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用运算放大器组成万用电表的设计与调试--模拟电

一、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
二、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，50Hz～1KHz
4、交流电流表    满量程 10mA
5、欧姆表        满量程分别为1KΩ，10KΩ，100KΩ
三、万用电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27-1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27-1 直流电压表
表头电流I与被测电压U_i的关系为

应当指出：图27-1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27-2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27-2 直流电流表
表头电流I与被测电流I₁间关系为
－I₁R₁＝（I₁－I）R₂
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22－3所示。被测交流电压u_i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27-3 交流电压表
表头电流I与被测电压u_i的关系为

电流I全部流过桥路，其值仅与U_i／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u_i的全波整流平均值成正比，若u_i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27-4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I_1AV决定，即

如果被测电流i为正弦电流，即
i₁＝

I₁sinωt，则上式可写为

则表头可按有效值来刻度。

图27-4 交流电流表
5、欧姆表
图27-5为多量程的欧姆表。

图27-5 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_X跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压U_REF。
∵ U_P＝U_N＝U_REF
I₁＝I_X

即

流经表头的电流

由上两式消去(U_O－U_REF)
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R_X＝0时，电路变成电压跟随器，U_O＝U_REF，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R_X超量程时，特别是当R_X→∞，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。
四、电路设计
1、万用电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、万用电表作电压、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。
五、实验元器件选择
1、表头灵敏度为1mA，内阻为100Ω
2、运算放大器 μA741
3、电阻器均采用

的金属膜电阻器
4、二极管 IN4007×4、IN4148
5、稳压管 IN4728
6、面包板
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、万用电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

位万用电表作为标准表。
七、报告要求
1、画出完整的万用电表的设计电路原理图。
2、将万用电表与标准表作测试比较，计算万用电表各功能档的相对误差，分析误差原因。
3、电路改进建议
4、收获与体会

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