简易模拟集成万用表.docx

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简易模拟集成万用表

2013~2014学年第2学期

《模拟电子技术》

课程设计报告

题目：

简易模拟集成万用表

专业：

电气工程及其自动化

班级：

12级电气工程及其自动化

（1）班

任务书

课题名称

简易模拟集成万用表

指导教师（职称）

江春红

执行时间

2013~2014学年第2学期第14周

学生姓名

学号

承担任务

张羽晨

1209141071

设计直流电压表并进行仿真

徐晶晶

1209141060

设计直流电流表并进行仿真

何永康

1209141018

设计交流电压表并进行仿真

丁伟

1209141008

设计交流电流表并进行仿真

孙学峰

1209141042

设计欧姆表并进行仿真

邓忠建

1209141007

整理测量数据、整理并完成课程设计报告

设计目的

1、通过对集成万用表的的设计、了解由集成运放组成的测电压、电流等电路，学会在实际电路中应用；

2、进一步熟悉集成运放的线性应用。

设计要求

1、直流电压测量范围：

（0~25V）±5%；

2、直流电流测量范围：

（0~20mA）±5%；

3、交流电压测量范围及频率范围：

有效值（0~10V）±5%，50Hz~1000Hz；

4、交流电流测量范围及频率范围：

有效值（0~20mA）±5%；

5、欧姆表测程：

（0~1KΩ）±5%；

6、采用模拟集成电路，器件自选。

绪论

万用电表简称万用表或三用表，在国家标准中称作复用表。

万用电表实际上是一种可以进行多种项目测量的便携式仪器，主要用于测量电压、电流、电阻。

另外可粗略判断电容器、晶体三极管及二极管、集成电路等元器件的性能好坏。

在测量中，万用电表的接入因不影响被测电路原来的工作状态，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，万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如100uA的表头，其内阻约为1K，用它进行测量时将会影响被测量，会引起误差。

此外，交流电表中整流二极管的压降和非线性特性也会产生误差。

如果在万用电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。

运算放大器电路性能的优劣直接影响到万用表的性能。

本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构、原理的基础上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。

通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较,总结出各种电路方案的特点,为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。

目录

任务书2

绪论3

第一章题目要求与方案论证5

1.1简易模拟集成万用表5

1.1.1题目要求5

1.1.2方案论证5

1.2课程设计目的5

第二章电子线路设计6

2.1万用表工作原理6

2.1.1测直流电压原理6

2.1.2测直流电流原理7

2.1.3测交流电压原理8

2.1.4测交流电流原理9

2.1.5测电阻原理9

2.2运放制作万用表的电路设计10

2.2.1总图：

10

2.2.2直流电压的电路图：

12

2.2.3直流电流的电路图：

12

2.2.4交流电压的电路图：

13

2.2.5交流电流的电路图：

13

2.2.6欧姆表电路图：

14

第三章结果与分析15

3.1用万用表测量各种电流、电压和电阻15

3.1.1直流电流的测量15

3.1.2交流电流的测量15

3.1.3直流电压的测量16

3.1.4交流电压的测量17

3.2测量结果及分析17

3.2.1直流电压的测量结果及分析：

17

3.2.2直流电流的测量结果及分析：

17

3.2.3交流电压的测量结果及分析：

18

3.2.4交流电流的测量结果及分析：

18

3.2.5欧姆表测量结果及分析：

18

总结19

参考文献20

附录21

第一章题目要求与方案论证

1.1简易模拟集成万用表

1.1.1题目要求

1、直流电压测量范围：

（0~25V）±5%；

2、直流电流测量范围：

（0~20mA）±5%；

3、交流电压测量范围及频率范围：

有效值（0~10V）±5%，50Hz~1000Hz；

4、交流电流测量范围及频率范围：

有效值（0~20mA）±5%；

5、欧姆表测程：

（0~1KΩ）±5%；

6、采用模拟集成电路，器件自选。

1.1.2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。

1.2课程设计目的

1、通过对集成万用表的的设计、了解由集成运放组成的测电压、电流等电路，学会在实际电路中应用；

2、进一步熟悉集成运放的线性应用。

第二章电子线路设计

2.1万用表工作原理

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。

2.1.1测直流电压原理

图2-1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。

图2-1

表头电流I与被测电压Ui的关系为：

I=Ui/R1

应当指出：

图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。

2.1.2测直流电流原理

图2-2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2-2

表头电流I与被测电流I1间关系为：

I=（1+R1/R3）I1

可见，改变电阻比R1/R3可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。

该图被测电流回路无接地点，即所谓浮地电流时，则把运算放大器的电源也对地浮起来。

2.1.3测交流电压原理

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2-3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。

图2-3

表头电流I与被测电压ui的关系为：

I=Ui/R1

2.1.4测交流电流原理

图4

图2-4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I1AV决定，即

2.1.5测电阻原理

图2-5

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。

2.2运放制作万用表的电路设计

2.2.1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。

2.2.2直流电压的电路图：

说明：

5v为待测直流电压

2.2.3直流电流的电路图：

说明：

4mA为待测直流电流

2.2.4交流电压的电路图：

说明：

5V为待测交流电压有效值

2.2.5交流电流的电路图：

说明：

10mA为待测交流电流峰值

2.2.6欧姆表电路图：

说明：

R6为待测电阻，S1可控制量程

第三章结果与分析

3.1用万用表测量各种电流、电压和电阻

对所设计的各个电表进行仿真。

3.1.1直流电流的测量

3.1.2交流电流的测量

3.1.3直流电压的测量

3.1.4交流电压的测量

3.2测量结果及分析

3.2.1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

5V

5.002V

0.002V

0.040%

10V

10.003V

0.003V

0.030%

15V

15.003V

0.003V

0.020%

20V

20.004V

0.004V

0.020%

3.2.2直流电流的测量结果及分析：

测量电流

绝对误差

相对误差

输入

电流

5mA

4.9970mA

0.0030mA

0.0600%

10mA

9.9980mA

0.0020mA

0.0200%

15mA

14.9990mA

0.0010mA

0.0067%

3.2.3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

1.0400V

0.0400V

4.00%

4

4.0100V

0.0100V

2.50%

9

9.0200V

0.0200V

2.20%

3.2.4交流电流的测量结果及分析：

测量电流

绝对误差

相对误差

输入

电流

5

5.002mA

0.002mA

0.040%

10

10.003mA

0.003mA

0.030%

15

15.003mA

0.003mA

0.020%

3.2.5欧姆表测量结果及分析：

测量电阻

绝对误差

相对误差

输入

电阻

300Ω

303.5Ω

3.5Ω

0.44%

600Ω

601.8Ω

1.8Ω

0.31%

900Ω

902.2Ω

2.2Ω

0.22%

总结

万用表主要用于测量电压、电流、电阻。

另外可粗略判断电容器、晶体三极管及二极管、集成电路等元器件的性能好坏。

本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在阐述运算放大器电路结构、原理的基础上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。

通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较,总结出各种电路方案的特点,为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。

课题中万用电表的电性能测试要用标准电压、电流表校正，欧姆表用标准电阻校正。

考虑实验要求不高，建议用数字式万用电表作为标准表。

通过这次课程设计让我们懂得了理论与实际操作之间的差距，也让我们体会到了模电理论知识的实用性,发现了自身知识的不足，积累了课程设计的经验。

小组合作共同完成任务更让我们学会了合理分工与协调合作，体会到合作的重要性，认识到每一个课题任务都需要小组成员的共同努力与付出。

这次课程设计从各方面让我们组全体成员都学到了很多，十分感谢学校给我们学习的机会。

由于我们第一次进行此类课程设计，在完成课题时难免有很多纰漏，所以在课程设计过程中江老师的多次认真辅导和热心帮助让我们有很大进步，使我们受益匪浅。

最后，我们全组成员对江老师的辛勤辅导表示由衷的感谢。

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

附录

一、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

二、注意事项

1.在连接电源时，正、负电源连接点上均接大容量的滤波电容器和0.01μF～0.1μF的小容器，以消除通过电源产生的干扰。

2.万用电表的电性能测试要用标准电压、电流表校正，欧姆表用标准电阻校正。

考虑实验要求不高，建议用数字式万用电表作为标准表。

答辩记录

课题名称

简易模拟集成万用表

答辩教师（职称）

江春红

答辩时间

5月16

答

辩

记

录

问题1：

万用表的结构主要由哪些组成？

邓忠建：

指示部分（表头）、测量电路和由转换开关、旋钮、插孔等组成的转换装置。

问题2：

万用表的工作原理是什么？

张羽晨：

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。

问题3：

万用表主要用于什么？

徐晶晶：

主要用于测量电压、电流、电阻。

另外可粗略判断电容器、晶体三极管及二极管、集成电路等元器件的性能好坏。

问题4：

集成运放的工作原理是什么？

何永康：

运算放大器具有两个输入端和一个输出端，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：

输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。

运算放大器有如下两个特点：

输入端电压趋于零，可做“虚短”、“虚地”处理；输入端电流趋于零，可做“虚断”处理。

问题5：

测电阻原理图中二极管D的作用是什么？

丁伟：

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

问题6：

运算放大器调零电路原理是什么？

孙学峰：

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。

为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。

调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。

评分表

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学号

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