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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差。在此试验中
2、，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，当被测电压较高时，在运放
3、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（I1I）R2 可见，改变电阻比（R1R2），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） 交流电压表仿真图如图3图3表头电流I与被测电流I1间关系为: I1R1（I1I）R2 可见，改变电阻比（R1R2），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。（4） 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，即如果被测电流I1为正弦电流，即II1sint，
4、则上式可写为则表头可按有效值来刻度。（5） 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。 UPUNUREFI1IX 即 流经表头的电流由上两式消去(UOUREF) 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RX0时，电路变成电压跟随器，UOUREF，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
5、R2，可实现满量程调节。三、 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=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA（2） 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%88.475mA0.475mA5.935%电阻R130V/60mA=0.5KR22.5K电表选用量程0 60 mA
6、（3） 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=0.5K电表选用量程0 60 mA（4） 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=0.5K电表选用量程0 60 mA（5） 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600601.41.40.26%9
7、K9.005K0.005K0.055%80K80.35K0.35K0.44%电阻R11KR22.9K电表选用量程0 1mA（忽略了Rm的影响）四、 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；若万用表表针不动，则说明运算放大器已经损坏。2、 测量电流时应注意消除电源产生的干扰连接电源时，正负电源连接点上各接大容量的滤波电容器和小电容器，以消除电源产生的干扰。3、万用表的使用技巧（1） 测量前毫安表要水平放
8、置，看指针是否为零，如不在零位，则要机械调零。（2） 毫安表按照规定位置放置，远离外磁场。（3） 正确读数，减少视觉误差。（4） 测量电阻时，每换一次档都要重新调零。五、 心得体会这是我第一次尝试设计电路并把它仿真出来。不得不说这次实验对我来说有一定难度，我在上面花费了很多时间。从构思到仿真再到写报告，每一环节我都会遇到很多新问题，需要学习很多新技能，但最重要的，我收获了很多新知识。我不仅对模电的理论知识有了更深一步的理解，还学会了Multism仿真软件的使用。这个仿真软件非常好用，能帮助我们理解一些理论知识并验证一些结论。同时，这次实践动手更加让我明白了，如果知识仅仅停留在书面上，是没有用的，必须把知识运用到生活中，不断应用，不断熟练，才会变成为人类服务的工具。通过这次实践，我发现我的动手能力还有待进一步提高，而提高的唯一途径就是多实践多练习。所以我以后会多做类似的实验，让自己在动手实践方面有一个新的突破。
用运算放大器组成万用表的设计实验仿真
