用运算放大器组成万用表的设计 实验仿真.doc

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1、用运算放大器组成万用表的设计一、实验目的综合利用所学知识，根据设计要求设计由运算放大器、二极管整流电流及电流表组成万用表电路图，搭出实际电路并组装调试，提高实验综合能力与实际动手能力。熟悉万用表各种常见功能的测试电路原理与方法。进一步体会运算放大器的应用，了解其优势。二、万用表工作原理万用表基本功能包括测量直流电压与电流，交流电压与电流，以及电阻测量。用电表测量电路参数时电表的接入应不影响被测电路的原工作状态，这就要求电压表内阻无限大，电流表内阻为零。但实际上，万用表表头的可动线圈不可避免的有一定电阻，这将引起测量误差。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

2、差。在此试验中，根据运算放大器“虚断”与“虚短”的特点，使用运算放大器及相应电路组成一个具有基本功能的万用表，在很大程度上降低了上述误差，提高测量精度。此外更能得到实现自动调整线性刻度的欧姆表。在实验中采用毫安表与运算放大器组成万用表，其基本原理是将交流量测量转化为直流量测量，将电压测量转化为电流测量，通过测量电流来实现万用表的测量功能，故此实验中最重要的是各转换电路，只需分析清楚各转化电路的作用及其工作原理就不难把握整个实验。（1）直流电压表图1为直流电压表的原理图。图1图1仿真图表头电流I与被测电压Ui的关系为: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

3、，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图2仿真图表头电流I与被测电流I1间关系为:－I1R1＝（I1－I）R2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。（1）交流电压表仿真图如图3图3表头电流I与被测电流I1间关系为:－I1R1＝（I1－I）R2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。（1）交流电流表仿真图如图4图4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，即如

4、果被测电流I1为正弦电流，即I＝I1sinωt，则上式可写为则表头可按有效值来刻度。（1）欧姆表仿真图如图5图5在此电路中，运算放大器改用单电源供电，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＝IX即流经表头的电流由上两式消去(UO－UREF)可得可见，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

5、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。一、实验内容与结果（1）直流电流的仿真结果及其仿真图测量电压绝对误差相对误差输入电流4mA3.9991mA0.0009mA0.018%6mA5.9991mA0.0009mA0.011%8mA7.9991mA0.0009mA0.009%电阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ电表选用量程0——60mA（1）交流电流的仿真结果及其仿真图测量电压绝对误差相对误差输入电流44.264mA0.264mA5.975%66.345mA0.345mA5.879%88.475mA0.475m

6、A5.935%电阻R130V/60mA=0.5KΩR22.5KΩ电表选用量程0——60mA（2）直流电压的仿真结果及其仿真图测量电压绝对误差相对误差输入电压6V6.0075V0.0075V0.051%8V8.0015V0.0015V0.019%10V10.003V0.003V0.03%电阻R130V/60mA=0.5KΩ电表选用量程0——60mA（1）交流电压的仿真结果及其仿真图测量电压绝对误差相对误差输入电压65.040V0.599V9.98%87.2015V0.7985V9.98%109.0020V0.9980V9.98%电阻R130V/60mA=0.5KΩ电表选用量程0

7、——60mA（1）欧姆表仿真结果及仿真图测量电压绝对误差相对误差输入电阻600Ω601.4Ω1.4Ω0.26%9KΩ9.005KΩ0.005KΩ0.055%80KΩ80.35KΩ0.35KΩ0.44%电阻R11KΩR22.9KΩ电表选用量程0——1mA（忽略了Rm的影响）一、注意事项1、运算放大器的检测用数字式万用表直流电压档，测量运算放大器输出端与负电源之间的电压值（在静态时电压值较高）。用手持金属镊子依次点触运算放大器的两个输入端（加入干扰信号），若万用表表针有较大幅度的摆动，则说明该运算放大器完好