电表电路的设计

5.5电表电路的设计普通的模拟电表中最常见的是以磁电式电流表(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，或需要测量微小的电压、电流等。将集成运放与磁电式电流表相结合，可构成内阻大于10MΩ／V的电压表和内阻小于1Ω的微安表等性能优良的电子测量仪表。一、设计原理普通的模拟电表中最常见的是以磁电式电流表(又称表头)作为指示器，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。某些测量电路中，要求电压表有很高的内阻，而电流表要有很小的内阻。将集成运放与磁电式电流表结合，可构成内阻大于10MΩ／V的电压表和内阻小于1Ω的微安表等性能优良的电子测量仪表。1.直流电压表和电流表（1）直流电压表根据被测直流电压是从运放正相输入端还是反向输入端接入，可将直流电压表分为同相输入式和反相输入式两种。直流电压表的表头总是接在运放的输出端。图5-5-1所示即为同相输入式直流电压表，被测信号Vx接与运放的同相输入端。图（a）是原理电路，图（b）是扩展为多量程的实际电路。图5-5-1同相输入式直流电压表下面分析图5-5-1（b）所示电路的工作原理。在放大器的输出端接有量程为150mV的电压表，它由200μA表头和750Ω的电阻（包括表头内阻）串联而成。当输出电压Vx=25mV时，输出mVmVVRVoXFR15025525111（5-5-1）电压表达到满量程。从图5-5-1（b）虚线图中可知，同相输入方式的运放输入电阻非常大，所以电路可看作是内阻无穷大的直流电压表，它几乎不从被测电路吸收电流。通过电阻分压器可扩大量程，分压后的电压在同相输入端的值V均不超过25mV。反相输入式电压表与同相输入式电压表的差别在于它的放大倍数为1RRF,表头在输出端的极性应与图5-5-1相反，输入电阻应为1R,不能达到很大。（2）直流电流表直流电流表测量的实质是将直流电流转换成电压。仿照直流电流表的构成原理，电流表把表头接在运放的输出端，通过改变反馈电阻即可改变电流表的量程。由于电流表希望内阻越小越好，所以被测电流xI常由运放的反相输入端加入。这里介绍将表头接在反馈回路的直流电流表，其原理电路如图5-5-2（a）。电阻MR为表头内阻，表头流过的电流就是被测电流，即XFII（5-5-2）且与表头内阻MR无关。电流表的内阻很小，约为voMiARR1（5-5-3）其中VOA为运放的开环电压放大倍数。图5-5-2（b）为高灵敏度直流电流表电路。由虚短原则VV,可推导出表头流过的电流与被测电流的关系为XIRRI211(5-5-4)图5-5-2直流电流表电路可见，被测电流XI小于流过表头的电流I，所以提高了电流表的灵敏度。利用运放和100μA的表头构成的直流电流表，适当选取参数，可实现量程为10μA、内阻小于1Ω的高精度电流表，这是普通微安表所达不到的。2.由运放构成的线性整流电路在对交流电压和电流进行测量时，常常是先将它们进行整流，使交流量变换成直流量，然后再测量。再直流电压表的基础上，将二级管整流电路接在运放的反馈回路中，即得到全波整流电路，如图5-5-3所示。当输入电压iv为正半周时，因运放为反相输入方式，其输出ov为负半周，二极管2D和4D导通，负载LR上电压为正，即0Lv；当输入0iv时，0ov，二极管1D和3D导通，负载上的电压仍为正，即0Lv，因而得到全波整流电压。二极管伏安特性的非线性影响很小可忽略不计，因而实现线性整流。负载电压平均值与输入电压有效值（因输入为正弦电压）之间的关系为iLVV9.0（5-5-5）利用整流电路和微安表可构成交流电压表和电流表。3.交流电压表和电流表（1）交流电压表精密半波整流交流电压表电路如图5-5-4所示，它由精密半波整流电路和分压电阻构成。因为被测电压为交流，所以接在运放输出端的是交流电压表。图5-5-4精密半波整流交流电压表图5-5-4虚线框内部分即为精密半波整流电路，它相当于量程为50mV、内阻接近无穷大的交流电压表。当同相输入端电压的有效值为V=50mV时，流过微安表的电流平均值I为200μA。输出电压为半波整流电压，其平均值为XiFFOVKRRVRRV11145.0145.0(5-5-6)其中，XV为被测交流电压有效值，iK为不同量程的分压系数。图5-5-5中流过微安表的电流I是被测交流电压经过整流而形成的，与XV成正比，所以测量I即是测量XV。由于I为直流，顾交流电压表的刻度是均匀的。根据（5-5-6），可计算出各分压电阻的阻值。（2）交流电流表将图5-5-3的精密全波整流电路稍加改动，即可构成图5-5-5所示的交流电流表。其工作原理实质上市将被测电流经已知电阻转换成电压，再利用电压表进行测量。图5-5-5（a）中微安表头是经过整流桥接入反馈电路的，所以流过表头的为全波整流电流，它指示的是电流的平均值I，若被测电流为正弦电流，则XII9.0(5-5-7)其中，XI为被测电流有效值。上式说明，微安表的指示只取决于XI，而与微安表内阻及二极管的非线性无关，因此其刻度也是均匀的，具有较高的测量精度。若要测量较大电流，则需扩大电流表的量程，图5-5-5（b）即为一个多量程的交流电流表。其测量的实质是将被测电流经已知电阻转换成电压，再利用电压表进行测量。图5-5-5交流电流表4.电阻测量电路普通万用表的欧姆档有测量精度不高的问题:当被测电阻XR与该挡的等效内阻（即中值电阻）ZR比较接近时，测量值较准确，但当XRZR时只能大致估计XR的阻值,因为其刻度不均匀。利用运放构成的欧姆表，可测量电阻的精度大大提高，并可获得线性刻度。（1）线性刻度欧姆表由反相比例接法的运放即其外围电路构成的欧姆表如图5-5-6所示。被测电阻XR作为运放的负反馈电阻接在输出端和反相输入端之间。输入信号电压ZV固定，取自稳压二极管。不同阻值的输入电阻1R组成不同的电阻量程。当ZV和R已知时，有输出电压ZXOVRRV1(5-5-8)图5-5-6线性刻度欧姆表上式表明，OV与被测电阻XR成正比，由线性欧姆刻度的电压表即可读出电阻XR的阻值1RVVRZOX(5-5-9)式中OV0。欧姆表的刻度呈现性是由于它测量的实质是将电阻转换成直流电压，再用电压表测量，所以此电路亦称欧姆-电压转换器。由于输入端失调引起的不平衡，可用开关2S及运放1、5脚进行调零来调整（具体调零电路的连接方法可参阅3-13节），以提高测量精度。（2）电桥测量电路图5-5-7所示为利用电桥平衡原理测量电阻的欧姆表电路，它实质上式一个差分输入运放放大器电路。图5-5-7电桥测量电路被测电阻XR接在同相输入端与地之间。运放的输入为电桥的电源，调节电阻WR的大小，使输出电压为零，相当于电桥平衡。由差分比例运算关系的条件，可导出12RRRRWX(5-5-10)即WOWXRKRRRR12(5-5-11)其中，OK为欧姆表的倍率，当2R取不同阻值时，即构成不同倍率的电阻挡量程。WR为带有刻度指示的可变电阻。这种平衡电桥测量电路大大提高了精度，测量结果与输入无关，其精度取决于WR的线性度以及调零的准确与否。二极管1D、2D起输出限幅保护的作用，R/2为电源SV的限流电阻。二、设计任务设计一个模拟万用表。技术要求如下：1.直流电压测量范围：（0~15V）5%。2.直流电流测量范围：（0~10mA）5%。3.交流电压测量范围及频率范围：有效值（0~5V）5%,50Hz~1kHz。4.交流电流测量范围：有效值（0~10mA）5%。5.欧姆表测量：0~1kΩ。6.要求自行设计CCV和-EEV直流稳压电源(不含整流与滤波电路)。7.要求采用模拟集成电路，器件自选。8.采用0μA直流表，要求测试出其内阻MR数值。9.量程的转换调节要方便直观。三、设计报告要求1.按照设计任务玩曾电表电路设计，画出设计电路图。2.根据设计任务中的技术指标，对所设计的电压表、电流表、电阻器进行调试、检测。3.计算误差范围，分析误差原因，确定所设计电压表的精度。四、思考题1.电压表内阻不够高，而电流表内阻不够低，则所设计的万用表在测量时回有什么影响？2.影响交流表测量频率的有哪些因素？为什么？五、实验仪器即主要器件1.仪器双踪示波器1台直流稳压电源1台毫伏表1台万用表1台低频信号发生器1台2.元器件模拟运算放大器若干整流二极管若干磁电式电压表（50μA或100μA）1只电阻、电容