电压表及电流表电路的设计
基于单片机的工频电压(电流)表的设计
检测系统实习报告题目：基于单片机的工频电压（电流）表的设计姓名：院（系）：专业：指导教师：职称：评阅人：职称：年月摘要在实际中，有效值是应用最广泛的参数，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。
有效值获得广泛应用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。
本文详细介绍了一个数字工频电压、电流表设计，以AT89S52单片机为控制核心，由电压、电流传感器模块，真有效值测量模块，信号调理模块，AD采集模块及控制、显示模块等构成。
系统采用电压、电流互感器对输入信号进行降压处理，经AD736转换得到原信号的真有效值，由TLC549转换为数字量后送入单片机内进行简要的数据处理并将结果通过LCD实时显示，达到了较好的性能指标。
关键词：工频数字电压（电流）表真有效值AD736 TLC549 AT89S52AbstractIn practice, RMS is the most widely used parameters. Except in special circumstances,voltage meter readings almost all carried out by the RMS of sine wave . The reasons of RMS is widely available, on the one hand, because it directly reflects the size of the exchange of signal energy, which the study of power, noise, distortion, spectrum purity, energy conversion, such as it is very important; On the other hand, it has a very simple superposition of the nature of the calculation will be extremely convenient. The design of single-chip Atmel Corporation AT89S52 as control core, by the current sensor module, True RMS measurement modules, signal conditioning modules, AD acquisition and control module, display module. System uses a current sensor circuit for step-down of the input signal processing, has been converted by the original AD736 True RMS signal by the TLC549 convert into single-chip digital conducted after the brief and the results of data processing in real time through the LCD display, achieve a better performance.Keyword: Digital voltage(current) meter True RMS AD736 TLC549AT89S52目录第一章绪论 (1)§1.1 选题背景及意义 (1)§1.2 系统设计任务 (1)第二章系统总体设计 (2)§2.1 方案论证与比较 (2)2.1.1 电压、电流变换部分 (2)2.1.2 有效值测量部分 (2)§2.2 系统总体设计 (2)第三章硬件设计 (4)§3.1 传感器电路设计 (4)3.1.1 电压互感器 (4)3.1.2 电流互感器 (4)§3.2 真有效值转换电路设计 (5)3.2.1 电压、电流切换电路 (5)3.2.2 真有效值测量电路 (6)§3.3 信号调理电路设计 (7)§3.4 A/D转换电路设计 (7)§3.5 单片机及显示电路设计 (9)第四章软件设计 (10)§4.1 LCD1602液晶显示程序 (10)§4.2 A/D转换程序 (10)§4.3 主程序设计 (12)第五章系统调试及误差分析 (13)§5.1 系统调试及测试结果 (13)5.1.1 AD736测试结果 (13)5.1.2 OP07测试结果 (13)5.1.3 TLC549测试结果 (13)5.1.4 工频电压测量精度 (14)5.1.5 工频电流测量精度 (14)§5.2 误差分析 (14)§5.3 改进方法 (15)结束语 (16)致谢 (17)参考文献 (18)附录 (19)附录一完整电路图 (19)附录二程序清单 (20)第一章绪论§1.1 选题背景及意义在日常的生产、生活和科研中，工频电无处不在，所谓工频就是电力供电系统交流电的频率，我国国家规定工频为50赫兹，即周期为0.02秒，英、美等国规定的工频为60赫兹。
仪表电压、电流量程的扩展
0R I 图 1-10RI mA 500图 1-2仪表电压、电流量程的扩展一．实验目的1．掌握直流电压表、电流表扩展量程的原理和设计方法； 2．学会校验仪表的方法。
二．原理说明多量程电压表或电流表由表头和测量电路组成。
表头通常选用磁电式仪表，其满量程和内阻用Iｍ和R 0表示。
多量程（如1V 、10V ）电压表的测量电路如图1－1所示，图中R 1、R 2称为倍压电阻，它们的阻值与表头参数应满足下列方程：V 1)(10m =+R R I V 10)(210m =++R R R I多量程（如10ｍA 、100ｍA 、500ｍA ）电流表的测量电路如图1－2所示，图中R 3、R 4、R 5称为分流电阻，它们的大小与表头参数应满足下列方程：3543m 01010)(-⨯⨯++=R R R I R354m 3010100)()(-⨯⨯+=+R R I R R 35m 43010500)(-⨯⨯=++R I R R R当表头参数确定后，倍压电阻和分流电阻均可 计算出来。
根据上述原理和计算，可以得到仪表扩展量程的方法。
扩展电压量程：用表头直接测量电压的数值为I ｍR 0，当用它来测量1V 电压时，必须串联倍压电阻R 1，若测量10V 电压时，必须串联倍压电阻R 1和R 2。
扩展电流量程：用表头直接测量电流的数值为I ｍ，当用它来测量大于I ｍ的电流时，必须并联分流电阻R 3、R 4、R 5，如图1－2所示，当测量10ｍA 时，‘－’端从‘ａ’引出，当测量100ｍA 时，‘－’端从‘ｂ’引出，当测量500ｍA 时，‘－’端从‘ｃ’引出。
通常，用一个适当阻值的电位器与表头串联，以便在校验仪表时校正测量数值。
磁电式仪表用来测量直流电压、电流时，表盘上的刻度是均匀的（即线性刻度）。
因而，扩展后的表盘刻度根据满量程均匀划分即可。
在仪表校验时，必须首先校准满量程，然后逐一校验其它各点。
三．实验设备1．直流数字电压表、直流数字电流表（EEL －06组件或EEL 系列主控制屏） 2．恒压源（EEL —Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均含在主控制屏上，根据用户的要求，可能有两种图 1-3配置（1）＋6 V （+5V ），＋12V ，0～30V 可调或（2）双路0～30V 可调。
电工多量程直流电压表电流表的设计
电工多量程直流电压表电流表的设计电工技术项目教程电工多量程直流电压表电流表的设计【项目内容】电路模型和电路中的物理量电路中常用元器件的认识;电源和负载基尔霍夫定律及应用。
电压源、电流源及等效变换戴维南定理多量程直流电压表、电流表电路的设计。
【项目知识目标】了解电路的组成,电路模型的概念理解电路中的物理量的意义,电流、电压的正方向和参考正方向的概念; 掌握电路中电位的计算方法、电功率的计算理解电阻串联电路的等效变换及分压公式,电阻并联电路的等效变换及分流公式,较熟练地进行一般电阻混联电路的等效变换掌握基尔霍夫电流和电压定律,掌握支路电流法,能较熟练地利用支路电流法求解较复杂的电路;理解电压源和电流源的特性,掌握两种电源模型的等效变换的方法理解戴维�1�7�1�7定理,掌握用戴维南定理求解电路的方法能分析实际的直流电路。
电工技术项目教程任务2.1 认识电路〖任务描述〗在人们的生活实践、生产实践及其他各类活动中,已普遍地使用电能,可以说人们已离不开电能的使用。
电路是传输或转换电能不可缺少的"载体"。
本任务学习电路的组成及作用、理想电路元件及电路模型;电路中的物理量;电阻器、电容器、电感器的参数,电流与电压的关系;简单直流电路的连接及测试。
〖任务目标〗了解电路的组成,电路模型的概念,电阻器、电容器、电感器的作用;理解电路中的物理量的意义,电流、电压的正方向和参考正方向的概念;掌握电路中电位、电功率的计算方法,电阻、电容、电感的电流与电压的关系;掌学习安装简单直流照明电路;学会使用稳压电源、直流电压表、电流表的使用方法。
电工技�1�7�1�7项目教程1.电路的组成及作用2.理想电路元件及电路模型3.电路中的物理量例2.1 如图2.3所示电路,已知试求分别以A点、B点为参考点时,各点的电位V A 、V B 、V C 、V D 及U CD 。
解以A 点为参考点时V A =0V(零电位点的电位为零) V B =-I 3 R 3=10×6=60(V) V C =I 1 R 1 =4×20=80(V) V D =I 2 R 2 =6×5=30(V) U CD =V C -V D =8030=50(V) 以B点为参考点时V B =0V V A =I 3 R 3 =10×6=60(V) V C =E 1 =140(V) V D =E 2 =90(V) U CD =V C -VD =14090=50(V) S R L R oE 图2.2 电路模型图2.3 例2.1图E 2E 1 R 1 R 2 R 3 A B I 1 I 2 I 3 C D 电工技术项目教程例2.2 图2.6所示为某电路的部分电路,已知E=4V, R=1Ω,求(1)当Uab= 6V,I=(2)当Uab=1V,I=bI图2.6 例2.2图ERa 解(1)设定电路中物理量的参考方向如图2.6所示�1�7�1�7 (A) I>0表明电流的实际方向与参考方向一致。
电压表和电流表分解
兆欧表的工作原理
兆欧表指针的偏转角α只取决于两个线
圈电流的比值，而与其他因素无关。所 以兆欧表能够克服手摇发电机电压不太
四、小结：
1.钳形电流表的分类及工作原理
指针式钳形电 电磁系钳形电流表
流表
互感器式钳形电流表
交直流两用
数字式钳形电流 表
只能测交流
2 .钳形电流表的使用方法和注意事项
1）机械调零 2）导线放中央 3 ）钳口结合紧密 4）较小电流多绕几圈 5）测完置最大量程。
钳形电流表的最大优点是什么？ 简述互感器式钳形电流表的结构和用途。 简述电磁系钳形电流表的结构和用途。 如何正确使用钳形电流表测量电路中的电流？
兆欧表内部构造示意图
倍压整流电路
目前生产的兆欧表许多 也采用手摇交流发电机 ，输出的交流电压经过 倍压整流后供给测量线 路使用。
但是不论采用何种电源 ，最终都要转换成直流 电压。
兆欧表的工作原理
被测电阻Rx接在“L”与“E”端钮之间。 摇动直流发电机的手柄，发电机两端产生较高
的直流电压，线圈1和线圈2同时通电。 通过线圈1的电流Il与气隙磁场相互作用产生转
电压表和电流表分解
四、串并联电路特点
II1I2 In
1.串联电路
UU 1U 2 U n
RR 1R 2 R n
串联电路各支路电压、电功率与电阻成正比
2.并联电路
II1I2 In
UU 1U 2 U n
111
《电压表和电流表》课件
目录
• 电压表和电流表的基本概念 • 电压表和电流表的使用方法 • 电压表和电流表的常见故障及排除方法 • 电压表和电流表的选用原则 • 电压表和电流表的扩展应用
01
电压表和电流表的基本概念
电压表定义及工作原理
电压表
测量电压的仪表，通过并联方式接入电路。
工作原理
电压表内有一个磁铁和一个导线线圈，在有电压时，导线线圈会产生电流，这 个电流又会产生磁场，线圈上的弹簧会随着磁场的强弱产生不同程度的弯曲， 从而带动指针指向刻度盘上相应的电压值。
根据电路参数选择合适的电压表和电流表
总结词
在选择电压表和电流表时，需要考虑电路的参数，如电源电压、负载阻抗、信号源内阻等。
详细描述
根据电源电压的大小选择量程合适的电压表，以确保能够准确地测量电源电压；根据负载阻抗的大小 选择合适的电流表，以确保能够准确地测量电流值；根据信号源内阻的大小选择合适的电压表或电流 表，以确保测量的准确性和稳定性。
电压表和电流表的扩展应用
在电路设计中的应用
电压表和电流表在电路设计中主要用于测量 电压和电流，帮助工程师了解电路的工作状 态。
它们还可以用于检测电路中的故障，例如开 路或短路，从而帮助工程师进行故障排除。
在设计新电路时，电压表和电流表可以帮助 工程师验证设计的正确性，确保电路按照预 期工作。
在电子制作中的应用
根据仪表精度选择合适的电压表和电流表
总结词
在选择电压表和电流表时，需要考虑仪表的精度等级，精度等级越高，测量结果 越准确。
详细描述
根据实际测量的精度需求选择合适精度等级的仪表，以满足实验或实际使用的需 要；在选择仪表时，应考虑其精度等级、误差范围、线性度等指标，以确保测量 的准确性和可靠性。
带电流表、电压表的电路连接专题(二)
电压表常见问题及解决方案
总结词
电压表读数不准确
总结词
电压表指针不动
总结词
电压表指针反向偏转
电压表常见问题及解决方案
总结词
电压表指针卡住
电压表读数不准确
可能是由于量程选择不当或电路连接错误导致，应检查量程选择是 否合适，同时检查电路连接是否正确。
电压表指针不动
可能是由于电路中无电压或电压表损坏导致，应检查电路是否正常 工作，同时更换损坏的电压表。
05 带电流表、电压表的电路 连接常见问题及解决方案
电流表常见问题及解决方案
总结词
电流表读数不准确
总结词
电流表指针不动
总结词
电流表指针摆动幅度过大
电流表常见问题及解决方案
总结词
电流表指针卡住
电流表读数不准确
可能是由于量程选择不当或电路连接错误导致，应检查量程选择 是否合适，同时检查电路连接是否正确。
电流表应串联在电路中
电流表量程的选择
电流表应串联在待测电路中，以准确 测量流经导线的电流值。
根据待测电路的电流大小选择合适的 电流表量程，以确保测量准确且不会 损坏电流表。
电流表的正负极性要正确
在连接电流表时，要确保正极接在电 源的正极上，负极接在电源的负极上， 以避免测量结果出现误差。
电压表的连接注意事项
电流表是一种用于测量电路中电 流大小的仪表。
作用
电流表可以提供关于电路中电流 的信息，帮助用户了解电路的工 作状态和性能。
电压表的定义和作用
定义
电压表是一种用于测量电路中电压大 小的仪表。
作用
电压表可以提供关于电路中电压的信 息，帮助用户了解电路的工作状态和 性能。
电流表和电压表的工作原理
电工仪表与电气测量 第三章 交流电流表和交流电压表
V4
V1
u出
RV
B
A
全波整流电路
第三章 交流电流、电压的测量
由于通过测量机构的电流实际上是经过整流
后的单向脉动电流，而其指针的偏转角是与脉动 电流的平均值成正比的，所以，整流系仪表所指 示的值应该是交流电的平均值。但是，交流电的 大小习惯上是指交流电的有效值。为此，我们可
根据交流电有效值与平均值之间的关系来刻度标
第三章 交流电流、电压的测量
工厂里常见 的配电柜上的仪 表几乎全部都是 交流电流表和交 流电压表
第三章 交流电流、电压的测量
企业配电房中配电柜上的仪表几乎全部是交
流电流表和交流电压表。测量交流电流和电压的
仪表称为交流电流表和交流电压表。 在指示类交流电压表和交流电流表中，一部 分采用电磁系测量机构，另一部分采用整流系测
形式：电阻分流式和互感器式。
第三章 交流电流、电压的测量
1．电阻分流式
在整流系测量机构两端并联 一个适当阻值的分流电阻，利 用电阻并联能够分流的原理就 组成整流系交流电流表。
适合于电流较小的场合使
用。
电阻分流式整流系 交流电流表
第三章 交流电流、电压的测量
2．互感器式
交流电流的测量也可以利 用电流互感器来扩大交流电流表 的量程。只要适当改变电流互感 器的变流比，也能扩大交流电流 表的量程。互感器式常见于电流 较大的场合使用。
第三章 交流电流、电压的测量
电磁系仪表的优点之一是可以交直流两
用，为什么平时我们测量直流电时都选用磁
电系仪表而不选用电磁系仪表？
第三章 交流电流、电压的测量
本节小结
由磁电系测量机构和整流器组成的仪表称为整流系仪
表。整流系交流电压表就是在整流系仪表的基础上串联分
电压表和电流表在电路中的作用分析
电压表和电流表在电路中的作用分析作者：王韵洁来源：《中国校外教育·综合(上旬)》2014年第11期初中电学学习过程中，电压表、电流表在电路中的作用及电路出现故障后电表的变化是学习的难点，结合自己的学习体会对电压表和电流表的应用进行了分析，对此难点进行总结归纳。
电流表电压表故障短路断路电压表和电流表的作用当然是测定电流和电压，但是在电路中出现电压表和电流表后，电路会出现一些变化，这时，学习障碍就显现出来了，我结合自己的学习体会对电压表和电流表的应用进行了分析总结，和大家一起分享。
一、有表电路的识别电压表和电流表接入电路中后，由于电流表的内阻比较小、电压表的内阻比较大，可以把电压表所在位置看成是开路，而电流表所在位置看成是一根导线，然后依据电路的知识，判断电路的连接方式。
在判断完连接方式后，再依据电流表和电压表所在位置确定它们的测量对象。
如图1中灯泡的连接方式是〒〒〒〒〒，电压表V1、V2分别测量〒〒〒〒〒、〒〒〒〒〒的电压。
【分析解答】把电压表V1、V2看成是开路，甚至可以“抹掉” V1、V2，发现三个灯泡是串联的，再分析电流由ABCDEFG能够分析出V1 测 AD之间的电压（即L1和L2电压之和）、V2 测CF之间的电压（即L2和L3电压之和）。
同理，图2中把电流表看成一根导线，判断三个灯是并联的，再分析电流流过的路径知道，A1 测总电流，A2测L2和L3电流之和、A3 测L1的电流，A4 测L1和L2电流之和。
【知识说明】由于初中阶段知识的局限，可以认为电压表内阻与用电器或导线相比相对比较大，电流表内阻比较小，这样电压表所在位置是开路的，电流表所在位置用一根导线代替。
【举一反三】1.如图3所示，开关S闭合，灯L1、L2是〒〒〒〒〒联在电路中的，电压表V1测〒〒〒〒〒两端的电压，电压表V2测〒〒〒〒〒两端的电压。
2.如图4所示，开关S闭合，灯L1、L2、L3是〒〒〒〒〒联在电路中的，电流表A1测〒〒〒〒〒的电流，电流表A2测〒〒〒〒〒，电流表A3测〒〒〒〒〒。
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例题
已知一个灵敏电流计的满偏电流为300μA，内阻 为200Ω，现将其改装为量程为3V的电压表： ⑴应串联一个多大的电阻？ ⑵当改装后的电表指针偏转如图所示时，电表所 测量的电压多大？ ⑶将改装后的电压表接入电路中。已知电源电动 势为3V，内阻为1Ω，外电阻29Ω，则此时电压表 的读数应为，若改装过程出现误差，导致电压表 的实际读数为2.8V，说明串联的电阻偏。（大或
者小大）
例题
(95全国7)两个定值电阻R1、R2串联后接在输出 电压U稳定于12V的直流电源上。有人把一个内 阻 不 是 远 大 于 R1 、 R2 的 电 压 表 接 在 R1 两 端 ( 如 图)，电压表的示数为8V。如果把此电压表改接
在R2的两端，则电压表的示数将 A
A.小于4V B.等于4V C.大于4V，小于8V D.等于或大于8V
电路的设计
1.电学实验的原则：安全、可行、方便、节能。
(1)安全：实验时，必须保证实验电路各个电学器 件的安全（包括电流表、电压表、被测用电器、 电源等）及人的安全； (2)可行：所选择的仪器能使实验正常进行； (3)方便：所选择的仪器在调节时比较容易控制被 测量的物理量的变化，即是要被测量的物理量的 变化比较平缓； (4)节能：
2.9V、4.0，由此可知按
图所示的电路
测量的误差较小， 的真实值更接近于
Ω。
思考：的真实值大于还是小 于1000Ω ？若已知电流表内 阻 为 0.1Ω ， 那 么 真 实 值 是 Ω。
例题
(06全国22)现要测定一个额定电压4V、额定功率为1.6W 的小灯泡的伏安特性曲线。要求所测电压范围为0.1～4V。 现有器材：直流电源E(电动势4.5V、内阻不计)，电压表 V(量程4.5V，内阻约为4×104Ω)，电流表A1(量程250， 内阻约为2Ω)，电流表A2(量程为500，内阻约为1Ω)，滑 动变阻器R(最大阻值约为30Ω)，电键S，导线若干。 如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用 的电流表是＿＿＿＿，下面 两个电路应该选用的是＿＿＿。
电路的设计
2.测量电路 ：
(1)电路： 电流表接在电压表外侧叫 做外接法（图甲），电流 表接在电压表内侧叫做内 接法（图乙）
(2)误差分析：
a. 外接法：R测< R真
b. 内接法：R测> R真
电路的设计
(3) 电路选择 ：
RV＞＞RX
RA＜＜RX
＞ R V
Rx
Rx
RA
外接法
＜ R V
Rx
Rx
RA
例题
如图所示，A1和A2是两只不同的电流表， V1和V2是两只相同的电压表。电流表A1 的示数是1.4，电压表V1和V2的示数分别 是0.6V和0.8V，试求： (1)电流表A2示数； (2)电流表A2的内阻。
例题
将两个相同的电流计分别与电阻并联后改装成电 流表A1(0～3A)和电流表A2(0～0.6A)，现把这两 个电流表并联接入如图所示的电路中测量电流， 当可变电阻R调节为9Ω时，A2刚好满偏。问： (1)A2满偏时，另一电流表A1的示数是多大？ (2)若可变电阻R调节为20Ω时。A1刚好半偏。已 知A1、A2的内阻很小，求电源电动势和内电阻。
内接法
【试触法】未给出的估计阻值时用。
如图测电阻R，当电压表的表头P 从A点，接到B点时电压表读数变 化明显，应用接法；电流表读数 变化明显，其电阻值，某同学用伏安
法测电阻的两种电路各测量一次，如图所示，按
甲 图 测 得 数 据 是 3.0V 、 3.0 ， 按 乙 图 测 得 数 据 是
例题
(04全国23)电动势为12V的电源与一电压表 和一电流表串联成闭合回路。如果将一电 阻与电压表并联，则电压表的读数减小为 原 来 的 1/3 ， 电 流 表 的 读 数 增 大 为 原 来 的 3 倍。求电压表原来的读数。
例题
四个相同的小量程电流表(表头)分别改装成 两个电流表A1、A2和两个电压表V1、V2。 已知电流表A1的量程大于A2的量程，电压 表V1的量程大V2的量程，改装好后把它们 按图示接入电路，则 A.电流表A1的读数大于电流表A2的读数 B.电流表A1的偏转角小于电流表A2的偏转 角 C.电压表V1的读数小于电压表V2的读数 D.电压表V1的偏转角 等于电压表V2的偏转角
者小小）
例题
(98全国11)图示的两种电路中，电源相同， 各电阻器阻值相等，各电流表的内阻相等 且 不 可 忽 略 不 计 。 电 流 表 A1 、 A2 、 A3 和 A4 读 出 的 电 流 值 分 别 为 I1 、 I2 、 I3 和 I4 。 下列关系式中正确的是 A. I1＝I3 B. I1< I4 C. I2＝2I1 D. I2< I34
例题
用伏安法测量的电阻，无论是用内接法或外接法测量，都
不可避免产生由电表内阻引起的测量误差，有两个研究性
学习小组分别设计了以下的实验方案：
1.第一组利用如图丙的电路进行测量，主要实验步骤如下：
电压表和电流表 电路的设计
电流表
1. 电流表的构造和工作原理: 2.电流表的三个参数: (1)电流表G的电阻叫做电流表的内阻；
(2)指针偏转到最大刻度时的电流叫做满偏电流；
(3)电流表G通过满偏电流时，加在它两端的电压 叫做满偏电压。
电流表的改装
1.电流表改装成电压表
RUUg1Rg n1Rg
电压表内阻 RVRRg nRg, 由这个式子可知，电压 表量程越大，分压电阻 就越大，其内阻也越大。
电流表的改装
2.小量程电流表改装成大量程的电流表
R Ig Rg Rg I Ig n 1
电由流这表式内子阻可R知A ，RR电RRg g流 R表ng , 量程越大，分流电阻就 越小，其内阻也越小。
例题
已知一个灵敏电流计的满偏电流为300μA，内阻 为200Ω，现将其改装为量程为0.6A的电流表： ⑴应并联一个多大的电阻？ ⑵当改装后的电表指针偏转如图所示时，电表所 测量的电流多大？ ⑶将改装后的电流表接入电路中。已知电源电动 势为3V，内阻为1Ω，外电阻29Ω，则此时电流表 的读数应为，若改装过程出现误差，导致电流表 的实际读数为0.09A，说明并联的电阻偏。（大或