874380928运算放大器设计万用表课程设计.doc

常熟理工学院课程设计报告电子线路课程设计（报告）题目 运算放大器设计万用表 系 别 物理与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 08电科3 学 号 050208324 日 期 2010年6月27日—2010年7月2日 目 录目 录 2第一章 题目要求与目的 31.1课题及技术指标 31.1.1课题名称 31.1.2技术指标 31.1.3课程设计元器件及所用设备 31.2课程设计目的 3第二章 电子线路设计与实现 42.1课题分析 42.1.1万用表工作原理 42.1.2运算放大器工作原理 62.1.3调零电路原理 72.2由原理设计电路图 82.2.1组合电路图 82.2.2直流电压表设计 92.2.3直流电流表设计 102.2.4交流电压表设计 122.2.5交流电流表设计 132.2.6欧姆表设计 13第三章 实践总结 13参考文献 13第一章 题目要求与目的1.1课题及技术指标1.1.1课题名称用运算放大器设计万用表1.1.2技术指标1、直流电压表 满量程5V2、直流电流表 满量程10mA3、交流电压表 满量程5V （50Hz—1000 Hz）4、交流电流表 满量程10mA5、欧姆表 满量程分别为1k欧姆、10k欧姆和100k欧姆6、其它可任意发挥1.1.3课程设计元器件及所用设备1、运算放大器： LM324N 2片2、电阻器： 1kΩ 4只，2.9 kΩ 1只，3.3 kΩ 1只，10 kΩ、100 kΩ 各1只3、二极管： 1N4007 1只 4、开关： 单刀双掷 3个，单刀三掷1个，双刀四掷1个，三刀六1个5、其它： 桥式整流电桥，表头，电源若干1.2课程设计目的1、学会用multisim软件设计模拟电路。

2、了解万用表的基本工作原理及其相关组成部分3、掌握运算放大器组成万用表的设计方法4、掌握万用表的主要技术指标和调试方法第二章 电子线路设计与实现2.1课题分析2.1.1万用表工作原理1、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，从而再由所得的电流值转换成待测电路中的电流、电压和电阻下面分别介绍：1）直流电流测法如下图所示，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表头图2.1.1 侧直流电流2）直流电压测法如下图所示，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表头图2.1.2 测直流电压3）交流电压测法如下图所示，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表头图2.1.3 测交流电压4）交流电流测法 测交流在直流的基础上将交流信号用半波整流器转换为直流信号同样可得出交流电流。

扩展交流电流量程的方法与交流电流量程相似5）电阻测法如下图所示，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 表头图2.1.4 测电阻 2.1.2运算放大器工作原理运放有两个输入端a（反相输入端），b(同相输入端)和一个输出端o也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点)之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同为了区别起见，a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。

采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压2.1.3调零电路原理由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零调零技术是使用运放时必须掌握的特别是在做直流放大器时，由于输入失调电压和输入失调电流的影响，当运放的输入为零时，输出不为零，将影响运算放大器的精度，严重时使运算放大器不能正常工作调零的原理是：在运放的输入端外加一个补偿电压，一抵消运放本身的失调电压，打到凋零的目的有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入凋零电路进行调零即可。

如下图为本实验所用的调零电路调零时应将电路接成闭环，将两个输入端接“地”，调节调零电位器，使输出电压为零图2.1.3 凋零电路图2.2由原理设计电路图2.2.1组合电路图图2.2.1 万用表内部结构图电路说明：黑框以外部位是万用表的内部结构，黑框以内是四种可能的待测元件四种功能的切换是以开关S1、S3、S4、S6的控制完成的，其中在图示初始状态下，开关S1赋予控制键A，其余三个的控制键是B，这就能有四种组合方式，从而达到四种电表的测量功能AB电表类型10直流电流01交流电压11直流电压00交流电流注：其中1表示对应键在初始态下按下，0表示初态黑框中以类似的方式快速切换，便于仿真的进行表2.2.1 测量方式2.2.2直流电压表设计1、设计方案：当开关A=1，B=1，此时可以实现直流电压表的功能2、测量数据：测量电压绝对误差相对误差输入电压5V5.002V0.002 V0.04%3V3.002 V0.002 V0.07%1V1.002 V0.002 V0.20%表2.2.2. 直流电压表测量数据图2.2.2（a） 直流电压测试图3、电路图：图2.2.2（b）直流电压独立电路图2.2.3直流电流表设计1、设计方案：开关A=1,B=0，实现直流电流表的功能。

2、测量数据：理论值测试电流绝对误差相对误差输入电流4mA8 mA7.998 mA0.002 mA0.025%6mA12mA11.998 mA0.002mA0.017%10 mA20 mA19.999 mA 0.001 mA0.005%表2.2.3直流电流表测量数据图2.2.3（a） 直流电流测试图3、电路图图2.2.3（b） 直流电流独立电路图2.2.4交流电压表设计1、设计方案：开关A=0，B=1，实现交流电压表的功能2、测量数据：理论值测试电压绝对误差相对误差输入电压5cos100t (V)4.5mA4.583 mA0.083 mA1.844%4cos100t (V)3.6 mA3.666 mA0.066 mA1.833%2cos100t (V)1.8 mA1.833 mA0.033 mA1.833%表2.2.4交流电压表测量数据图2.2.4(a) 交流电压表测试图3、电路图图2.2.4(b) 交流电压表独立电路图2.2.5交流电流表设计1、设计方案：开关A=0，B=0，实现交流电流表的功能2、测量数据：理论值测试电流绝对误差相对误差输入电阻4cos100t (mA)5.656 mA5.185 mA0.471 mA8.33%6cos100t (mA)8.484 mA7.639 mA0.845 mA9.96%10cos100t (mA)14.141mA12.732 mA1.409 mA9.96%表2.2.5 交流电流表测量数据图2.2.5（a） 交流电流表测试图3、电路图：图2.2.5（a） 交流电流表独立电路图2.2.6欧姆表设计1、设计方案根据原理设计出电路图如下图所示，其中R5择2.9k欧姆，R4择3.3k欧姆。

在该电路中，运算放大器改用单电源供电，被测电阻R6跨接在运算放大器的反馈电路中，同相端加基准电压U1，由负反馈的虚短和虚断可知，U1/R=(U—U1)/R6，所以R6=R（U—U1）/U1，其中表头电流为I=（U—U1）/R5，由以上三个式子可得出I=R6·U1/R·R5(其中R为所选取的量程，即R1，R2，R3)由此可知表头电流I与被测电阻成正比，改变R的值可改变电表的量程其中二极管起到保护电表的作用，当R6超量程时，特别是R6时，运算放大器的输出电压将接近电源电压，使表头过载，有了二极管D可使输出钳位，防止表头过载2、测量数据表表头电流测量电阻绝对误差相对误差输入电阻600Ω622.613uA601.86Ω1.86Ω0.3%4kΩ415.223uA4.0138kΩ0.0138kΩ0.35%70kΩ726.974uA70.2742kΩ0.2742kΩ0.39%表2.2.6 欧姆表测量数据图2.2.6（a） 欧姆表测试图3、独立电路图图2.2.6（a） 欧姆表独立电路图第三章 实践总结这一次课程设计，我们小组选的是：用运算放大器设计万用表课题看起来似乎很简单，仔细回想，对我们学电子。