万用电表的内阻对测量误差的影响-实验总结

一、实验目的

① 设计由运算放大器组成的万用电表。

② 对电路进行组装与调试。

二、设计要求

直流电压表：满量程+6 V。

直流电流表：满量程10 mA。

交流电压表：满量程6 V，50 Hz～1 kHz。

交流电流表：满量程10 mA。

欧姆表：满量程分别为1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ。

三、万用电表工作原理及参考电路

在测量过程中，电表的接入应不影响被测电路的原工作状态，这就要求电压表具有无穷大的输入电阻，电流表的内阻为零。但实际上，万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如，100 μA的表头，其内阻约为1 kΩ，用它进行测量时将影响被测参数从而引起误差。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。如果在万用表中使用运算放大器，不仅能得到线性刻度，还能实现自动调零。

1. 直流电压表

图1.19.1为同相端输入、高精度直流电压表电路原理图。

图1.19.1 直流电压表

图1.19.2 直流电流表

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1.19.1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1.19.2是浮地直流电流表的电路原理图。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对地浮地，按此种方法构成的电流表就像常规电流表那样，可以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：

所以

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，应给电流表表头并联分流电阻。

3. 交流电压表

由运算放大器、二极管整流桥和直流毫安表组成的交流电压表如图1.19.3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。

图1.19.3 交流电压表

表头电流I与被测电压ui的关系为

电流I全部流过桥路，其值仅与ui/Ri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的全波整流平均值成正比，若ui为正弦波，则表头可按有效值来标刻度。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。

4. 交流电流表

图1.19.4为浮地交流电流表电路原理图，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i为正弦电流，即(www.xing528.com)

则上式可写为

故表头可按有效值来标刻度。

图1.19.4 交流电流表

5. 欧姆表

图1.19.5所示为多量程的欧姆表电路原理图。

在此电路中，运算放大器改由单电源供电，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。

因为 UP = UN = UREF

所以

流经表头的电流I为

由上两式消去(U0- UREF)，可得

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，如果有D，当Rx超量程时，特别是当Rx→∞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。

图1.19.5 欧姆表

四、电路设计

① 万用电表的电路是多种多样的，建议用参考电路设计一只较完整的万用表。

② 万用电表进行电压、电流或欧姆等功能挡位切换时，以及进行量程切换时应用开关切换，但实验时可用引线切换。

五、实验元器件选择

表头：灵敏度为1 mA，内阻为100 Ω。

运算放大器：μA741。

电阻：均采用1/4W的金属膜电阻。

二极管：IN4007。

稳压管：2CW51。

六、注意事项

① 在连接电源时，正、负电源连接点上各接大容量的滤波电容器和0.01～0.1μF的小电容，以消除通过电源产生的干扰。

② 万用电表的电性能测试要用标准电压、电流表校正，欧姆表用标准电阻校正。

七、实验报告要求

① 画出完整的万用电表设计电路原理图。

② 将万用电表与标准表作测试比较，计算万用表各功能挡的相对误差，分析误差原因。

③ 试对设计的电路提出改进建议。

④ 总结本次实验的收获与体会。