万用表设计与制作

1 前言
随着电子技术的飞速发展和计算机技术的普遍应用，电子电路CAD技术在电子电路的分析设计中显得越来越重要。

电子电路CAD技术有非常明显的特点，它可以根据电路的结构和元器件参数对电路进行仿真，获得电路的技术指标，从而可以快速、方便、精确地评价电路设计的正确性，节省大量的时间和费用。

同时，还可以对那些用传统方法进行或无法进行分析的温度特性、容差、灵敏度、最坏情况等进行分析，从而大大提高了电路设计质量。

CAD技术已经成为现代电子电路分析设计的一种有效的方法和手段。

因此，在教材中引入CAD技术的有关内容是十分必要的。

Pspice是一个模拟的“实验台”。

在它上面，你可以做各种电路实验和测试，以便修改与优化设计。

它为我们分析与设计电路提供了强大的计算机仿真工具，利用它对电路、信号与系统进行辅助分析和设计，对电子工程、信息工程和自动控制等领域工作的人员具有很高的实用价值。

万用表是电专业学生制作调试电路的有力工具。

通过万用表的制作，计算机仿真使学生更直观，深刻的理解学过的电路基本理论，将理论与实际结合，掌握用Pspice软件设计电路；指导调试电路的方法。

同时万用表的计算机辅助设计，仿真与制作的方法，可用作指导电专业学生课外科技实践活动。

为今后的各种实践教学和实习打下良好的基础。

在教材和教学中引入电子电路Pspice程序辅助分析与设计的有关内容，有助于学生对放大电路原理的理解和掌握；有助于加强时域的概念；有助于提高分析设计能力；有助于将定性问题转化为定量处理，从而有效提高教学质量。

通过教学中对该部分内容的学习和运用，不仅可以提高电子技术教学质量，同时，也将CAD技术作为一种电子电路分析设计的手段和方法介绍给学生，开拓了他们的思路，适应了现代电子技术发展的需要。

2 PSPICE仿真软件及应用
Pspice是由Spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析软件。

Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序。

随后，版本不断更新，功能不断完善。

目前广泛使用的Pspice(P：Popular)软件是美国Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序。

它主要用于电子电路的仿真，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，
模拟和计算电路的功能，不仅可以对模拟电子线路进行不同输入状态的时间响应、频率响应、噪声和其他性能的分析优化，以使设计电路达到最优的性能指标，还可以分析数字电子线路和模数混合电路，被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。

随着计算机技术的不断发展, 电子系统的计算机辅助设计越来越得到人们的重视。

它将成为电子领域的一门新兴学科。

传统的反复试验法已经越来越不适应时代的发展, 新型的EDA 电子设计软件不断涌现。

它是在设计目标要求的指导下, 通过计算机综合分析和计算, 使整个电子电路系统工作在最佳状态。

以前传统设计电子电路时, 通常需要制作一块试验板来进行仿真, 整个电路设计需要经过多次反复调试, 才能符合电路的设计要求。

既费力又费时, 同时增加了产品的成本, 而且还受到工作场所、仪器设备等条件的限制, 很多试验不能正常进行, 许多设想无法实施。

为了克服上述的缺点, 可以通过应用一个优秀的电子电路设计仿真软件——OrCAD, 对电子电路进行仿真调试, 它一方面可以验证所设计的电子电路是否达到设计要求, 另一方面又可反复改变电路中的电子元件的参数, 使整个电路的性能达到最佳状态。

目前广泛应用的是OrCAD/Pspice 10.5软件,它是美国知名度很高的EDA公司OrCAD 公司和开发PSpice软件的Microsim公司于1998年实现强强联合后推出的Pspice的最新版本。

3 Pspice10.5仿真软件的时域分析
3.1 概述
OrCAD/Pspice 10.5软件是美国知名度很高的EDA公司OrCAD公司和开发Pspice 软件的Microsim公司于1998年实现强强联合后推出的Pspice的最新版本。

他跟EWB 等都是当前国际上关于电子电路设计与仿真应用非常广泛的优秀软件，与其他电路仿真软件(Protel99)相比，具有界面直观、操作方便、分析功能更强、元器件参数库及宏摸型库也更加丰富等优点。

他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，设计者采用图形输入方式可以很直观方便地在电路设计窗口绘制电路，并对电路进行各种模拟分析，如不符合设计要求，可随时调整电路结构及元器件参数，重新进行模拟分析，直到满足设计要求。

这种电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含与轻点鼠标之间，大大提高了电子电路设计者的工作质量和效率。

OrCAD是一个软件包，而进行电路摸拟分析的核心软件是Pspice A/D，为使模拟工作做得更快更好、更具灵活性，OrCAD软件包提供了5个配套软件与之相配合：有电路图生成软件(Capture)、激励信号编辑软件(StmEd，Stimulus Editor)、模型参数提取软件(ModelEd，ModelEditor)、波形显示和分析模块软件(Probe)和优化程序软件(Optimizer)。

使OrCAD/Pspice 9具有了电子工程设计的全部分析功能，不但能完成模拟数字电路分析，而且能完成数模混合电路分析。

其主要分析功能有：
(1)直流特性分析：包括静态工作点(Bias PointDetail)、直流灵敏度(DCSensitivity)、直流传输特性(TF，Transfer Function)和直流特性扫描(DCSweep)分析。

直流特性扫描分析的作用是：当电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性(称为输出变量)。

分析过程中，将电容开路，电感短路，各个信号源取其直流电平值;若电路中还包括有逻辑单元，则将每个逻辑器件的延时取为0，逻辑信号激励源取其t=0时的值。

在进行直流特性扫描分析时，还可指定一个参变量并确定其变化范围。

对参变量的每一个取值，均使自变量在其变化范围内按每一个设定值，计算输出变量的变化情况。

例如对双极晶体管，将集电极和发射极之间的外加电压Vcc作为自变量，加在基极上的恒流源Ib作为参变量，流过集电极的Ic作为输出变量，调用Pspice进行直流特性扫描分析，就可以得到该晶体管的一组直流输出特性。

直流特性扫描分析在分析放大器的转移特性，逻辑门的高低逻辑阀值等方面均有很大作用。

本项分析又简称DC分析。

以下是利用直流扫描分析（DC Sweep)来验证二极管的V-I特性曲线，如图3-1。

图3-1 测量二极管V-I特性曲线的电路
本电路需要使用的元件,如下所示:
电源Vi默认的DC元件属性为0，我们不去改变它。

因为它只在偏压点分析（Bias Point Detail)时有用，而本例将直接试用直流扫描分析（DC Sweep）来求解。

3.2 时域分析的原理
时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。

线性连续时间系统的分析，归结为建立并且求解线性微分方程。

在系统的微分方
程中，包含有表示激励和响应的间函数以及他们对于时间的各阶导数的线性组合。

因此，在分析过程中，如果不经过任何变换，则所涉及的函数的变量都是时间t，这种分析方法称为时域分析法。

次微分方程有两种解法：
在时域中求解线性系统的零状态响应时，先要把外加的复杂激励信号在时域中分解成一系列单元激励信号，然后分别计算各单元信号通过系统的响应，最后在输出处跌价而得总的零状态响应函数。

3.3 时域分析的应用方法
古典解法:
它将微分方程的解分为两个组成部分，一为与该方程对应的齐次方程的解，另一为满足此非齐次方程的特解。

作为系统的响应来说，通解就是自然响应或称自由响应。

特解就是受迫响应。

拉普拉斯变换法:
系统的响应并不一定要划分为自然响应和受迫响应两部分，也可以把它分为零输入响应和零状态响应两部分。

零输入响应是系统在无输入激励的情况下仅有初始条件引起的响应；零状态响应是在系统无始储能或称为状态为零的情况下，仅有外加激励源引起的响应。

根据叠加原理，在分别求得了这两个响应分量后再进行叠加就可得全响应。

对于复杂信号激励下的线性系统，为求解该系统的非齐次方程除用直接解方程法和变换域法外，还可以在时域中应用叠加积分法。

3.4 基于OrCAD/Pspice10.5平台的电子电路时域分析
3.4.1启动Capture
OrCAD安装成功后，就可以启动和使用Capture程序。

启动方法如下：将鼠标箭头指到[开始]按钮，打开[开始]菜单，将鼠标箭头移到“所有程序（P）”命令，打开“所有程序（P）”菜单，找到并单击[Capture]图标，如图3-2所示。

图3-2 启动Capture
启动后Capture的基本操作界面如图3-3所示。

图3-3 Capture的基本操作界面
3.4.2 创建新电路图文件
使用菜单：打开“File”菜单，并选择其中的“New”命令，将鼠标箭头右移到“Project...”命令，单击鼠标，进入创建新电路图文件的菜单，如图3-4所示。

图3-4 新建可进行数/模仿真的项目
要求在打开的“Name”编辑框中输入文件名，在下面的单选按钮中选择画Pspice 的原理图“Analog”，最后指定文件所放的文件夹后，单击“OK”，就会出现如图3-5所示的绘图窗口的选择。

可以是一张或全是白纸(Empty.opj)做画板,也可以选择简单的单一(simple.opj)带激励源和偏置的画板,或者采用层次的(hierarchical.opj)画板。

图3-5 绘图窗口的选择
选择了新建绘图窗口后，绘制仿真用输入电路图如图3-6所示。

图中有两个窗口：先出现项目管理窗口，其中所显示的各种数据信息我们将逐步介绍。

首先是Capture图标下，带有后缀“.dsn”文件，如\123.dsn，单击之后出现“schematic”，再单击出现“PAGE1”；此时，再单击电路原理图绘制窗口，右侧出现绘图工具栏。

图3-6 新建绘图仿真用输入电路图
3.4.3 绘制电路原理图
a.加载元器件库：
当你第一次启用Capture程序时，或者新电路图元器件不在已经加载的元器件库中时，需要做加载元器件库操作。

步骤如下：
(1)利用菜单栏启动Place/Part命令，或者单击右侧绘图工具栏的按钮，便打开取放元器件对话框，如图3-7所示。

图3-7 取放元器件对话框
(2)单击[Add Library...]按钮，出现库文件浏览对话框，如图3-8所示，其中有两个文件夹和89个库文件。

图3-8 库文件浏览对话框
(3)根据需要选择一个要加载的库文件后(例如analog模拟电路元器件库)单击[打开]，窗口对话框返回如图3-7所示,只是库文件区中加入ANALOG库,如图3-9所示。

图3-9 加载库文件
(4)如不知元器件在何库，还可以用元器件搜索的方法查找，其步骤如图3-10所示。

单击[Part Search]，出现元器件查找对话框，在Part栏中键入元器件名称，在单击[Begin Search]按钮，在Libraries栏中出现查找结果，点击[Cancel]返回图3-9中。

图3-10 搜索元器件
步骤(4)所取元件如图3-11所示。

图3-11 浏览元器件
b.取放元器件：
在图3-11中选择需要的元器件，单击[OK]，选定的元器件会出现在电路绘制窗口，通过移动鼠标来移动元器件的位置、布图，再单击鼠标放置元器件，每单击一次放置一个相同的元器件。

当单击鼠标右键时弹出快捷菜单，可对元器件做各种操作，快捷菜单中包括10项命令：
End Mode:结束取放操作； Mirror Horizontally:水平翻转；
Mirror Vertically:垂直翻转； Rotate:逆时针旋转90°；
Edit Properties:编辑元器件属性； Place Database Part:放数据库元件；
Ascend Hierarchy:上升层级； Zoom In:放大视窗；
Zoom Out:缩小视窗； Go To:跳到指定位置。

c.连接线路放置节点：
当元器件、电源和接地点放置完毕后，接下来就是连接电路了。

在Capture中，元器件的引脚上都有一个小方块，表示接线的地方。

利用菜单栏启动Place/Wire命令，或者单击绘图工具栏的按钮，光标变成十字状，将光标移到元器件的引脚，单击鼠标，画线开始。

移到光标可画出一条线，当到达另一个引脚时，再单击鼠标，便可完成一段走线。

此时光标仍处于画线状态，若要结束画线，可单击鼠标右键，选择菜单“End Wire”。

当某元器件位置不合适时，可单击该元器件，使鼠标箭头指向元器件，单击并拖动，元器件就会移到新的位置。

当需要放置节点的时候，利用菜单栏启动Place/Junction命令，或者单击绘图工具栏的按钮，一个节点跟随鼠标箭头移动，单击鼠标放置节点。

若要结束放置节点，可单击鼠标右键，选择菜单“End Wire”。

d. 运行仿真文件:
激活工程管理视窗，此时菜单下的加速键栏的键将会显现。

点击此键建立仿真文
件;编辑己有的仿真文件可以点击键；建立好仿真文件后，可以点击键，运行仿真文件。

3.5 万用表电路的仿真与分析
3.5.1 万用表的结构
万用表是电子制作中必备的测试工具。

它具有测量电流、电压和电阻等多种功能。

万用表种类很多，外形各异，但基本结构和使用方法是相同的。

万用表面板上王要有表头和选择开关。

还有欧姆档调零旋钮和表笔插孔。

下面介绍各部分的作用：
（一）表头
万用表的表头是灵敏电流计。

表头上的表盘印有多种符号，刻度线和数值。

符号A 一V一Ω表示这只电表是可以测量电流、电压和电阻的多用表。

表盘上印有多条刻度线，其中右端标有“Ω”的是电阻刻度线，其右端为零，左端为∞，刻度值分布是不均
匀的。

符号“－”或“DC”表示直流，“～”或“AC”表示交流，“～”表示交流和直流共用的刻度线。

刻度线下的几行数字是与选择开关的不同档位相对应的刻度值。

表头上还设有机械零位调整旋钮，用以校正指针在左端指零位。

（二）选择开关
万用表的选择开关是一个多档位的旋转开关。

用来选择测量项目和量程。

一般的万用表测量项目包括：“mA”；直流电流、“V”：直流电压、“V”：交流电压、“Ω”：电阻。

每个测量项目又划分为几个不同的量程以供选择。

（三）表笔和表笔插孔
表笔分为红、黑二只。

使用时应将红色表笔插入标有“＋”号的插孔，黑色表笔插入标有“－”号的插孔。

3.5.2 万用表的使用方法
万用表是比较精密的仪器，如果使用不当，不仅造成测量不准确且极易损坏。

但是，只要我们掌握万用表的使用方法和注意事项，谨慎从事，那么万用表就能经久耐用。

使用万用表是应注意如下事项：
（一）万用表使用前，应做到：
（1）万用表水平放置。

（2）应检查表针是否停在表盘左端的零位。

如有偏离，可用小螺丝刀轻轻转动表头上的机械零位调整旋钮，使表针指零。

（3）将表笔按上面要求插入表笔插孔。

（4）将选择开关旋到相应的项目和量程上。

就可以使用了。

（二）万用表使用后，应做到：
（1）拔出表笔。

（2）将选择开关旋至“OFF”档，若无此档，应旋至交流电压最大量程档，如“又1000V”档。

（3）若长期不用，应将表内电池取出，以防电池电解液渗漏而腐蚀内部电路。

测量电流与电压不能旋错档位。

如果误将电阻档或电流档去测电压，就极易烧坏电表。

万用表不用时，最好将档位旋至交流电压最高档，避免因使用不当而损坏。

测量直流电压和直流电流时，注意“+”“-”极性，不要接错。

如发现指针开反转，既应立即调换表棒，以免损坏指针及表头。

如果不知道被测电压或电流的大小，应先用最高档，而后再选用合适的档位来测试，以免表针偏转过度而损坏表头。

所选用的档位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。

测量电阻时，不要用手触及元件的裸体的两端（或两支表棒的金属部分），以免人体电阻与被测电阻并联，使测量结果不准确。

测量电阻时，如将两支表棒短接，调“零欧姆”旋钮至最大，指针仍然达不到0点，这种现象通常是由于表内电池电压不足造成的，应换上新电池方能准确测量。

万用表不用时，不要旋在电阻档，因为内有电池，如不小心易使两根表棒相碰短路，不仅耗费电池，严重时甚至会损坏表头。

3.5.3 万用表的工作原理
万用表的基本原理是利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。

当微小电流通过表头，就会有电流指示。

但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。

下面分别介绍。

测直流电流原理:
如图1a所示，在表头上并联一个适当的电阻（叫分流电阻）进行分流，就可以扩展电流量程。

改变分流电阻的阻值，就能改变电流测量范围。

测直流电压原理:
如图1b所示，在表头上串联一个适当的电阻（叫倍增电阻）进行降压，就可以扩展电压量程。

改变倍增电阻的阻值，就能改变电压的测量范围。

测交流电压原理:
如图1c所示，因为表头是直流表，所以测量交流时，需加装一个并、串式半波整流电路，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。

扩展交流电压量程的方法与直流电压量程相似。

测电阻原理:
如图1d所示，在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池，使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出电阻值。

改变分流电阻的阻值，就能改变电阻的量程。

3.5.4 万用表的电路图及仿真结果
万用表的电路图，如图3-12。

50u
图3-12 万用表的电路图
该图从左至右依次为直流电压档，直流电流档，欧姆档，交流电压档。

后面会具体分析。

下面是万用表的电路图的仿真结果，如图3-13。

图3-13 万用表的电路图的仿真结果
该图是万用表的直流电压档的仿真结果，万用表的最大满偏是40uA 。

直流电压档的电路图，如图3-14。

1000
如图3-14 直流电压档的电路图
在表头上串联一个适当的电阻（叫倍增电阻）进行降压，就可以扩展电压量程。

改变倍增电阻的阻值，就能改变电压的测量范围。

R7、R18、R19的作用是分压，D3、D4、R20、R21的作用是保护电路，防止电流过大烧坏万用表。

在电路中加1000V 的直流电压分流到表头的电流是40uA ，计算过程如下： 表头并联电阻：R 并=(R18+R19)//(R20+R21)//R22=(10k+10k)//(0.1k+2.4k)//20k=2k 总电阻：R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R 并= 15000k+4000k+800k+150+40+ 5+3+2=20000k 表头并联电压：V=R 并/R*1000v=2k/20000k*1000v=0.1v 流经表头电流：I=V/r=V/(R20+R21)=0.1V/(0.1K+2.4K)=40uA
直流电压档的仿真结果，如图3-15。

如图3-15 直流电压档的仿真结果
另外，该电路还有一种画法，可以在原图加上开关，但开关的电阻需要改成1000Meg 。

如图3-16。

1000
如图3-16 直流电压档的电路图
该档电路还可以通过增加开关来实现。

但如果想要增加开关，那么，就要将电阻值改为1000Meg 。

如若还保持原来的电阻值1M ，则测量的结果就会不准确。

直流电压档的仿真结果，如图3-17。

如图3-17 直流电压档的仿真结果
直流电流档的电路图，如图3-18。

TCLOSE = 0
TCLOSE = 10
如图3-18 直流电流档的电路图
在表头上并联一个适当的电阻（叫分流电阻）进行分流，就可以扩展电流量程。

改
变分流电阻的阻值，就能改变电流测量范围。

该状态是在T=0时，只有U18闭合，其它开关都打开。

直流电流档的仿真结果，如图3-19。

如图3-19 直流电流档的仿真结果
欧姆档的电路图，如图3-20。

Q
图3-20 欧姆档的电路图
在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池，使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出电阻值。

改变分流电阻的阻值，就能改变电阻的量程。

该状态是在T=0时，只有第一个开关闭合，其它开关都打开。

欧姆档的仿真结果，如图3-21。

图3-21 欧姆档的电路图的仿真结果
交流电压档的电路图，如图3-22。

FREQ = 50
VAMPL = 14.1VOFF = 0
如图3-22 交流电压档的电路图
由于表头是直流表，所以测量交流时，需安装一个并、串式半波整流电路，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。

扩展交流电压量程的方法与直流电压量程相似。

正半周：经过电容，电阻，D2流过表头的电流是40uA 。

负半周：电流经过D1，电阻，电容，没有通过表头而是直接流回电压源。

交流电压档的仿真结果，如图3-23。

如图3-23 交流电压档的仿真结果
通过仿真，得到一条经过电容稳压，滤波的平稳的曲线。

另一条曲线说明只有D2在正半周流过表头。

结 论
以上这些是我对本课题的研究。

从中可以看出该软件对于验证电路原理，开发设计新电路提供了极为方便的平台，同时具有很大的灵活性。

也为电子技术课程的教学和实验带来了新的活力。

所以这种软件在教学及科研领域推出就得到广泛应用。

PSPICE 具有通用性强、精度高、功能强大、简单易学等特点，是电子电路CAD 首选的工具软件。

利用Pspice 软件对电路进行设计仿真，仿真效果准确、逼真、形象，在跟踪性和快速性方面取得了令人满意的效果。

可以达到电路的最优化设计，既可以省去在面板上做繁杂的试验，又可以节省购买实验元器件的费用，它为电路设计者提供了一个创造性的工作环境，不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，而且降低了成本，缩短了
开发周期，同时它使设计者有更多的时间和机会更充分地发挥其聪明才智，使设计精益求精，使电子线路设计实现优化。

用PSpice进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。

各元器件选择范围广，参数修改方便，电路调试快速简捷。

还可以让学生进行电路设计，以提高他们的理论联系实际能力和动手能力，在仿真结果符合设计要求后再用实际元件制作实物，这祥既丰富了实验内容，又提高了实验时的操作效率，减少仪器、元件的损坏，提高实验教学效果。

通过万用表的制作，计算机仿真使我更直观，深刻的理解学过的电路基本理论，将理论与实际结合，掌握用PSPICE软件设计电路。

为我今后的各种实践和实习打下了良好的基础。

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大连交通大学信息学院 2008年1月。