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万用表的设计与调试
一、实验目的
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。
二、知识点和涉及内容
本课程实验主要是运算放大器构成各种简单仪表的原理,
直流电压、直流电流、交流电压、交流电流及电阻的测量测试方法。
三、技术指标
万用表的测量精确度:
电源电压: 12V
1、直流电压表量程:6V
2、直流电流表量程:5mA
3、交流电压表量程:6V,50Hz~1KHz
4、交流电流表量程:5mA
5、欧姆表量程分别为: 1KΩ,10KΩ,100KΩ
四、万用表工作原理及参考电路

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。特别是在作直流放大器用时,由于输入失调电压和失调电流的影响,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,以抵消运放本身的失调电压,达到调零的目的。
有些运放已经引出调零端,只需要按照器件的规定,接入调零电路进行调零即可,例如本实验所用到的HA17741。下面以HA17741为例,图1给出了常用外部调零电路。它的调零电路由-12V电源、50kΩ的电阻和调零电位器Rp组成。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1 调零电路
运算放大器HA17741引脚图

在测量中,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,万用电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1KΩ,用它进行测量时将影响被测量,引起误差。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。如果在万用电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。
1、直流电压表
图为同相端输入,高精度直流电压表电原理图。
为了减小表头参数对测量精度的影响,将表头置于运算放大器的反馈回路中,这时,流经表头的电流与表头的参数无关,只要改变R1一个电阻,就可进行量程的切换。
表头电流I与被测电压Ui的关系为
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。
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象常规电流表那样,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
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。
-I1R1=(I1-I)R2