1、目 录1 实验目的12 设计要求13实验箱及设备14万用表工作原理及参考电路34.1 直流电压表44.2 直流电流表44.3交流电压表44.4交流电流表54.5欧姆表 55电路仿真设计 66实验元器件选择 97注意事项98 实验大纲98.1 直流电压表98.2 直流电流表98.3交流电压表98.4交流电流表108.5欧姆表 109 验证方案1 010 总结心得1 5万用电表的设计与调试1实验目的1. 设计由运算放大器组成的万用电表。2. 组装与调试。2 设计要求1. 直流电压表满量程+6V。2. 直流电流表满量程10mA。3. 交流电压表满量程6V，50Hz1kHz。4. 交流电流表满量程10
2、mA。5. 欧姆表满量程分别为1k，10k，100k。3 实验箱及设备3.1实验箱的后方设有带保险丝管(0.5A)的220V单相交流电源三芯插座(配有三芯插头电源线一根)。箱内设有三只降压变压器，供四路直流稳压电源之用和为实验提供多组低压交流电源之用。3.2一块大型(435mmx325mm)单面敷铜印刷线路板，正面丝印有清晰的各部件、元器件的图形、线条和字符，反面则是装接其相应的实际元器件。该板上包含着以下各部分的内容：（1） 总电源开关：位于实验箱正面最左上方，为整个实验箱提供电源。（2） 分电源开关(低压交流电源)：AC 50Hz,位于实验箱左上角总电源开关的下方。如下图所示 ，当接通右侧
3、交流220V的开关后，右侧的插孔将相应的产生有效值为6V，14V，17V的交流正弦电压。（3） 表头：通常是一个直流微安表，我们实验箱用的是一个直流毫安表，所以微小的电流通过表头，就会有电流指示。（4） 针管插座：实验箱中有200多根镀银长(15mm)紫铜针管插座。这些插座供实验时插小型电位器、电阻、电容、三极管及其它电子器件之用(它们与相应的锁紧插座已在印刷线路板面连通)。（5） 集成电路插座：高性能双列直插式集成电路插座4只。其中16P1只。8P3只。（6） 直流稳压电源：提供5V、0.5A和12V。0.5A共4路直流稳压电源插座。有相应的LED发光二极管指示。4路输出均装有熔断器作短路保
4、护之用。在实验箱左侧还设有6个接线插孔(+5V、；-5V和+12V、；-12V)，可以外接直流稳压电源。（7） 直流可调电源插座：提供2路-5V、+5V可调的直流信号源。只要开启直流可调信号源处的分开关，就有2路相应的-5V、+5V直流可调电源输出。但应注意，因本电源是由该实验板上的士5V电源提供的，故在开启直流可调信号源开关之前，必须先接上土5V直流稳压电源，否则就没有直流可调信号输出。3.3实验所需设备（1）导线（2）模拟电路实验箱（3）电子元器件包下图为电子元器件包中包含的零件：4 万用表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
5、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100A的表头，其内阻约为1k，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。4.1 直流电压表图1为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。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。图1直流电压表表头电流I与被测电压Ui的关系为应当
6、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。4.2 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：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2直流电流表表头电流I与被测电流I1间关系为-I1R1=(I1-I)R2,故I=(1+R1/R2)I1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。4.3 交流电压表由运算放大器
7、、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器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响。图3交流电压表表头电流I与被测电压ui的关系为I=Ui/Ri电流I全部流过桥路，其值仅Ui/Ri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。4.4 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
8、流平均值I1AV决定，即1=(1+R1/R2)I1AV如果被测电流i为正弦电流，即i=21isinwt，则上式可写为I=0.9(1+R1/R2)I1则表头可按有效值来刻度。图4 交流电流表4.5 欧姆表图5为多量程欧姆表。图5 欧姆表在此电路中，运算放大器改由单电源供电，被测电阻R,跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压Ur。因为Up=UN=UREFI1=IXUREF/R1=(U0-UREF)/RX即RX=（R1/UREF）(U0-UREF)流经表头的电流I=（U0-UREF）/(R2+Rm)由上式两项消去(U0-UREF)可得I=（UREFRX）/R1(Rm+R2)可见，电流与被测电
9、阻成正比，而且表头具有线性刻度，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，U0=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R,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R,可实现满量程调节。5 电路仿真设计直流电压表（1） 仿真图(2)数据分析Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差2333.333333.40800754666.667666.73400676100010000直流电流表：（1）仿真图：(2)数据分析I1/mA理论值I/uA实际值I/
10、uA偏差11.0521.053000133.1583.518066.3166.3160交流电压表：（1）仿真图(2)数据分析Ui/V理论值I/uA实际值I/uA偏差13.3332.1111.222413.3338.4814.85262012.7757.225交流电流表：（1）仿真图(2)数据分析I1/mA理论值I/uA实际值I/uA偏差11201.2420042448019952805784321519欧姆表（1）仿真图(2)数据分析R=1k时Rx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差0.1107.35107.640.0110.4430.13429.960.170.6645.18645.090.
11、09R=10k时Rx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差0.110.7511.040.290.443.0143.240.230.664.5164.710.20R=100k时Rx/k理论值I/uA实际值I/uA偏差0.11.081.380.300.44.304.600.300.66.456.750.306 实验元器件选择1. 表头灵敏度为1mA，内阻为1002. 运算放大器A7413. 电阻器均采用的金属膜电阻器4. 二极管1N40074、1N41485. 稳压管1N47287 注意事项画电路图时需要注意的问题，器件位置的布局连线，确定良好的链接，两条线交叉是否有节点等细节。连线时不能只看原理图
12、，注意把原理图中的每一个元件的原理用途搞清楚，明确每个元件的各个引脚的相应对应，明白每个与按键之间的联系。注意元件本身特点: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0.01f0. 1f的小电容器，以消除通过电源产生的干扰。8 实验大纲 设计一个万用表以满足在不同电路中都能正常工作，准确测量出数值。8.1直流电压表验证：万用电表作为直流电压表在运算放大电路中能不能精确测量，会不会影响电路原工作状态。验证方法：将表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小表头参数对测量精度的影响，这时，流经表头的电流与表头的参数无关，只要改变R1的电阻，就可进行量程的切换。8.2直流电流表验证：万用电表作
13、为直流电流表在运算放大电路中能不能精确测量，会不会影响电路原工作状态。验证方法：将运算放大器的电源对地浮动，构成的电流表就可像常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。8.3交流电压表验证：万用电表作为交流电压表在运算放大电路中能不能精确测量，会不会影响电路的工作状态。验证方法：由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成，把二极管桥路和表头置于运算放大器的反馈回路中，以减小二极管本身非线性的影响，就可以精确测量出电路交流电压值。8.4交流电流表验证：万用电表作为交流电流表在运算放大电路中能不能精确测量，会不会影响电路的工作状态。验证方法：设计一个浮地交流电流表，测量出被测交流电流I的全波整
14、流的平均值即为表头交流电流值。8.5欧姆表验证：万用电表作为欧姆表在运算放大电路中能不能精确测量，会不会影响电路的原工作状态。验证方法：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，同相端加准电压UREF。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，即可改变欧姆表的量程。9 验证方案直流电压表直流电流表欧姆表R1=1k时 R1=10k时 R1=100k时 10 总结心得在紧张与忙碌中，一周的电子课程设计已经结束了。这次课设给了我们一次自己进行电路仿真的机会，使我们可以把理论知识应用于实践。但在实际的操作过程中最让我头疼的是我经常会因为一些小的失误比如线接错了、有些地方的线没有接上等等的问题而让电路板上的灯无法亮起来。由于缺乏经验操作不熟练，遇到的问题太多，当时差点想放弃。但是当最终看到成果的时候，我觉得这一切都是值得的，细节决定成败。经过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用仪器、仪表，了解了电路的连线方法以及如何提高电路的性能等等。不仅使我在理论上对电路知识有了全新的认识，在实践能力上也得到了提高，而且我对于自己的能力有了更全面的认识，受益匪浅。15
