用運(yùn)算放大器組成萬用表的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)仿真

1、精選文檔用運(yùn)算放大器組成萬用表的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康木C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、二極管整流電流及電流表組成萬用表電路圖，搭出實(shí)際電路并組裝調(diào)試，提高實(shí)驗(yàn)綜合能力與實(shí)際動(dòng)手能力。熟悉萬用表各種常見功能的測(cè)試電路原理與方法。進(jìn)一步體會(huì)運(yùn)算放大器的應(yīng)用，了解其優(yōu)勢(shì)。二、 萬用表工作原理萬用表基本功能包括測(cè)量直流電壓與電流，交流電壓與電流，以及電阻測(cè)量。用電表測(cè)量電路參數(shù)時(shí)電表的接入應(yīng)不影響被測(cè)電路的原工作狀態(tài)，這就要求電壓表內(nèi)阻無限大，電流表內(nèi)阻為零。但實(shí)際上，萬用表表頭的可動(dòng)線圈不可避免的有一定電阻，這將引起測(cè)量誤差。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。在

2、此試驗(yàn)中，根據(jù)運(yùn)算放大器“虛斷”與“虛短”的特點(diǎn)，使用運(yùn)算放大器及相應(yīng)電路組成一個(gè)具有基本功能的萬用表，在很大程度上降低了上述誤差，提高測(cè)量精度。此外更能得到實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整線性刻度的歐姆表。在實(shí)驗(yàn)中采用毫安表與運(yùn)算放大器組成萬用表，其基本原理是將交流量測(cè)量轉(zhuǎn)化為直流量測(cè)量，將電壓測(cè)量轉(zhuǎn)化為電流測(cè)量，通過測(cè)量電流來實(shí)現(xiàn)萬用表的測(cè)量功能，故此實(shí)驗(yàn)中最重要的是各轉(zhuǎn)換電路，只需分析清楚各轉(zhuǎn)化電路的作用及其工作原理就不難把握整個(gè)實(shí)驗(yàn)。（1） 直流電壓表圖1為直流電壓表的原理圖。圖1 圖1仿真圖表頭電流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)

3、，在運(yùn)放的輸入端應(yīng)設(shè)置衰減器。（2） 直流電流表圖2 圖2仿真圖表頭電流I與被測(cè)電流I1間關(guān)系為: I1R1（I1I）R2 可見，改變電阻比（R1R2），可調(diào)節(jié)流過電流表的電流，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） 交流電壓表仿真圖如圖3圖3表頭電流I與被測(cè)電流I1間關(guān)系為: I1R1（I1I）R2 可見，改變電阻比（R1R2），可調(diào)節(jié)流過電流表的電流，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。（4） 交流電流表仿真圖如圖4圖4圖4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II1s

4、int，則上式可寫為則表頭可按有效值來刻度。（5） 歐姆表仿真圖如圖5圖5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，電流I與被測(cè)電阻成正比，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)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，使表頭過載。有了D 就可使輸出鉗位，防止表頭過

5、載。調(diào)整R2，可實(shí)現(xiàn)滿量程調(diào)節(jié)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果（1） 直流電流的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流4mA3.9991mA0.0009mA0.018%6mA5.9991mA0.0009mA0.011%8mA7.9991mA0.0009mA0.009%電阻R130V/60mA=0.5KR22.5K電表選用量程0 60 mA（2） 交流電流的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電流44.264mA0.264mA5.975%66.345mA0.345mA5.879%88.475mA0.475mA5.935%電阻R130V/60mA=0.5KR22.5K電表選用量程0 6

6、0 mA（3） 直流電壓的仿真結(jié)果及其仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電壓6V6.0075V0.0075V0.051%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%電阻R130V/60mA=0.5K電表選用量程0 60 mA（4） 交流電壓的仿真結(jié)果及其仿真圖測(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 mA（5） 歐姆表仿真結(jié)果及仿真圖測(cè)量電壓絕對(duì)誤差相對(duì)誤差輸入電阻600601.41.40.

7、26%9K9.005K0.005K0.055%80K80.35K0.35K0.44%電阻R11KR22.9K電表選用量程0 1mA（忽略了Rm的影響）四、 注意事項(xiàng)1、 運(yùn)算放大器的檢測(cè)用數(shù)字式萬用表直流電壓檔，測(cè)量運(yùn)算放大器輸出端與負(fù)電源之間的電壓值（在靜態(tài)時(shí)電壓值較高）。用手持金屬鑷子依次點(diǎn)觸運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端（加入干擾信號(hào)），若萬用表表針有較大幅度的擺動(dòng)，則說明該運(yùn)算放大器完好；若萬用表表針不動(dòng)，則說明運(yùn)算放大器已經(jīng)損壞。2、 測(cè)量電流時(shí)應(yīng)注意消除電源產(chǎn)生的干擾連接電源時(shí)，正負(fù)電源連接點(diǎn)上各接大容量的濾波電容器和小電容器，以消除電源產(chǎn)生的干擾。3、萬用表的使用技巧（1） 測(cè)量前毫安表要水平放置，看指針是否為零，如不在零位，則要機(jī)械調(diào)零。（2） 毫安表按照規(guī)定位置放置，遠(yuǎn)離外磁場(chǎng)。（3） 正確讀數(shù)，減少視覺誤差。（4） 測(cè)量電阻時(shí)，每換一次檔都要重新調(diào)零。五、 心得體會(huì)這是我第一次嘗試設(shè)計(jì)電路并把它仿真出來。不得不說這次實(shí)驗(yàn)對(duì)我來說有一定難度，我在上面花費(fèi)了很多時(shí)間。從構(gòu)思到仿真再到寫報(bào)告，每一環(huán)節(jié)我都會(huì)遇到很多新問題，需要學(xué)習(xí)很多新技能，但最重要的，我收獲了很多新知識(shí)。我不僅對(duì)模電的理論知識(shí)有了更深一步的理解，還學(xué)會(huì)了Multism仿真軟件的使用。這個(gè)仿真軟件非常好用，能幫助我們理解一些理論知識(shí)并驗(yàn)證一些結(jié)論。同時(shí)，這次實(shí)踐動(dòng)手更加讓我明白了，如果知識(shí)