用運算放大器設計萬用表(論文)

.10/10用運算放大器組成萬用表摘要2一引言41.1萬用表的結構41.2萬用表的幾個重要參數41.3萬用表特性說明5二目的與意義62.1目的與意義62.2設計要求6三基本原理63.1運算放大器的工作原理63.2運算放大器調零電路原理83.3萬用表工作原理及參考電路8直流電壓表9直流電流表93.3.3交流電壓表103.3.4交流電流表113.3.5歐姆表11四電壓表的電路設計124.1總電路圖134.2直流電流的測量結果及其電路圖〔A=1,B=0：134.3交流電流的測量結果及其電路圖〔A=0,B=0：144.4直流電壓的測量結果及其電路圖〔A=1,B=1：154.5交流電壓的測量結果及其電路圖〔A=0,B=1：154.6歐姆表調試記錄：164.7以下是獨立的幾個圖,分別是交流電壓圖、直流電壓圖、直流電流圖和交流電流圖17五注意事項17六心得體會18萬用電表簡稱萬用表或三用表,在國家標準中稱作復用表。萬用電表實際上是一種可以進行多種項目測量的便攜式儀器,主要用于測量電壓、電流、電阻。另外可粗略判斷電容器、晶體三極管及二極管、集成電路等元器件的性能好壞。在測量中,萬用電表的接入因不影響被測電路原來的工作狀態(tài),這就要求電壓表應具有無窮大的輸入電阻,電流表的內阻應為零。但實際上,萬用電表表頭的可動線圈總有一定的電阻,例如100uA的表頭,其內阻約為1K,用它進行測量時將會影響被測量,會引起誤差。此外,交流電表中整流二極管的壓降和非線性特性也會產生誤差。如果在萬用電表中使用運算放大器,就能大大降低這些誤差,提高測量精度。在歐姆表中采用運算放大器,不僅能得到線性刻度,還能實現(xiàn)自動調零。運算放大器電路性能的優(yōu)劣直接影響到萬用表的性能。本文從運算放大器電路的結構、原理出發(fā),在闡述運算放大器電路結構、原理的基礎上,用運算放大器設計電路實現(xiàn)萬用表的電路設計。通過仿真與實際電路性能指標的測試、分析、比較,總結出各種電路方案的特點,為電路設計初學者提供一定的參考借鑒。關鍵詞：運算放大器；萬用表；小信號放大。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,所以習慣叫三用表。此外又派生了電容、電感、功率、電平、晶體管靜態(tài)電流放大系數等測量項目。

通過萬用表的組裝,能夠進一步熟悉萬用表的結構、工作原理和使用方法,了解電路理論的實際應用,掌握儀表的裝配和調試工藝,提高實際操作技能。雖然萬用表的型號很多,但其測量原理和測量線路大致相同,其結構也基本相同。我們以500型萬用表為例,具體介紹萬用表的結構、測量線路及裝配等有關知識。1.1萬用表的結構萬用表的結構組成主要分為三個部分。1．指示部分〔表頭

指示部分由磁電系直流微安表組成,表頭刻度盤有多種量程刻度。表頭是萬用表的關鍵部分,許多的重要性能〔如靈敏度、準確度等級等都取決于表頭的參數。其主要作用是通過表頭刻度及指針指示出被測電量的大小。500型萬用表的表頭滿偏電流為40uA,表頭內阻為2.5。2．測量電路測量電路由分壓電阻、分流電阻、整流裝置等組成。其主要作用是將被測電量轉換成適合表頭指示用的電量。3．轉換裝置由轉換開關、旋鈕、插孔等組成。其主要作用是把萬用表的電路轉換為所選的測量種類和合適的量程,來接通不同的測量線路。1.2萬用表的幾個重要參數1、準確度萬用表示值與被測量真值的一致程度稱為萬用表的準確度。它反映了測量結果的基本誤差大小。同一塊萬用表,不同功能檔的準確度也不盡相同。2、表頭靈敏度萬用表所用表頭的滿量程值稱為表頭靈敏度。一般為9.2-200UA。值越小,靈敏度越高,萬用表性能也越好。3、表頭內阻表頭內線圈及上下兩層盤絲的直流電阻之和稱為表頭內阻。萬用表表頭內阻多在幾百到幾千歐之間。一般來說,靈敏度越高,內阻越大。但靈敏度相同的表頭,內阻不盡相同。這是因為,在制造相同表頭時,所選用的線圈和盤絲的阻值很難做到完全一致。4、直流電壓靈敏度直流電壓檔的內阻R與該檔滿量程電壓U的比值稱為直流電壓靈敏度,電壓靈敏度的單位是兆/V或千兆/V,簡稱每伏歐姆數。電壓靈敏度越高,萬用表性能越好。5、直流電流檔的內阻電流表內阻的大小決定于表頭內阻及分流電阻的大小。對同一塊萬用表而言,不同檔級的電流表,其分流電阻不同,所以內阻也不同。電流表的額內阻越小,質量越小。測電流時,將電流表串聯(lián)在被測電路中,對被測電路會造成兩方面的影響：一是它的阻流作用會改變原電路的工作狀態(tài)；二是增加了被測電路的功耗。為了減少這兩方面的影響,內阻越小越好。6、歐姆檔的中值電阻歐姆檔的內阻稱為該檔的中值電阻。已知中值電阻的大小確定該檔的測量范圍,若中值電阻為,則該檔的測量范圍是1/4-4之間。7、交流電壓靈敏度交流電壓檔內阻與該檔量程之比稱為交流電壓靈敏度.1.3萬用表特性說明<1>高準確度和高分辨力<2>電壓表具有高的輸入阻抗<3>測量速率快<4>自動判別極性<5>全部測量實現(xiàn)數字直讀<6>自動調零<7>抗過載能力強當然,數字萬用表也有一些弱點,如：<1>測量時不象指針式儀表那樣能清楚直觀地觀察到指針偏轉的過程,在觀察充放電等過程時不夠方便。<2>數字萬用表的量程轉換開關通常與電路板是一體的,觸點容量小,耐壓不很高,有的機械強度不夠高,壽命不夠長,導致用舊以后換檔不可靠。<3>一般萬用表的V/Ω檔公用一個表筆插孔,而A檔單獨用一個插孔。使用時應注意根據被測量調換插孔,否則可能造成測量錯誤或儀表損壞2.1目的與意義通過萬用表的安裝和調試操作實習,了解萬用表的基本原理與安裝工藝,掌握一般元器件識別及檢測,練習常用儀器的使用,掌握焊接技術和數字萬用表的檢測方法。培養(yǎng)初步的工程設計能力和創(chuàng)新意識,以及嚴謹踏實科學的工作作風和良好的學風,提高解決實際問題的能力和素質,為今后的學習和從事有關的電子技術工作奠定實踐基礎。2.2設計要求根據技術指標要求及實驗室條件自選方案設計出原理電路圖,分析工作原理。列出所有元、器件清單報實驗室備件。安裝調試所設計的電路,使之達到設計要求。記錄實驗結果。3.1運算放大器的工作原理運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端,如圖3－1所示,其中標有"+"號的輸入端為"同相輸入端"而不能叫做正端>,另一只標有"一"號的輸入端為"反相輸入端"同樣也不能叫做負端,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運算放大器的電路符號圖3－1運算放大器的電路符號運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3-1所示。運算放大器有一些非常有意思的特性,靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途,總的來說,這些特性可以綜合為兩條：11、運算放大器的放大倍數為無窮大。22、運算放大器的輸入電阻為無窮大,輸出電阻為零。圖3－2運算放大器可接的兩種電源xian現(xiàn)在我們來簡單地看看由于上面的兩個特性可以得到一些什么樣的結論。圖3－2運算放大器可接的兩種電源首先,運算放大器的放大倍數為無窮大,所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零,輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應該是無窮高的輸出電壓,但受到電源電壓的限制。準確地說,如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高,哪怕只高極小的一點,運算放大器的輸出端就會輸出一個與正電源電壓相同的電壓；反之,如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高,運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓<如果運算放大器用的是單電源,則輸出電壓為零>。其次,由于放大倍數為無窮大,所以不能將運算放大器直接用來做放大器用,必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端<稱為負反饋>來降低它的放大倍數。如圖3-3中左圖所示,的作用就是將輸出的信號返回到運算放大器的反相輸入端,由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的,所以會減小電路的放大倍數,是一個負反饋電路,電阻也叫做負反饋電阻。圖3－3運算放大器的反饋電阻接法〔左：反相接法；右：同相接法圖3－3運算放大器的反饋電阻接法〔左：反相接法；右：同相接法還有,由于運算放大器的輸入電阻為無窮大,所以運算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣,如果我們想象在運算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻,那么加在這個電阻兩端的電壓是不能形成電流的,沒有電流,根據歐姆定律,電阻兩端就不會有電壓,所以我們又可以認為在運算放大器的兩個輸人端電壓是相同的<電壓在這種情況就有點像用導線將兩個輸入端短路,所以我們又將這種現(xiàn)象叫做"虛短">。3.2運算放大器調零電路原理由于集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響,當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時,輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度,要求對失調電壓和失調電流造成的誤差進行補償,這就是運算放大器的調零。"調零"技術是使用運放時必須掌握的。特別是在作直流放大器用時,由于輸入失調電壓和失調電流的影響,當運放的輸入為零時,輸出不為零,將影響運算放大器的精度,嚴重時使運算放大器不能正常工作。調零的原理是,在運放的輸入端外加一個補償電壓,以抵消運放本身的失調電壓,達到調零的目的。有些運放已經引出調零端,只需要按照器件的規(guī)定,接入調零電路進行調零即可,例如本實驗所用到的HA17741。下面以A17741為例,圖1給出了常用外部調零電路。它的調零電路由-12V電源、50kΩ的電阻和調零電位器Rp組成。調零時應將電路接成閉環(huán),將兩個輸入端接"地",調節(jié)調零電位器,使輸出電壓為零。本實驗采用的集成運算放大器為HA17741。圖3-4調零電路3.3萬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不影響被測電路的原工作狀態(tài),這就要求電壓表應具有無窮大的輸入電阻,電流表的內阻應為零。但實際上,萬用Ω,用它進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生誤差。如果在萬用表中使用運算放大器,就能大大降低這些誤差,提高測量精度。在歐姆表中采用運算放大器,不僅能得到線性刻度,還能實現(xiàn)自動調零。直流電壓表圖3-5為同相端輸入,高精度直流電壓表電原理圖。圖3-5直流電壓表表頭電流I與被測電壓Ui的關系為:應當指出：圖1適用于測量電路與運算放大器共地的有關電路。此外,當被測電壓較高時,在運放的輸入端應設置衰減器。直流電流表圖3-6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,就屬于這種情況。為此,應把運算放大器的電源也對地浮動,按此種方式構成的電流表就可象常規(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間關系為:－I1R1＝〔I1－IR2可見,改變電阻比〔R1／R2,可調節(jié)流過電流表的電流,以提高靈敏度。如果被測電流較大時,應給電流表表頭并聯(lián)分流電阻。圖3-6直流電流表交流電壓表由運算放大器、二極管整流橋和直流毫安表組成的交流電壓表如圖4所示。被測交流電壓Ui加到運算放大器的同相端,故有很高的輸入阻抗,又因為負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算放大器的反饋回路中,以減小二極管本身非線性的影響。圖3-7交流電壓表表頭電流I與被測電壓Ui的關系為電流I全部流過橋路,其值僅與Ui／R1有關,與橋路和表頭參數〔如二極管的死區(qū)等非線性參數無關。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算放大器的頻帶和上升速率。交流電流表圖3-8交流電流表圖3-8為浮地交流電流表,表頭讀數由被測交流電流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,則上式可寫為則表頭可按有效值來刻度。歐姆表圖3-9為多量程的歐姆表。圖3-9歐姆表在此電路中,運算放大器改用單電源供電,被測電阻RX跨接在運算放大器的反饋回路中,同相端加基準電壓UREF。∵UP＝UN＝UREFI1＝IX即流經表頭的電流由上兩式消去<UO－UREF>可得可見,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零,當RX＝0時,電路變成電壓跟隨器,UO＝UREF,故表頭電流為零,從而實現(xiàn)了自動調零。二極管D起保護電表的作用,如果沒有D,當RX超量程時,特別是當RX→∞,運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。調整R2,可實現(xiàn)滿量程調節(jié)。4.1總電路圖如圖,為設計的總電路圖。電路說明：黑框以外部位是萬用表的內部結構,黑框以內是四種可能的待測元件。四種功能的切換是以開關S1、S3、S4、S6的控制完成的,其中在圖示初始狀態(tài)下,開關S1賦予控制鍵A,其余三個的控制鍵是B,這就能有四種組合方式,從而達到四種電表的測量功能。AB電表類型10直流電流01交流電壓11直流電壓00交流電流其中1表示對應鍵在初始態(tài)下按下,0表示初態(tài)。黑框中以類似的方式快速切換,便于仿真的進行。所以得數據都是基于此圖制作,圖中的數據為量程的測量值對應電流值,若要制作表頭,需要以此為依據。最后的原理圖,僅供原理參照作用,不做研究。4.2直流電流的測量結果及其電路圖〔A=1,B=0：測量電流是根據歐姆定律,用合適的取樣電阻把待測電流轉化為相應的待測電壓,再進行測量。測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電流4mA3.9992mA0.0008mA0.020%6mA5.9992mA0.0008mA0.013%8mA7.9992mA0.0008mA0.010%電阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ電表選用量程0——60mA4.3交流電流的測量結果及其電路圖〔A=0,B=0：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電流44.235mA0.235mA5.875%66.357mA0.357mA5.950%88.475mA0.475mA5.935%電阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ電表選用量程0——60mA4.4直流電壓的測量結果及其電路圖〔A=1,B=1：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電壓6V6.0025V0.0025V0.042%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%電阻R130V/60mA=0.5KΩ電表選用量程0——60mA4.5交流電壓的測量結果及其電路圖〔A=0,B=1：測量電壓絕對誤差相對誤差輸入電壓65.040V0.599V9.98%87.2015V0.7985V9.98%109.0020V0.9980V9.98%電阻R