万用表的设计和仿真

万用表的设计和仿真

一．课程设计任务及要求

1.在学习掌握电工仪表基本知识的基础上，设计MF-16 型万用表电路（包括原电路及总

体电路）；适当选择元器件。

2.在设计电路的基础上，利用EWB 软件，在计算机上进行仿真实验、调试。

二．MF-16 型万用表的技术指标。

1．表头参数：

满偏值：157uA

内阻：500Ω

标盘刻度：五条刻度线分别为：“Ω”；“~10V”；“~V·A”；“C”；“db”。

2.测量范围及基本误差，如下：

3.结构要求

（1）.本仪器共15个基本量程和4个分贝附加量程，面板是安装一个3x15(及三刀15掷)的单层波段转换开关进行各量程档的转换。

（2）.面板上安装一个零欧姆调节器旋钮，外接插孔两个。

（3）.整流装置采用半波整流电路。并需反向保护。

（4）.电阻测量采用1.5V五号电池一节。

三．设计过程

1.各单元电路的设计计算过程（要求基本原理介绍、设计电路、电路方程及计算结果）。（1）.直流电流测量电路

多量程环形分路电路

因为

R1+R2+R3=(Io+Ro)/(Io-Io)

R1+R2=Io*(Ro+R3)/(I2-Io)

R1= Io*(Ro+R2+R3)/(I3-Io)

Io=157uA

I1=0.5mA

I2=10mA

I3=100Ma

Ro=310Ω

所以解得：

R1=0.7095Ω

R2=6.3853Ω

R3=134.80Ω

(2).直流电压测量电路

表头串联多量程的分压电阻

其中

R1（1）为直流电流中的并联总电阻

Ro 为表头内阻

Io 为表头满偏电流I 为电路中的总电流

由图列下列的方程：

R2=R1//R0=97.34Ω I=0.5mA

0.5=500/(R2+R4)

0.5=10000/(R2+R4+R5)

0.5=50000/(R2+R4+R5+R6)

0.5=250000/(R2+R4+R5+R6+R7)

0.5+500000/(R2+R4+R5+R6+R7+R8)

解方程组得：

R4=902.66Ω R5=19000Ω R6=80000Ω R7=400000Ω R8=500000Ω

（3）.交流电压测量电路

由于万用表的表头采用的是磁电系列测量机构，故不能直接测量交流量，必须附加整流装置。整流电路分为半波整流和全波整流。MF下列采用半波整流。原理如下：

ω

设i=Im*sin ωt Icp 为平均值 I 为最大值 Icp=1/T

2

/0

sin Im*T wtdt =Im/Л=0.45I

I=2.22Icp

由上面的原理，设计如下的电路图：

设R2=R0//R1 I 为电路中的总电流

Io*R3=10*0.45

Io*R4=(50-10)*0.45 Io*R5=(250-50)*0.45 Io*R6=(500-250)*0.45

Io=157uA R0=310Ω I=0.225mA

由方程解得：

R3=18360.5Ω R4=80000Ω R5=400000Ω R6=500000Ω

（4）.直流电阻测量电路

电阻原件是无源原件，在无激励的情况下，它既无电压又无电流，欲使磁电测量机构偏转，必须附加电源，因此，需要在表中加电源。

在测量电阻的机构中，电流越大，电路中的电阻越小，所以，可以用不同的内阻来测量不同范围的电阻，本次电路中仅设10被和1000被两个档位。

在测量电阻时，当电流半偏时测量的电阻是最准的测量区间，即当测量电阻等于电表的内阻时，这时的外电阻等于欧姆中心值。

设 Io 为电流的最大值 R 为外加电阻 Ro 电表的内阻 I 为半偏值

Io=Us/(Ro+R) I=Io/2

由原理设计一下电路：

由图列出以下的电路方程：

R2+R0*(RA+RB)/R0=6000

1.5*(RA+RB)/(6000*R0+RA+RB)=Io

Io=157uA RO=310Ω

由方程解得：

RA+RB=521.6Ω R2=5806Ω

因为：

6000*RB/(6000+RB)=60

所以：

RB=60.6Ω

(5).电平的测量

（一）.电平表示电功率或电压大小的一个参量，它的单位为—分贝。它不用绝对值表示，而是用相对值表示。因为功率或电压通过某一网络后会产生衰减或放大，人们不但要了解输出功率或电压的绝对值为多大，而且也需要了解输出功率或电压与输入功率或电压的比是多大，这种相对值的表示方法有多种，比如用百分数表示，但电平则是用对数来表示这种放大或衰减的倍数。若用S 表示电平，则其定义为：

S=10*lg(P2/P1)(db)

其中电平 S 的单位2为分贝，用（db）表示，P1 为输入功率，P2为输出功率。

当P2

用电压表示为：

S=20*lg(U2/U1)(db)

其中，U1表示输入电压，U2表示输出电压。

（二）.零分贝

以上两个电平表达式反映了输入与输出的相对变化，称为电平。为了确定电路某负载的绝对电平，需要规定一个标准零分贝来比较。

So=20*lg(U/0.775)(db)

由此可见，分贝数与电压是一一对应的。

(三).分贝量程的扩大

设电压扩大为N倍，转换如下：

20*lg(N*U/0.775)=20lgN+20*lg(U*O.775) (db)

即只要将原分贝值加上 20lgN 就可以得到新的量程的分贝值。

如从10V 扩大到 50V :

20*lg(5*U/0.775)=20lg5+20*lg(U*O.775)=14+20*lg(U*O.775) (db)

即在原基础上加上14 即得到新的分贝值。

(6).电容测量

根据表达式：

I=U/(R2+(1/wCx)2

式中U 、R、w 为常量。

I与Cx是一一对应的，不同的Cx有不同的电流值。

(7).万用表整体电路的整合

由上面的设计，经整合得到一个完整的万用表电路图，如下：