用运算放大器组成万用表的设计 实验仿真

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，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:

1i R U I

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＝（I1－I ）R2

12

1

)I R R (1I +

=∴

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

仿真图如图3

图3

表头电流I 与被测电流I1间关系为: －I1R1＝（I1－I ）R2

12

1

)I R R (1I +

=∴

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） 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I 1AV

决定，即1AV 2

1

)I R R (1I +

= 如果被测电流I 1为正弦电流，即I ＝2I 1sin ωt ，则上式可写为

12

1

)I R R 0.9(1I +

= 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 。

∵ UP ＝UN ＝UREF I1＝IX

X

REF

1REF R U U R U -=

即

)U (U U R R REF O REF

1

X -=

流经表头的电流

m 2REF O R R U U I +-=

由上两式消去(UO －UREF) 可得

)R (R R R U I 2m 1X

REF +=

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RX ＝0时，电路变成电压跟随器，UO ＝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

4mA 3.9991mA 0.0009mA 0.018% 6mA 5.9991mA 0.0009mA 0.011% 8mA

7.9991mA

0.0009mA

0.009%

电阻R1 30V/60mA=0.5K

Ω

R2 2.5KΩ

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4()

2cos100t mA

π 4.264mA 0.264mA 5.975% 6()

2cos100t mA

π 6.345mA 0.345mA 5.879% 8()

2cos100t mA

π8.475mA 0.475mA 5.935%

电阻R1 30V/60mA=0.5K

Ω

R2 2.5KΩ

电表选用量程0 ——60 mA （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6V 6.0075V 0.0075V 0.051% 8V 8.0015V 0.0015V 0.019% 10V 10.003V 0.003V 0.03%

电阻R1 30V/60mA=0.5KΩ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6()

2cos100t V

π 5.040V 0.599V 9.98%