
4.交流电流表测量范围及频率范围:
有效值(0-10mA)
5.欧姆表测程:
(0—1KΩ)
方案论证
在测量中,电表的接入应不影响被测电路的原工作状态,这就要求电压表应具有无穷大的输入电阻。
电流表的内阻应为零,但实际上,万用表表头的可动线圈总有一定的电阻。
例如100μA的表头,其内阻约为1KΩ,用它进行测量时将影响被测量量,引起误差。
此外,交流电表中的整流二极管和非线性特性也会产生误差。
如果在万用表中使用运算放大器,就能大大降低这些误差,提高测量精度。
在欧姆表中采用运算放大器,不仅能得到线性刻度,还能实现自动调零。
万用表的基本原理
万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表(微安表)做表头。
当微小电流通过表头,就会有电流指示。
但表头不能通过大电流,所以,必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压,从而测出电路中的电流、电压和电阻。
下面分别介绍。
图22-1为同相端输入,高进度直流电压表电原理图
为了减小表头参数对测量精度的影响,将表头至于运算放大器的反馈回路中,这时,流经表头的电流与表头的参数无关,只要改变R1一个电阻,就可以进行量程的切换。
表头电流I与被测电压Ui的关系为
应当指出:
图22-1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。
此外,当被测电压较高时,在运放的输入端应设置衰减器。
测直流电流原理
图22-2是浮地直流电流表的电原理图。
在电流测量中,浮地电流的测量是普遍存在的。
例如:
若被测电流无接地点,就属于这种情况。
为此,应把运算放大器的电源也对地浮动。
按此种方式构成的电流表就可像常规电流表那样,串联在任何电流通路中测量电流。
图22-2直流电流表
表头电流I与被测电流I1间关系为:
可见,改变电阻比(R1/R2),可调节流过电流表的电流,以提高灵敏度如果被测电流较大时,应给电流表表头并联分流电阻。
由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图22-3所示。
被测交流电压Ui加到运算放大器的同相端,故有很高的输入阻抗,又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响,故把二极管桥路和表头至于运算放大器的反馈回路中,以减小二极管本身非线性的影响。
表头电流I与被测电压ui的关系为:
测交流电流原理
如图22-4为浮地交流电流表,表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AY决定,即
如果被测电流i为正弦电流,即
则表头可按有效值来刻度。
电流I全部流过桥路,其值仅与Ui/Ri有关,与桥路和表头参数无关。
表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比,若ui为正弦波,则表头可按有效值来刻度。
被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。
测电阻原理
图22-5是多量程的欧姆表
图22-5欧姆表
在此电路中,运算放大器改用单电源供电,北侧电阻Rx跨在运算放大器的反馈回路中,同相端加基准电压UREF。
可见,电流I于被测电阻成正比,而且表头具有线性刻度,改变Ri值,可改变欧姆表的量程。
这种欧姆表能自动调零,当Rx=0是,电路改成电压跟随器,Uo=UREF,故表头电流为零,从而实现了自动调零。
二极管D起保护作用,如果没有D,当Rx超量程时,特别是当Rx→∞,运算放大器的输出电压将接近电源电压,使表头过载。
有了D就可使输出钳位,防止表头过载。
调整R2,可实现满量程调节。
运放制作万用表的电路设计
总图:
如图,为设计的总电路图。
电路说明:
黑框以外部位是万用表的内部结构,黑框以内是四种可能的待测元件。
四种功能的切换是以开关S1、S3、S4、S6的控制完成的,其中在图示初始状态下,开关S1赋予控制键A,其余三个的控制键是B,这就能有四种组合方式,从而达到四种电表的测量功能。
A
B
电表类型
1
0
直流电流
0
1
交流电压
1
1
直流电压
0
0
交流电流
其中1表示对应键在初始态下按下,0表示初态。
黑框中以类似的方式快速切换,便于仿真的进行。
直流电压的电路图:
说明:
5v为待测直流电压
直流电流的电路图:
说明:
4mA为待测直流电流
交流电压的电路图:
说明:
50mV为待测交流电压有效值
交流电流的电路图:
说明:
4mA为待测交流电流峰值
欧姆表电路图:
说明:
R6为待测电阻,S1可控制量程
三测试结果
用万用表测量各种电流、电压、电阻的结果及其分析:
通过改变量程和被测量,测得数组结果,以下对结果进行定量分析。
直流电压的测量结果及分析:
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
6V
6.0025V
0.0025V
0.042%
8V
8.0015V
0.0015V
0.019%
10V
10.003V
0.003V
0.03%
电阻
R1
15V/60mA=0.25KΩ
电表选用量程
0——60mA
直流电流的测量结果及分析:
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4mA
3.9992mA
0.0008mA
0.020%
6mA
5.9992mA
0.0008mA
0.013%
8mA
7.9992mA
0.0008mA
0.010%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
交流电压的测量结果及分析:
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电压
1.0400
0.0400V
4.00%
2
2.2015V
0.2015V
2.01%
4
4.0020V
0.9980V
3.20%
电阻
R1
5V/60mA=0.0833KΩ
电表选用量程
0——60mA
交流电流的测量结果及分析:
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电流
4
4.235mA
0.235mA
5.875%
6
6.357mA
0.357mA
5.950%
8
8.475mA
0.475mA
5.935%
电阻
R1
30V/60mA=0.5KΩ
R2
2.5KΩ
电表选用量程
0——60mA
欧姆表测量结果及分析:
测量电压
绝对误差
相对误差
输入
电阻
300Ω
303.5Ω
3.5
0.44%
600Ω
601.8Ω
1.8Ω
0.31%
900Ω
902.2Ω
2.2Ω
0.22%
电阻
R1
1KΩ
R2
2.9KΩ
电表选用量程
0——1mA(忽略了Rm的影响)
实验设备和主要元器件
1、运算放大器HA17741
2、毫伏表表头满偏电流1mA内阻1000Ω
3、一般电阻和12V直流电源
4.二极管IN4007
5.稳压管2CW51
参考文献
[1]清华大学电子学教研组编,童诗白,华成英主编.《模拟电子技术基础》.第4版.北京:
高等教育出版社,2006
[2]王艳春主编,《电子技术实验与Multisim仿真》.合肥;合肥工业大学出版社2011
[3衣承斌,刘京南编.模拟集成电子技术基础.南京:
东南大学出版社,1994
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