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%
8()
2cos100t V
π7.2015V 0.7985V 9.98% 10()
2cos100t V
π9.0020V 0.9980V 9.98% 电阻R1 30V/60mA=0.5KΩ电表选用量程0 ——60 mA
（5）欧姆表仿真结果及仿真图
测量电压绝对误差相对误差
输入电阻600Ω601.4Ω 1.4Ω0.26% 9KΩ9.005KΩ0.005KΩ0.055% 80KΩ80.35KΩ0.35KΩ0.44%
电阻R1 1KΩR2 2.9KΩ电表选用量程0 ——1mA（忽略了R m的影响）
四、注意事项
1、运算放大器的检测
用数字式万用表直流电压档，测量运算放大器输出端与负电源之间的电压值（在静态时电压值较高）。
用手持金属镊子依次点触运算放大器的两个输入端（加
入干扰信号），若万用表表针有较大幅度的摆动，则说明该运算放大器完好；若万用表表针不动，则说明运算放大器已经损坏。
2、测量电流时应注意消除电源产生的干扰
连接电源时，正负电源连接点上各接大容量的滤波电容器和小电容器，以消除电源产生的干扰。
3、万用表的使用技巧
（1）测量前毫安表要水平放置，看指针是否为零，如不在零位，则要机械调零。
（2）毫安表按照规定位置放置，远离外磁场。
（3）正确读数，减少视觉误差。
（4）测量电阻时，每换一次档都要重新调零。
五、心得体会
这是我第一次尝试设计电路并把它仿真出来。
不得不说这次实验对我来说有一定难度，我在上面花费了很多时间。
从构思到仿真再到写报告，每一环节我都会遇到很多新问题，需要学习很多新技能，但最重要的，我收获了很多新知识。
我不仅对模电的理论知识有了更深一步的理解，还学会了Multism仿真软件的使用。
这个仿真软件非常好用，能帮助我们理解一些理论知识并验证一些结论。
同时，这次实践动手更加让我明白了，如果知识仅仅停留在书面上，是没有用的，必须把知识运用到生活中，不断应用，不断熟练，才会变成为人类服务的工具。
通过这次实践，我发现我的动手能力还有待进一步提高，而提高的唯一途径就是多实践多练习。
所以我以后会多做类似的实验，让自己在动手实践方面有一个新的突破。