万用表的设计与调试

1万用表的设计与调试一、实验目的1、了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分；2、掌握用运算放大器组成万用表的设计方法；3、掌握万用表的主要技术指标和调试方法。二、知识点和涉及内容本课程实验主要是运算放大器构成各种简单仪表的原理，直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻的测量测试方法。三、技术指标万用表的测量精确度：2.5级电源电压：12V1、直流电压表量程：6V2、直流电流表量程：5mA3、交流电压表量程：6V，50Hz～1KHz4、交流电流表量程：5mA5、欧姆表量程分别为：1KΩ，10KΩ，100KΩ四、万用表工作原理及参考电路1.运算放大器调零电路原理由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。“调零”技术是使用运放时必须掌握的。特别是在作直流放大器用时，由于输入失调电压和失调电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运算放大器的精度，严重时使运算放大器不能正常工作。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可，例如本实验所用到的HA17741。下面以A17741为例，图1给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12V电源、50kΩ的电阻和调零电位器Rp组成。调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零。2图1调零电路2.工作原理及参考电路在测量中，电表的接入应不影响被测电路的原工作状态，这就要求电压表应具有无穷大的输入电阻，电流表的内阻应为零。但实际上，万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如100μA的表头，其内阻约为1KΩ，用它进行测量时将影响被测量，引起误差。此外，交流电表中的整流二极管的压降和非线性特性也会产生误差。如果在万用电表中使用运算放大器，就能大大降低这些误差，提高测量精度。在欧姆表中采用运算放大器，不仅能得到线性刻度，还能实现自动调零。1、直流电压表图2为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。图2直流电压表为了减小表头参数对测量精度的影响，将表头置于运算放大器的反馈回路3中，这时，流经表头的电流与表头的参数无关，只要改变R1一个电阻，就可进行量程的切换。表头电流I与被测电压Ui的关系为1iRUI应当指出：图1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。2、直流电流表图2是浮地直流电流表的电原理图。在电流测量中，浮地电流的测量是普遍存在的，例如：若被测电流无接地点，就属于这种情况。为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可象常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。图3直流电流表表头电流I与被测电流I1间关系为－I1R1＝（I1－I）R2121)IRR(1I可见，改变电阻比（R1／R2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。如果被测电流较大时，应给电流表表头并联分流电阻。3、交流电压表由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图3所示。被测交流电压ui加到运算放大器的同相端，故有很高的输入阻抗，又因为负反馈能减小反馈回路中的非线性影响，故把二极管桥路和表头置于运算放大4器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。图4交流电压表表头电流I与被测电压ui的关系为1iRUI电流I全部流过桥路，其值仅与Ui／R1有关，与桥路和表头参数（如二极管的死区等非线性参数）无关。表头中电流与被测电压ui的全波整流平均值成正比，若ui为正弦波，则表头可按有效值来刻度。被测电压的上限频率决定于运算放大器的频带和上升速率。4、交流电流表图4为浮地交流电流表，表头读数由被测交流电流i的全波整流平均值I1AV决定，即1AV21)IRR(1I如果被测电流i为正弦电流，即i1＝2I1sinωt，则上式可写为121)IRR0.9(1I则表头可按有效值来刻度。5图5交流电流表5、欧姆表图5为多量程的欧姆表。图6欧姆表在此电路中，运算放大器改由单电源供电，被测电阻RX跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压UREF。∵UP＝UN＝UREFI1＝IX6XREF01REFRUURU即)U(UURRREFOREF1X流经表头的电流m2REFORRUUI由上两式消去(UO－UREF)可得)R(RRRUI2m1XREF可见，电流I与被测电阻成正比，而且表头具有线性刻度，改变R1值，可改变欧姆表的量程。这种欧姆表能自动调零，当RX＝0时，电路变成电压跟随器，UO＝UREF，故表头电流为零，从而实现了自动调零。二极管D起保护电表的作用，如果没有D，当RX超量程时，特别是当RX→∞，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载。有了D就可使输出钳位，防止表头过载。调整R2，可实现满量程调节。五、电路设计1、万用表的电路是多种多样的，建议用参考电路设计一只较完整的万用电表。2、万用表作电压、电流或欧姆测量时，和进行量程切换时应用开关切换，但实验时可用引接线切换。六、实验元器件及所用设备1、表头：灵敏度为1mA1块2、运算放大器：HA177411片3、电位器：500Ω1只，1KΩ2只，2KΩ1只，50KΩ1只，100KΩ1只4、电阻器：1KΩ2只，2.7KΩ1只，10KΩ2只，100KΩ1只均采用W41的金属膜电阻器5、二极管：IN40074只，IN41481只6、稳压管：IN47281只7、保险丝：2.5A8、实验所用设备：模拟实验箱、信号发生器（SP1641B）、数字万用表、面包板7六、注意事项1、在连接电源时，正、负电源连接点上各接大容量的滤波电容器和0.01μf～0.1μf的小电容器，以消除通过电源产生的干扰。2、万用表的电性能测试要用标准电压、电流表校正，欧姆表用标准电阻校正。考虑实验要求不高，建议用数字式214位万用表作为标准表。七、报告要求1、根据设计指标要求，确定电压表、电流表、欧姆表的器件参数；2、利用EWB仿真，画出各种表的输出刻度曲线与表头刻度曲线的对应关系；3、用常用万用表作测试比较，记录万用表各功能档的读数，计算相对误差，各测量数据点表格见附录；4、结合仿真及实验测试结果，对电路提出改进建议，试画出完整的万用表的设计电路原理图；5、总结设计收获与体会。8八、附录1、运算放大器HA17741引脚图2、测量数据表直流电压表测量数据表（V）直流电流表测量数据表（mA）欧姆表测量数据表（欧）交流电流表测量数据（mA）交流电压表测量数据（V）理论值测量值相对误差1.22.43.03.64.8理论值测量值相对误差1.02.02.53.04.01K10K100K理论值测量值误差理论值测量值误差理论值测量值误差2001K10K5002K50K1K2.7K100K理论值测量值相对误差1.02.02.53.04.0理论值测量值相对误差1.22.43.03.64.8