三用表的设计

三用表的设计任务单：123号一、表头满偏电流50μA二、DC.A：引入电流0.13mA三、表头内阻+附加串联电阻为Rg=7.1KΩ一、已知参数1．每人的任务条A．直流电流档的引入电流：0.13mAB．测量机构总阻值：7.1KΩ2．公共参数A.测量机构的电流灵敏度：满刻度电流IS：50μAB．DC．A：：2.5级1mA10mA5AC．DC．V：：2.5级2.5V10V250V输入阻抗为：1/ISD．AC．V：5.0级D10V50V250V1000V输入阻抗为；4KΩ/v整流系数为：0.441，二极管正向电阻为：600Ω交流调节电阻为2K～3KE．DΩ．：2.5级×1×10×100（扩展量程×1K）电阻中心值：22ΩΩ工作电池：1.6～1.2V二、各量程的元件参数设计1．DC.A量程的元件参数设计和分电路调试图（1）DC.A量程的元件参数设计。设计一个多量程环形分流式直流电流表，如下图。设表头内阻为Rg，电流灵敏度为Ig，扩大的电流量程为I1、I2、I3、I引。计算各分流电阻R1、R2、R3、R4。1）当电流为I引时：Rs=R1+R2+R3+R4=Ig*Rg/(I引-Ig)=0.00005*7100/(0.00013-0.00005)=4437.5Ω2）当电流为I3时：R1+R2+R3=Ig*(Rg+Rs)/I3=0.00005*(7100+4437.5)/0.001=576.875Ω3）当电流为I2时：R1+R2=Ig*(Rg+Rs)/I2=0.00005*(7100+4437.5)/0.01=57.6875Ω4）当电流为I1时：R1=Ig*(Rg+Rs)/I1=0.00005*(7100+4437.5)/5=0.115375Ω得：R1=0.115375ΩR2=57.57213ΩR3=519.1875ΩR4=3860.625Ω（2）DC.A量程的分电路调试图。2．DC.V量程的元件参数设计和分电路调试图：（1）DC.V量程的元件参数设计。设计一个多量程直流电压表电路，如下图。设表头内阻为Rg，电流灵敏度为Ig。先算R1R1=U1/Ig-Rg=2.5/0.00005-7100=42900Ω再算R2R2=(U2-U1)/Ig=(10-2.5)/0.00005=150000Ω再算R3R3=(U3-U2)/Ig=(250-10)/0.00005=4800000Ω（2）DC.V量程的分电路调试图：3．AC.V量程的元件参数设计和分电路调试图：（1）AC.V量程的元件参数设计。与直流相似。交流电压的分压电阻电路如下图。设表头的内阻为Rg，电流灵敏度为Ig。1）根据给定的交流电压灵敏度（输入阻抗Z）计算出交流引入电流（二极管前）I=1/Z=1/4000=0.00025A2）根据交流引入电流算出半波整流后的（二极管后）电流Ik=I*0.441=0.00011025A3）计算分流电阻R=Ig*Rg/(Ik-Ig)=0.00005*7100/(0.00011025-0.00005)=5892.116183Ω4）可调电阻RP一般是阻抗Z的一半RP=Z/2=2000Ω5）计算U0=Ug+URP+UVD1其中Ug为Rg上电压；URP是电位器RP上电压；UVD1是二极管VD1上的压降，硅管UVD1=0.65V。U0=Ig*Rg+RP*Ik+UVD1=0.00005*7100+2000*0.00011025+0.65=1.2255V6）参考上图，计算各分压电阻R1=(U1-U0)/I=(10-1.2255)/0.00025=35098ΩR2=(U2-U1)/I=(50-10)/0.00025=160000ΩR3=(U3-U2)/I=(250-50)/0.00025=800000ΩR4=(U4-U3)/I=(1000-250)/0.00025=3000000Ω图中C为滤波电容，大约是5μF，防止整流后的脉动波形让表的指针不停的小幅度摆动，D2是保护二极管。（2）AC.V量程的分电路调试图4．Ω量程的元件参数设计和分电路图：（1）Ω量程的元件参数设计1）电阻档基本电路如图所示是电阻档基本电路，其中RP为调零电位器；RP和Rd组成分流电阻。①电位器RP触点移到b点，电池电压最高（E=1.6V)。此时分流电阻为Rb(分流电阻小，分流电流大）。②电位器RP触点移到a点，电池电压最低（E=1.2V）。此时分流电阻为Rb+RP（分流电阻大，分流电流小）。③电位器RP触点移到b、a之间，电池电压为标准（E=1.5V)。此时分流电阻为Rb及RP的一部分之和。2）零支路电阻Rb和RP的计算各档的中心值：低倍率档：R*1的电阻中心值RZ1=22Ω中倍率档：R*10的电阻中心值RZ2=220Ω高倍率档：R*100的电阻中心值RZ3=2200Ω最高倍率档：R*1K的电阻中心值RZ4=22000Ω先用电阻测量高倍率档电阻中心值RZ3计算E不同时的电流，以保证Rx=0时可以调零。例如：RZ3=2200Ω时，b点Imax=1.6/2200=727μA，a点Imin=1.2/2200=545μA,c点I标准=1.5/2200=682μA。当已知流过表头的满刻度电流Ig，表头内阻Rg时，计算如下：①当RP指在a点时的总分流电阻Rb+RP：Rb+RP=Ig*Rg/(Imin-Ig)=0.00005*7100/(0.000545-0.00005)=717.171717Ω②当RP指在b点时分流电阻Rb：Rb=(Rb+RP)*Imin/Imax=717.1717*0.000545/0.000727=537.6321Ω③计算分流电位器RP：RP=(RP+Rb)-Rb=179.5396Ω3）串联电阻Rd的计算串联电阻Rd是由低压高倍率的电阻中心值RZ3确定的。因为电位器RP是变数，设电位器RP触点在中间，阻值为RP/2。接入Rd之后，该档的总内阻等于RZ3，因此有：Rd=RZ3-(Rg+RP/2)*(Rb+RP/2)/[(Rg+RP/2)+(Rb+RP/2)]=1622.9530Ω4）各倍率电阻的计算各倍率电阻的电路如下图所示①设R1为中心电阻值RZ1=22Ω时的并联电阻，考虑电池内阻ro一般为0.9到1.1Ω，从端口看RZ1-ro=RZ3//R。取ro=1Ω，则有：R1=(RZ1-ro)*RZ3/[RZ3-(RZ1-ro)]=(22-1)*2200/(2200-(22-1))=21.202386Ω②设R2为中心电阻值RZ2=220Ω时的并联电阻，同理：R2=RZ2*RZ3/(RZ3-RZ2)=220*2200/(2200-220)=244.44444Ω③设R3为中心电阻值RZ3=2200Ω时的并联电阻，同理：R18=RZ3*RZ3/(RZ3-RZ3)=无穷④设R1k为测量最高倍率档串联电阻，由于其电阻中心值太大，致使灵敏度降低到端口短接（RX=0)也无法调零，所以需要增加电源电压。由于最高倍率档电阻中心值RZ4=22KΩ，比高倍率档大十倍，因而电源电压也大十倍，选电源电压EE为15V的层叠电池，同时无分流电阻（R3=无穷)，可见最高倍率档也无法分流电阻，工作电流与高倍率档相同。则高倍率档串联电阻：R1k=RZ4-RZ3-REE=22000-2200-1000=18800Ω式中REE为电源EE的内阻，大约为1kΩ。（2）Ω量程的分电路调试图三、总线路图：在左下角接入待测物，左上角为表头，满偏电流50μA,内阻和附加阻值一共7.1KΩ。四、校验图及达到的精度等级1.DC.A校验图和校验精度等级的表格：开关分别打到1、2、3、4档对应着I1、I2、I3和I引。接入电流源电流端接入电流(A)电流表输出电流(μA)理论输出电流(μA)I155050.05/316.6716.66710/333.3333.333I20.0150500.01/316.6716.6670.02/333.3333.333I30.00150500.001/316.6616.6670.002/333.3333.3330.000135050I引0.00013/316.6716.670.00026/333.3333.333DC.A的准确度等级为：±k%=0.03/50*100%=0.06%2.5%，满足要求。2.DC.V校验图和校验精度等级的表格：开关1、2、3分别接通，分别检测U3、U2、U1档电压。接入电压源电压端接入电压电流表输出电流理论输出电流U12.550502.5/316.6716.6675/333.3333.333105050U210/316.6716.66720/333.3333.333U32505050250/316.6716.667500/333.3333.333DC.V准确度等级为：±k%=0.03/50*100%=0.06%2.5%，满足要求。3.AC.V校验图和校验精度等级的表格：将开关分别接通，则可以分别校验10V、50V、250V、1000V的交流电压档。档位接入电压值电流表示数理论值绝对误差最大绝对误差10V1050.59500.590.9810/315.6816.6670.9820/332.5833.3330.7550V5051.08501.081.0850/316.5916.6670.07100/333.8233.3330.49250V25051.14501.141.14250/316.9616.6670.30500/334.0533.3331.051000V100051.19501.191.191000/317.0316.6670.362000/334.1033.3331.1010V档准确度±k%=0.98/50*100%=1.96%5%50V档准确度±k%=1.08/50*100%=2.16%5%250V档准确度±k%=1.14/50*100%=2.28%5%1000V档准确度±k%=1.19/50*100%=1.38%5%均满足要求。4.Ω校验图和校验精度等级的表格：（1）1.2V档调零图中心电阻值电流表输出电流2249.0522049.10220049.3022000（2）1.6档调零图中心电阻值电流表输出电流2249.2222050.29220050.4922000（3）22Ω校验图RX电流表示数理论值绝对误差最大绝对误差2224.11250.891.101132.5733.330.766611.5312.50.975.538.90401.101107.698.330.64仪表准确度为±k%=1.10/50*100%=2.2%2.5%,满足要求。（4）220Ω校验图RX电流表示数理论值绝对误差最大绝对误差22024.14250.861.1811032.1533.331.1866012.1012.500.405538.94401.0611008.078.330.26仪表准确度为±k%=1.18/50*100%=2.36%2.5%，满足要求。（5）2200校验图RX电流表示数理论值绝对误差最大绝对误差220024.55250.451.11110032.5533.330.78660012.3812.50.1255038.89401.11110008.278.330.06仪表准确度为±k%=1.11/50*100%=2.22%2.5%，满足要求。（6）22000校验图RX电流表示数理论值绝对误差最大绝对误差2200025.12250.120.211100033.5033.330.176600012.5512.500.05550040.21400.211100008.378.330.04仪表准确度为±k%=0.21/50*100%=0.42%2.5%，满足要求。五、元件、开关及功能表：元件与开关名称功能直流电流档S17直流电流表选择开关选定或断开直流电流档R1、R2、R3、R4直流电流表分流电阻保证各个档位的内阻S3、S4、S5直流电流表换档开关选择档位直流电压档S18直流电压表选择开关选定或断开直流电压档R9、R10、R11直流电压表分压电阻保证各个档位的内阻S9、S10