研究与实践3
高精度电压表、电流表和电阻表的制作
一、研究目的
1．学习和掌握万用表电路设计的思路。
2．学习掌握电压表、电流表和电阻表测量中不同量程的构成方式。
3．学习和掌握采用含运算放大器的电路扩大测试量程的方法。
4．学习和领会表盘刻度线性和非线性的原理。
5．领会和掌握输入电阻与输出电阻的工程意义。
6．掌握工程中基于集成运算放大器的高精度电压表、电流表和电阻表的设计方法。
7．在学习掌握本研究性实验提示内容的基础上，设计满足任务要求的电路，并实现电路的仿真、制作和调试。
二、预备知识
1. 熟练掌握电阻性电路的分析方法与应用。
2. 掌握万用表测量直流电流、直流电压和电阻的原理和方法。
3. 领会运算放大器特性和应用。
三、研究背景
电流和电压作为电路变量，是在电路理论中描述和反映电路性质和特性的最重要的参数，也是在工程实际中经常需要测量的。通常情况下，测量电流和电压可以采用万用表，不论是模拟万用表还是数字万用表，都可以准确测量电路中的直流（或交流）电流与电压值。
电阻器是电路理论中的重要基本元件之一，电阻器的阻值的测量在工程实际中也具有重要的意义。通常情况下，亦可以采用万用表来测量电路中实际电阻元件的阻值。 万用表是一种多量程和测量多种电量的便携式电子测量仪表。一般的万用表可以测量电阻、测量交流和直流电流、测量交流和直流电压。有的万用表还可以用来测量音频电平、电容量、电感量和晶体管的β值等。
由于万用表结构简单、便于携带、使用方便、用途多样、量程范围广，因而它是维修仪表和调试电路的重要工具，是一种最常用的测量仪表。
四、实验仪器及元器件
示波器 1台
双路可调直流稳压电源 1台
微安表 1只
万用表 1只
集成运算放大器芯片 若干
电阻 若干
电容器 若干
电感器 若干
开关 若干
五、研究提示(略)
六、研究内容或设计目标
1． 基本命题
A 设计一个高精度直流电流测试仪，可分0～10mA、10mA～100mA、100mA～1A三个量程测量直流电流。
任务要求：
（1） 设计高精度直流电流测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 以直流电源和可调电阻组成被测电流回路，用设计的高精度直流测试仪进行实验
测量，画出电流～电阻曲线，与软件仿真结果比较、分析。
（6） 实验研究当被测负载分别接入感性负载和容性负载时，对高精度直流测试仪的测
试结果是否有影响，并分析原因。
B 设计一个高精度直流电压测试仪，可分10mV～100mV、100mV～1V、1V～10V三个量程测量直流电压。
任务要求：
（1） 设计高精度直流电压测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 以直流电源和可调电阻组成被测电压回路，用设计的高精度直压测试仪进行实验
测量，画出电压～电阻曲线，与软件仿真结果比较、分析。
（6） 实验研究当被测负载分别接入感性负载和容性负载时，对高精度直压测试仪的测
试结果是否有影响，并分析原因。
C 设计一个高精度电阻测试仪，可分0～100mΩ、100mΩ～10Ω、10Ω～1kΩ三个量程测量的电阻。
任务要求：
（1） 设计高精度电阻测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 用设计的高精度直流测试仪对不同电阻器进行实验测量，测量结果与万用表测量
结果进行比较，并进行误差分析。
（6） 实验研究当被测负载分别为感性负载和容性负载时，对高精度电阻测试仪的测试
结果是否有影响，并分析原因。
2． 扩展命题
采用同一高精度测量表头，设计一个可测量直流电流、直流电压和电阻的综合测试仪，并且具有测量直流电流、直流电压和电阻多量程选择功能。
任务要求：
（1） 设计综合测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 实验验证综合测试仪测量结果。
七、注意事项
1. 使用微安表时，如何确定微安表表头的内阻。
2. 在测量大电流和高电压时，注意运算放大器的有效应用范围。
3. 高精度电阻测量仪中的干电池的电压，对电阻测试仪的测量和计算结果影响较
大，因此，在实验时要精确测量干电池的电压值。
八、研究报告要求
1．通过阅读相关应用实例和背景资料，学习有关万用表使用原理的知识。
2．确定测试仪电阻参数的分析方法和计算方法，以及参数选择依据。
3．设计过程的详细记录。
4．设计电路的仿真结果。
5．整理原始记录数据，对记录数据进行计算、分析和处理，并与理论计算结果进行比较，分析试验数据的误差，分析误差产生的原因。
6．撰写研究心得和体会。
研究与实践3
高精度电压表、电流表和电阻表的制作
一、研究目的
1．学习和掌握万用表电路设计的思路。
2．学习掌握电压表、电流表和电阻表测量中不同量程的构成方式。
3．学习和掌握采用含运算放大器的电路扩大测试量程的方法。
4．学习和领会表盘刻度线性和非线性的原理。
5．领会和掌握输入电阻与输出电阻的工程意义。
6．掌握工程中基于集成运算放大器的高精度电压表、电流表和电阻表的设计方法。
7．在学习掌握本研究性实验提示内容的基础上，设计满足任务要求的电路，并实现电路的仿真、制作和调试。
二、预备知识
1. 熟练掌握电阻性电路的分析方法与应用。
2. 掌握万用表测量直流电流、直流电压和电阻的原理和方法。
3. 领会运算放大器特性和应用。
三、研究背景
电流和电压作为电路变量，是在电路理论中描述和反映电路性质和特性的最重要的参数，也是在工程实际中经常需要测量的。通常情况下，测量电流和电压可以采用万用表，不论是模拟万用表还是数字万用表，都可以准确测量电路中的直流（或交流）电流与电压值。
电阻器是电路理论中的重要基本元件之一，电阻器的阻值的测量在工程实际中也具有重要的意义。通常情况下，亦可以采用万用表来测量电路中实际电阻元件的阻值。 万用表是一种多量程和测量多种电量的便携式电子测量仪表。一般的万用表可以测量电阻、测量交流和直流电流、测量交流和直流电压。有的万用表还可以用来测量音频电平、电容量、电感量和晶体管的β值等。
由于万用表结构简单、便于携带、使用方便、用途多样、量程范围广，因而它是维修仪表和调试电路的重要工具，是一种最常用的测量仪表。
四、实验仪器及元器件
示波器 1台
双路可调直流稳压电源 1台
微安表 1只
万用表 1只
集成运算放大器芯片 若干
电阻 若干
电容器 若干
电感器 若干
开关 若干
五、研究提示(略)
六、研究内容或设计目标
1． 基本命题
A 设计一个高精度直流电流测试仪，可分0～10mA、10mA～100mA、100mA～1A三个量程测量直流电流。
任务要求：
（1） 设计高精度直流电流测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 以直流电源和可调电阻组成被测电流回路，用设计的高精度直流测试仪进行实验
测量，画出电流～电阻曲线，与软件仿真结果比较、分析。
（6） 实验研究当被测负载分别接入感性负载和容性负载时，对高精度直流测试仪的测
试结果是否有影响，并分析原因。
B 设计一个高精度直流电压测试仪，可分10mV～100mV、100mV～1V、1V～10V三个量程测量直流电压。
任务要求：
（1） 设计高精度直流电压测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 以直流电源和可调电阻组成被测电压回路，用设计的高精度直压测试仪进行实验
测量，画出电压～电阻曲线，与软件仿真结果比较、分析。
（6） 实验研究当被测负载分别接入感性负载和容性负载时，对高精度直压测试仪的测
试结果是否有影响，并分析原因。
C 设计一个高精度电阻测试仪，可分0～100mΩ、100mΩ～10Ω、10Ω～1kΩ三个量程测量的电阻。
任务要求：
（1） 设计高精度电阻测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 用设计的高精度直流测试仪对不同电阻器进行实验测量，测量结果与万用表测量
结果进行比较，并进行误差分析。
（6） 实验研究当被测负载分别为感性负载和容性负载时，对高精度电阻测试仪的测试
结果是否有影响，并分析原因。
2． 扩展命题
采用同一高精度测量表头，设计一个可测量直流电流、直流电压和电阻的综合测试仪，并且具有测量直流电流、直流电压和电阻多量程选择功能。
任务要求：
（1） 设计综合测试仪的整体结构框图。
（2） 阅读检索参考文献，确定和选择电路中各元件的参数和型号。
（3） 对电路设计进行Multisim 软件仿真。
（4） 整体电路制作与调试实现。
（5） 实验验证综合测试仪测量结果。
七、注意事项
1. 使用微安表时，如何确定微安表表头的内阻。
2. 在测量大电流和高电压时，注意运算放大器的有效应用范围。
3. 高精度电阻测量仪中的干电池的电压，对电阻测试仪的测量和计算结果影响较
大，因此，在实验时要精确测量干电池的电压值。
八、研究报告要求
1．通过阅读相关应用实例和背景资料，学习有关万用表使用原理的知识。
2．确定测试仪电阻参数的分析方法和计算方法，以及参数选择依据。
3．设计过程的详细记录。
4．设计电路的仿真结果。
5．整理原始记录数据，对记录数据进行计算、分析和处理，并与理论计算结果进行比较，分析试验数据的误差，分析误差产生的原因。
6．撰写研究心得和体会。