運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬(wàn)用表課程設(shè)計(jì)

1、電子線路課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）題目 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬(wàn)用表 系 別 物理與電子工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 08電科3 學(xué) 號(hào) 050208324 日 期 2010年6月27日2010年7月2日 目 錄目 錄2第一章 題目要求與目的31.1課題及技術(shù)指標(biāo)31.1.1課題名稱31.1.2技術(shù)指標(biāo)31.1.3課程設(shè)計(jì)元器件及所用設(shè)備31.2課程設(shè)計(jì)目的3第二章 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42.1課題分析42.1.1萬(wàn)用表工作原理42.1.2運(yùn)算放大器工作原理62.1.3調(diào)零電路原理72.2由原理設(shè)計(jì)電路圖82.2.1組合電路圖82.2.2直流電壓表設(shè)計(jì)92.2.3直流電流表設(shè)計(jì)102.2.4交流電壓表

2、設(shè)計(jì)122.2.5交流電流表設(shè)計(jì)132.2.6歐姆表設(shè)計(jì)13第三章實(shí)踐總結(jié)13參考文獻(xiàn)13第一章 題目要求與目的1.1課題及技術(shù)指標(biāo)1.1.1課題名稱用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬(wàn)用表1.1.2技術(shù)指標(biāo)1、直流電壓表 滿量程5v2、直流電流表 滿量程10ma3、交流電壓表 滿量程5v （50hz1000 hz）4、交流電流表 滿量程10ma5、歐姆表 滿量程分別為1k歐姆、10k歐姆和100k歐姆6、其它可任意發(fā)揮1.1.3課程設(shè)計(jì)元器件及所用設(shè)備1、運(yùn)算放大器： lm324n 2片2、電阻器： 1k 4只，2.9 k 1只，3.3 k 1只，10 k、100 k 各1只3、二極管： 1n4007 1只

3、4、開(kāi)關(guān)： 單刀雙擲 3個(gè)，單刀三擲1個(gè)，雙刀四擲1個(gè)，三刀六1個(gè)5、其它： 橋式整流電橋，表頭，電源若干1.2課程設(shè)計(jì)目的1、學(xué)會(huì)用multisim軟件設(shè)計(jì)模擬電路。2、了解萬(wàn)用表的基本工作原理及其相關(guān)組成部分3、掌握運(yùn)算放大器組成萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)方法4、掌握萬(wàn)用表的主要技術(shù)指標(biāo)和調(diào)試方法第二章 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1課題分析2.1.1萬(wàn)用表工作原理1、萬(wàn)用表的工作原理萬(wàn)用表的基本原理是利用一只靈敏的磁電式直流電流表（微安表）做表頭。當(dāng)微小電流通過(guò)表頭，就會(huì)有電流指示。但表頭不能通過(guò)大電流，所以，必須在表頭上并聯(lián)與串聯(lián)一些電阻進(jìn)行分流或降壓，從而再由所得的電流值轉(zhuǎn)換成待測(cè)電路中的電流、電壓和電

4、阻。下面分別介紹：1）直流電流測(cè)法如下圖所示，在表頭上并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ń蟹至麟娮瑁┻M(jìn)行分流，就可以擴(kuò)展電流量程。改變分流電阻的阻值，就能改變電流測(cè)量范圍。表頭圖2.1.1 側(cè)直流電流2）直流電壓測(cè)法如下圖所示，在表頭上串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ń斜对鲭娮瑁┻M(jìn)行降壓，就可以擴(kuò)展電壓量程。改變倍增電阻的阻值，就能改變電壓的測(cè)量范圍。表頭圖2.1.2 測(cè)直流電壓3）交流電壓測(cè)法如下圖所示，因?yàn)楸眍^是直流表，所以測(cè)量交流時(shí)，需加裝一個(gè)并、串式半波整流電路，將交流進(jìn)行整流變成直流后再通過(guò)表頭，這樣就可以根據(jù)直流電的大小來(lái)測(cè)量交流電壓。擴(kuò)展交流電壓量程的方法與直流電壓量程相似。表頭圖2.1.3 測(cè)交流電壓4

5、）交流電流測(cè)法 測(cè)交流在直流的基礎(chǔ)上將交流信號(hào)用半波整流器轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)同樣可得出交流電流。擴(kuò)展交流電流量程的方法與交流電流量程相似。5）電阻測(cè)法如下圖所示，在表頭上并聯(lián)和串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?，同時(shí)串接一節(jié)電池，使電流通過(guò)被測(cè)電阻，根據(jù)電流的大小，就可測(cè)量出電阻值。改變分流電阻的阻值，就能改變電阻的量程。 表頭圖2.1.4 測(cè)電阻 2.1.2運(yùn)算放大器工作原理運(yùn)放有兩個(gè)輸入端a（反相輸入端），b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓加u-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn))之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓u實(shí)際方

6、向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓u+加在b端和公共端之間，u與u+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見(jiàn)，a端和b 端分別用-和+號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性.電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。 運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間

7、的某一范圍變化。 運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。 運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=a0（e1-e2），其中，a0 是運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益（如 100db，即 100000 倍），e1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，e2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。2.1.3調(diào)零電路原理由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)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

8、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。特別是在做直流放大器時(shí)，由于輸入失調(diào)電壓和輸入失調(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，一抵消運(yùn)放本身的失調(diào)電壓，打到凋零的目的。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，接入凋零電路進(jìn)行調(diào)零即可。如下圖為本實(shí)驗(yàn)所用的調(diào)零電路。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。圖2.1.3 凋零電路圖2.2由原理設(shè)計(jì)電

9、路圖2.2.1組合電路圖圖2.2.1 萬(wàn)用表內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(lèi)型10直流電流01交流電壓11直流電壓00交流電流注：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(lèi)似的方式快速切換，便于仿真的進(jìn)行。表2.2.1 測(cè)量方式2.2.2直流電壓表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案：當(dāng)開(kāi)關(guān)a=1，b=1，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)直流電壓表的功能。2、測(cè)量數(shù)據(jù)：測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤

10、差輸入電壓5v5.002v0.002 v0.04%3v3.002 v0.002 v0.07%1v1.002 v0.002 v0.20%表2.2.2. 直流電壓表測(cè)量數(shù)據(jù)圖2.2.2（a） 直流電壓測(cè)試圖3、電路圖：圖2.2.2（b）直流電壓獨(dú)立電路圖2.2.3直流電流表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案：開(kāi)關(guān)a=1,b=0，實(shí)現(xiàn)直流電流表的功能。2、測(cè)量數(shù)據(jù)：理論值測(cè)試電流絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流4ma8 ma7.998 ma0.002 ma0.025%6ma12ma11.998 ma0.002ma0.017%10 ma20 ma19.999 ma 0.001 ma0.005%表2.2.3直流電流表測(cè)量數(shù)據(jù)圖2

11、.2.3（a） 直流電流測(cè)試圖3、電路圖圖2.2.3（b） 直流電流獨(dú)立電路圖2.2.4交流電壓表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案：開(kāi)關(guān)a=0，b=1，實(shí)現(xiàn)交流電壓表的功能。2、測(cè)量數(shù)據(jù)：理論值測(cè)試電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電壓5cos100t (v)4.5ma4.583 ma0.083 ma1.844%4cos100t (v)3.6 ma3.666 ma0.066 ma1.833%2cos100t (v)1.8 ma1.833 ma0.033 ma1.833%表2.2.4交流電壓表測(cè)量數(shù)據(jù)圖2.2.4(a) 交流電壓表測(cè)試圖3、電路圖圖2.2.4(b) 交流電壓表獨(dú)立電路圖2.2.5交流電流表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案

12、：開(kāi)關(guān)a=0，b=0，實(shí)現(xiàn)交流電流表的功能。2、測(cè)量數(shù)據(jù)：理論值測(cè)試電流絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電阻4cos100t (ma)5.656 ma5.185 ma0.471 ma8.33%6cos100t (ma)8.484 ma7.639 ma0.845 ma9.96%10cos100t (ma)14.141ma12.732 ma1.409 ma9.96%表2.2.5 交流電流表測(cè)量數(shù)據(jù)圖2.2.5（a） 交流電流表測(cè)試圖3、電路圖：圖2.2.5（a） 交流電流表獨(dú)立電路圖2.2.6歐姆表設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)方案根據(jù)原理設(shè)計(jì)出電路圖如下圖所示，其中r5擇2.9k歐姆，r4擇3.3k歐姆。在該電路中，運(yùn)算放大

13、器改用單電源供電，被測(cè)電阻r6跨接在運(yùn)算放大器的反饋電路中，同相端加基準(zhǔn)電壓u1，由負(fù)反饋的虛短和虛斷可知，u1/r=(uu1)/r6，所以r6=r（uu1）/u1，其中表頭電流為i=（uu1）/r5，由以上三個(gè)式子可得出i=r6u1/rr5(其中r為所選取的量程，即r1，r2，r3)。由此可知表頭電流i與被測(cè)電阻成正比，改變r(jià)的值可改變電表的量程。其中二極管起到保護(hù)電表的作用，當(dāng)r6超量程時(shí)，特別是r6時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓將接近電源電壓，使表頭過(guò)載，有了二極管d可使輸出鉗位，防止表頭過(guò)載。2、測(cè)量數(shù)據(jù)表表頭電流測(cè)量電阻絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電阻600622.613ua601.861.860

14、.3%4k415.223ua4.0138k0.0138k0.35%70k726.974ua70.2742k0.2742k0.39%表2.2.6 歐姆表測(cè)量數(shù)據(jù)圖2.2.6（a） 歐姆表測(cè)試圖3、獨(dú)立電路圖圖2.2.6（a） 歐姆表獨(dú)立電路圖第三章 實(shí)踐總結(jié)這一次課程設(shè)計(jì)，我們小組選的是：用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)萬(wàn)用表。課題看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，仔細(xì)回想，對(duì)我們學(xué)電子的，萬(wàn)用表在熟悉不過(guò)了，無(wú)需太動(dòng)腦，但在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)想要做好這個(gè)萬(wàn)用表其實(shí)也并不簡(jiǎn)單。實(shí)訓(xùn)讓我們接觸到很多關(guān)于電子方面的東西，而這些知識(shí)以后會(huì)用的更多，比如運(yùn)算放大器的基本原理和運(yùn)用，橋式整流電橋和二極管等元器件。而且本學(xué)期也開(kāi)了模電這門(mén)

15、課，我想會(huì)對(duì)我學(xué)習(xí)模擬電子更有幫助。實(shí)訓(xùn)時(shí)間不長(zhǎng)，再加上要期末考試了，那就要求我們盡快而又正確地用這些知識(shí)把電路設(shè)計(jì)出來(lái)，那么才有更多的時(shí)間分析調(diào)試。實(shí)踐一開(kāi)始，我們小組就開(kāi)始查閱資料，在這過(guò)程中小組成員團(tuán)結(jié)合作，各自分工。就這樣資料全了，然而零碎的知識(shí)和原理要轉(zhuǎn)換成實(shí)際電路圖，就要求我們連貫的運(yùn)用知識(shí)。首先我們?cè)O(shè)計(jì)萬(wàn)用表的直流電路，直流電路分為直流電壓電路和直流電流電路，設(shè)計(jì)直流電壓電路我們想到了通過(guò)分壓求電流，而運(yùn)算放大器在這里起電壓電壓調(diào)節(jié)的作用。一步接著一步，我們大體上把電路的框架弄好了。由于歐姆表需要內(nèi)置電源，我們就將它獨(dú)立出來(lái)了。后來(lái)的調(diào)試以及電路修改，我們花了不少時(shí)間，但在這部分

16、時(shí)間里，我們對(duì)各種元件的特性了解更深了。比如由二極管組成的全波整流器，它是怎樣工作的，又是怎樣將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的值的。這是在理論上很難很快就理解的。再比如說(shuō)，在課程設(shè)計(jì)起初，關(guān)于測(cè)量值的顯示問(wèn)題，一開(kāi)始我們誤認(rèn)為加在電路中的微電流表既可以測(cè)電流又可以測(cè)電壓，這種誤導(dǎo)讓我們走了好多彎路，這也是我們沒(méi)能夠徹底了解電路工作原理就開(kāi)始設(shè)計(jì)電路而犯下的錯(cuò)。但現(xiàn)在我們知道了，微電流源只是一個(gè)表頭，只可以顯示直流電流，再通過(guò)所顯示的直流電流轉(zhuǎn)化為待測(cè)量。這次課程設(shè)計(jì)也鍛煉了我們多方面思維的能力，也然我學(xué)習(xí)了不少技術(shù)，了解了更多電子上基礎(chǔ)的知識(shí)。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中我們使用的是multisim軟件，它是用來(lái)模擬實(shí)際電路的，我向我們以后還會(huì)用到它。這次課程設(shè)計(jì)，鍛煉了我連貫運(yùn)用知識(shí)的能力。參考文獻(xiàn)1.清華大學(xué)電子學(xué)教