基于集成运算放大器的万用表设计

1、课程设计报告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100A的表头，其内阻约为1K），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 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，50Hz1KHz 交流电流表 满量程

2、10mA 欧姆表 满量程分别为1K，10K，100K 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） 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

3、）签名： 年 月 日目录摘要41 绪论52.1设计的目的及主要任务52.1.1设计的目的52.1.2 设计任务及主要技术指标52.2设计思想63 设计原理63.1 运算放大器的工作原理63.2万用表工作原理及参考电路73.2.1直流电压表73.2.2直流电流表83.2.3 交流电压表83.2.4 交流电流表93.2.5 欧姆表104 总电路设计115 硬件调试116 心得体会137 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

4、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

5、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设计的目的了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分；掌握用运算放大器组成万用表的设计方法；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 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，50Hz1KHz 交流电流表 满量程 10mA 欧姆表 满量程分别为1K，10K，100K 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

6、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

7、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：输入端电压趋于零，可做“虚短”、“虚地”处理。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LM3243.2万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100A的表头，其内阻约为1K，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

8、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Ui的关系为: =6V6k =1mA3.2.2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I1间关系为: I1R1（I1I）R2 =(1+1k1k

9、)*10mA=20mA可见，改变电阻比（R1R2），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Ui的关系为*0.9图3交流电压表电流I全部流过桥路，其值仅与UiR1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ui的全

10、波整流平均值成正比，若ui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I1AV决定，即如果被测电流I1为正弦电流，即II1sint，则上式可写为=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RX跨接在运算放大器的反馈回路中，同相端加基准电压Up。I1IX UpR1=Uo-UpRx 即Rx=R1Up(Uo-Up)流经表头的电流I=Uo-UpRm由上两式消去(UoUp

11、) 可得 I=UpRxR1Rm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RX0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。4 总电路设计下图为设计的总的电路图：说明：1mA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。+表示待测源的正极，待测源的负极一般接地。图中左上角为直流电压表，

12、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:测试数据表格直流电压(V)直流电流(mA)交流电压（V）交流电流（mA）电阻（）输入值63110536311053550500显示值(mA)1.000.490.161.000.490.291.000.480.161.00

13、0.480.280.490500.50测量值6.002.940.9610.004.902.906.002.880.9610.004.802.804.9050.00500.00 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

14、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