基于集成運(yùn)算放大器的萬用表設(shè)計

課程設(shè)計報告課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目:基于集成運(yùn)算放大器的萬用表設(shè)計初始條件：可選元件：運(yùn)放可選用LM353OP07等，表頭可選用Ω，或者選用31/2數(shù)字表頭；自制直流電源；自備元器件，如：電阻、電位器、電容若干?？捎脙x器：示波器，信號源，毫伏表，萬用表要求完成的主要任務(wù):（1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)已知條件，完成基于集成運(yùn)放萬用電表的設(shè)計、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計要求=1\*GB3①直流電壓表滿量程+6V直流電流表滿量程10mA交流電壓表滿量程6V，50Hz～1KHz交流電流表滿量程10mA歐姆表滿量程分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ=2\*GB3②選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真）=3\*GB3③安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。時間安排：1、2012年11月14日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。2、2012年11月14日至2013年1月20日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3、2013年1月25日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日目錄摘要 41緒論 52.1設(shè)計的目的及主要任務(wù) 52.1.1設(shè)計的目的 52.1.2設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo) 52.2設(shè)計思想 63設(shè)計原理 63.1運(yùn)算放大器的工作原理 63.2萬用表工作原理及參考電路 73.2.1直流電壓表 73.2.2直流電流表 83.2.3交流電壓表 83.2.4交流電流表 93.2.5歐姆表 10 11 11 13 14摘要本文從運(yùn)算放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā)，在查閱大量參考資料的前提下，在闡述運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上,用運(yùn)算放大器設(shè)計電路實(shí)現(xiàn)萬用表的電路設(shè)計。通過仿真與實(shí)際電路性能指標(biāo)的測試、分析、比較,總結(jié)出了直流電壓、電流表，交流電壓、電流表，以及歐姆表的電路圖，最后進(jìn)行實(shí)物的裝配與調(diào)試。關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；萬用表；小信號放大。1緒論萬用電表簡稱萬用表。它是一種多量程和多電量的測量儀表，一般情況以測量電流、電壓和電阻為主要目標(biāo)，所以習(xí)慣叫三用表。普通的模擬電表，常以電磁式電流表（又稱表頭）作為指示器，它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、刻度線性以及受外磁場和溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)，但其性能還不能達(dá)到較為理想的程度。在某些測量電路中，要求電壓表有很高的內(nèi)阻，而電流表的內(nèi)阻卻很低。將集成運(yùn)算放大器與電磁式電流表結(jié)合，可構(gòu)成性能優(yōu)良的電子測量儀表。此外，通過萬用表的組裝，能夠進(jìn)一步熟悉萬用表的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法，了解電路理論的實(shí)際應(yīng)用，掌握儀表的裝配和調(diào)試工藝，提高實(shí)際操作技能。2設(shè)計內(nèi)容及要求2.1設(shè)計的目的及主要任務(wù)2.1.1設(shè)計的目的=1\*GB3①了解萬用表的基本工作原理及其相關(guān)組成部分；=2\*GB3②掌握用運(yùn)算放大器組成萬用表的設(shè)計方法；=3\*GB3③掌握萬用表的主要技術(shù)指標(biāo)和調(diào)試方法。2.1.2設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)=1\*GB3①直流電壓表滿量程+6V直流電流表滿量程10mA交流電壓表滿量程6V，50Hz～1KHz交流電流表滿量程10mA歐姆表滿量程分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ=2\*GB3②選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。2.2設(shè)計思想主要是用運(yùn)算放大器構(gòu)成各種簡單儀表電路（包括直流電壓表電路、直流電流表電路、交流電壓表電路、交流電流表電路、歐姆表電路），然后通過仿真軟件分別對各個獨(dú)立的電路進(jìn)行仿真，接著就是用食物對各個獨(dú)立的電路進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)無誤后畫出整體電路圖，最后進(jìn)行整體電路的焊接與調(diào)試。3設(shè)計原理3.1運(yùn)算放大器的工作原理運(yùn)算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，如圖3-1所示，其中標(biāo)有“+”號的輸入端為“同相輸入端”，另一只標(biāo)有“一”號的輸入端為“反相輸入端”，如果先后分別從這兩個輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相，而與反相輸入端的信號反相。圖3-1運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖3-2所示。圖3-2運(yùn)算放大器有如下兩個特點(diǎn)： =1\*GB3①輸入端電壓趨于零，可做“虛短”、“虛地”處理。 =2\*GB3②輸入端子電流趨于零，可做“虛斷”處理。本次設(shè)計涉及到兩種運(yùn)放：uA741，LM324。單運(yùn)放uA741四運(yùn)放LM3243.2萬用表工作原理及參考電路在測量中，電壓表或者電流表的接入應(yīng)不影響被測電路的原工作狀態(tài)，這就要求電壓表應(yīng)具有無窮大的輸入電阻，電流表的內(nèi)阻應(yīng)為零。但實(shí)際上，萬用表表頭的可動線圈總有一定的電阻，例如100μA的表頭，其內(nèi)阻約為1KΩ，用它進(jìn)行測量時將影響到被測量，從而引起誤差。此外，交流表中的整流二極管的壓降和非線性特性也會產(chǎn)生誤差。如果在萬用表中使用運(yùn)算放大器，就能大大降低這些誤差，提高測量精度。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)自動調(diào)零。3.2.1直流電壓表圖1為同相端輸入，高精度直流電壓表電原理圖。圖1直流電壓表表頭電流I與被測電壓Ui的關(guān)系為:=6V6kΩ=1mA3.2.2直流電流表圖2是浮地直流電流表的電原理圖。在電流測量中，浮地電流的測量是普遍存在的，例如：若被測電流無接地點(diǎn)，就屬于這種情況。為此，應(yīng)把運(yùn)算放大器的電源也對地浮動，按此種方式構(gòu)成的電流表就可像常規(guī)電流表那樣，串聯(lián)在任何電流通路中測量電流。表頭電流I與被測電流I1間關(guān)系為:－I1R1＝（I1－I）R2=(1+1kΩ1kΩ)*10mA=20mA可見，改變電阻比（R1／R2），可調(diào)節(jié)流過電流表的電流，以提高靈敏度。如果被測電流較大時，應(yīng)給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。圖2直流電流表3.2.3交流電壓表運(yùn)算放大器、二極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖3所示。被測交流電壓Ui加到運(yùn)算放大器的同相端，故有很高的輸入阻抗，又因為負(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與被測電壓Ui的關(guān)系為*0.9圖3交流電壓表電流I全部流過橋路，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)）無關(guān)。表頭中電流與被測電壓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刻度。被測電壓的上限頻率決定于運(yùn)算放大器的頻帶和上升速率。3.2.4交流電流表圖4交流電流表圖4為浮地交流電流表，表頭讀數(shù)由被測交流電流i的全波整流平均值I1AV決定，即如果被測電流I1為正弦電流，即I＝I1sinωt，則上式可寫為=0.9*2*10mA=18mA則需在表頭兩端并聯(lián)電阻分流。3.2.5歐姆表圖5歐姆表在此電路中，運(yùn)算放大器改用單電源供電，被測電阻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Up?！逫1＝IXUpR1=Uo-UpRx即Rx=流經(jīng)表頭的電流I=Uo-Up由上兩式消去(Uo－Up)可得I=U可見，電流I與被測電阻成正比，而且表頭具有線性刻度，改變R1值，可改變歐姆表的量程。這種歐姆表能自動調(diào)零，當(dāng)RX＝0時，電路變成電壓跟隨器，Uo=Up，故表頭電流為零，從而實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)零。二極管D（1N4148）起保護(hù)電表的作用，如果沒有D，當(dāng)RX超量程時，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，防止表頭過載。調(diào)整R2，可實(shí)現(xiàn)滿量程調(diào)節(jié)。下圖為設(shè)計的總的電路圖：說明：=1\*GB3①1mA表頭的+、-極通過杜邦線與電路圖中對應(yīng)的+、-相連，起到了開關(guān)的作用。=2\*GB3②++表示待測源的正極，待測源的負(fù)極一般接地。=3\*GB3③圖中左上角為直流電壓表，左下角為直流電流表，右上角為交流電壓電流表，右下角為歐姆表。[1]楊柳，陳映芳.淺析萬用表的設(shè)計、安裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)中的問題及其解決方法.《南方職業(yè)教