基于集成运算放大器的万用表设计

课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：信息工程学院
题目: 基于集成运算放大器的万用表设计
初始条件：
可选元件：运放可选用LM353 OP07等，表头可选用动圈式表头（例如100μA的表头，其内阻约为1KΩ），或者选用3 1/2数字表头；自制直流电源；自备元器件，如：电
阻、电位器、电容若干。

可用仪器：示波器，信号源，毫伏表，万用表
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据已知条件，完成基于集成运放万用电表的设计、装配与调试。

（2）设计要求
①直流电压表满量程+6V
直流电流表满量程10mA
交流电压表满量程6V，50Hz～1KHz
交流电流表满量程10mA
欧姆表满量程分别为1KΩ，10KΩ，100KΩ
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总
体电路原理图，阐述基本原理。

（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真）
③安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

时间安排：
1、2012 年11月14日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课
程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2、2012 年11月14日至2013年1月20日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程
设计报告撰写。

3、2013 年1月25日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
摘要 (4)
1 绪论 (5)
2.1设计的目的及主要任务 (5)
2.1.1设计的目的 (5)
2.1.2 设计任务及主要技术指标 (5)
2.2设计思想 (6)
3 设计原理 (6)
3.1 运算放大器的工作原理 (6)
3.2万用表工作原理及参考电路 (7)
3.2.1直流电压表 (7)
3.2.2直流电流表 (8)
3.2.3 交流电压表 (8)
3.2.4 交流电流表 (9)
3.2.5 欧姆表 (10)
4 总电路设计 (11)
5 硬件调试 (11)
6 心得体会 (13)
7 参考文献 (14)
摘要
本文从运算放大器电路的结构、原理出发，在查阅大量参考资料的前提下，在阐述运算放大器电路结构、原理的基础上,用运算放大器设计电路实现万用表的电路设计。

通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较,总结出了直流电压、电流表，交流电压、电流表，以及欧姆表的电路图，最后进行实物的装配与调试。

关键词：运算放大器；万用表；小信号放大。

1 绪论
万用电表简称万用表。

它是一种多量程和多电量的测量仪表，一般情况以测量电流、电压和电阻为主要目标，所以习惯叫三用表。

普通的模拟电表，常以电磁式电流表（又称表头）作为指示器，它具有灵敏度高、准确度高、刻度线性以及受外磁场和温度影响小等优点，但其性能还不能达到较为理想的程度。

在某些测量电路中，要求电压表有很高的内阻，而电流表的内阻却很低。

将集成运算放大器与电磁式电流表结合，可构成性能优良的电子测量仪表。

此外，通过万用表的组装，能够进一步熟悉万用表的结构、工作原理和使用方法，了解电路理论的实际应用，掌握仪表的装配和调试工艺，提高实际操作技能。

2 设计内容及要求
2.1设计的目的及主要任务
2.1.1设计的目的
①了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分；
②掌握用运算放大器组成万用表的设计方法；
③掌握万用表的主要技术指标和调试方法。

2.1.2 设计任务及主要技术指标
①直流电压表满量程+6V
直流电流表满量程10mA
交流电压表满量程6V，50Hz～1KHz
交流电流表满量程10mA
欧姆表满量程分别为1KΩ，10KΩ，100KΩ
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

2.2设计思想
主要是用运算放大器构成各种简单仪表电路（包括直流电压表电路、直流电流表电路、交流电压表电路、交流电流表电路、欧姆表电路），然后通过仿真软件分别对各个独立的电路进行仿真，接着就是用食物对各个独立的电路进行调试，确认无误后画出整体电路图，最后进行整体电路的焊接与调试。

3 设计原理
3.1 运算放大器的工作原理
运算放大器具有两个输入端和一个输出端，如图3-1所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。

图3-1
运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图3-2所示。

图3-2
运算放大器有如下两个特点：
①输入端电压趋于零，可做“虚短”、“虚地”处理。

②输入端子电流趋于零，可做“虚断”处理。

本次设计涉及到两种运放：uA741 ，LM324。

单运放uA741 四运放LM324
3.2万用表工作原理及参考电路
在测量中，电压表或者电流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1K Ω，用它进行测量时将影响到被测量，从而引起误差。

此外，交流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。

3.2.1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。

图1 直流电压表
表头电流I 与被测电压U i 的关系为: 1
i R U I
=6V 6kΩ =1mA
3.2.2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：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像常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。

表头电流I 与被测电流I 1间关系为: －I 1R 1＝（I 1－I ）R 2
12
1
)I R R (1I +
=∴=(1+1kΩ1kΩ)*10mA=20mA
可见，改变电阻比（R 1／R 2），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。

图2 直流电流表
3.2.3 交流电压表
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。

表头电流I 与被测电压U i 的关系为1
i
R U I =*0.9
图3交流电压表
电流I 全部流过桥路，其值仅与U i ／R 1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。

3.2.4 交流电流表
图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 +
==0.9*2*10mA=18mA 则需在表头两端并联电阻分流。

3.2.5 欧姆表
图5 欧姆表
在此电路中，运算放大器改用单电源供电，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Up 。

∵I 1＝I X
Up R1
=
Uo−Up Rx
即Rx=
R1
Up (Uo -Up ) 流经表头的电流I=
Uo−Up Rm
由上两式消去(Uo －Up) 可得 I=
UpRx R1Rm
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R 1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，Uo=Up ，故表头电流为零，从而实现了自动调零。

二极管D （1N4148）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R 2，可实现满量程调节。

4 总电路设计
下图为设计的总的电路图：
说明：①1mA表头的+、-极通过杜邦线与电路图中对应的+、-相连，起到了开关的作用。

②++表示待测源的正极，待测源的负极一般接地。

③图中左上角为直流电压表，左下角为直流电流表，右上角为交流电压
电流表，右下角为欧姆表。

5 硬件调试
由于电阻，表头都不是十分精确，所以在电路图焊接中将不分电阻改为滑动变阻器，便于调整。

还有电流表电路中表头两端并联了滑动变阻器分流（如总电路图所示）。

经测试各个表基本能实现各自的功能，即电压表能测量6V以内的电压，电流表能测量10mA的电流，欧姆表能实现1k、10k、100k三个档位的切换。

以下为测试数据:
测试数据表格
6 心得体会
不管怎样模电课程设计终于要在此告一段落了,这期间的感触颇多,收获也不少。

还记得刚开始选题时的兴高采烈,面对失败的迷惘沮丧,以及初尝胜果时的信心重回,不得不承认整个过程波澜起伏。

就“基于集成运算放大器的万用表设计”这个选题而言,据我所知我们电子专业只有我和另一名同学选取,所以商量讨论的人不多。

其次这个选题在网络上的资料也相当少, 也就发现了一套参考资料，所以从一开始设计就举步维艰。

然后这也是第一次做这样设计能力与动手能力都要求较高的课程设计，对很多过程都没有经验，也导致出现了很多失败。

比如，过分依赖仿真软件，忽略了理论与实际的差距，在调和各电路的仿真后，就埋头设计总电路，再紧接着焊接，焊接过程也没有注意分块调试，一股脑的焊接完成后却发现没有一个表能正常工作，又重新检查电路图，检查焊接电路，最终因为设计的总电路设计太复杂，也没有检测出问题，接着就是苦恼迷惘。

好在硬件查收的时候受到了老师的指点与鼓励，又重新开始从头做起。

重新开始我吸取了上一次的经验，在元器件选择方面用LM324替代了uA741,将表头单独隔开作为开关使用，这样大大简化了总电路图；在焊接方面也注意了分块调试。

最终实现了万用表的基本功能。

通过这次课程设计让我懂得了理论与实际操作之间的差距,也让我体会到了模电理论知识的使用性,发现了自身知识的不足,积累了课程设计的经验。

最后对指导老师在设计过程中的辅导表示由衷的感谢。

7 参考文献
[1]杨柳，陈映芳.浅析万用表的设计、安装与调试实训中的问题及其解决方
法.《南方职业教育学刊》，2012年04期
[2]康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2006.1.
[3]蔡立英. 指针式万用表测量技巧及使用方法. 电子工业出版社，2008.
[4]钟绍实. 电工与电子技学. 化学工业出版社，2009.
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。