高阻抗电压表

零件和材料

• 推荐使用 TL082 型运算放大器（Radio Shack 目录编号 276-1715）
• 推荐使用 LM1458 型运算放大器（Radio Shack 目录 # 276-038）
• 四节 6 伏电池
• 一米移动，1 mA 全量程偏转（Radio Shack 目录 #22-410）
• 15 kΩ 精密电阻
• 四个 1 MΩ 电阻器

Radio Shack 出售的 1 mA 仪表机芯标榜为 0-15 VDC 仪表，但实际上是 1 mA 机芯，带有 15 kΩ +/- 1% 容差乘法电阻器。如果您获得此 Radio Shack 仪表移动，您可以使用随附的 15 kΩ 电阻器作为零件清单中指定的电阻器。

该仪表实验基于 JFET 输入运算放大器，例如 TL082。本实验中使用另一个运算放大器（型号 1458）来证明没有闩锁：这是 TL082 固有的问题。您不需要 1 MΩ 电阻，正是 .任何电阻非常高的电阻就足够了。

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器”

学习目标

• 说明电压表负载：其原因和解决方案
• 展示如何使用运算放大器制作高阻抗电压表
• 说明什么是运算放大器“闩锁”以及如何避免它

原理图

插图

说明

理想的电压表具有无穷大的输入阻抗，这意味着它从被测电路中汲取的电流为零。这样，在测量电压时不会对电路产生“影响”。

电压表从被测电路中汲取的电流越多，被测电压在仪表的负载效应下“下降”的程度就越大，就像轮胎压力计从被测轮胎中释放出空气一样：从被测电路中释放出的空气越多。轮胎，轮胎的压力受测量行为的影响就越大。这种负载在高电阻电路上更为明显，例如原理图中所示的由 1 MΩ 电阻制成的分压器。

如果您要通过将 1 mA 表机芯与 15 kΩ 精密电阻串联连接来构建一个简单的 0-15 伏范围电压表，并尝试使用该电压表测量 TP1、TP2 或 TP3 处的电压（相对于地面），你会遇到严重 仪表“撞击”引起的测量误差：

尝试使用如图所示的仪表移动和 15 kΩ 电阻来测量这三个电压。仪表读数是否错误地高或错误地低？你认为这是为什么？

如果我们要增加仪表的输入阻抗，我们将减少它在被测电路上的电流消耗或“负载”，从而提高其测量精度。具有高阻抗输入的运算放大器（使用 JFET 晶体管输入级而不是 BJT 输入级）非常适合此应用。

请注意，仪表移动是运算放大器从输出到反相输入的反馈回路的一部分。该电路以与施加在同相 (+) 输入端的电压成正比的电流驱动仪表移动，所需电流通过运算放大器的电源引脚直接从电池提供，而不是通过测试探针从被测电路提供。仪表的量程由将反相 (-) 输入端接地的电阻器设置。

如图所示构建运算放大器电路，并在 TP1、TP2 和 TP3 处重新进行电压测量。这次您应该会取得更大的成功，因为电表运动准确地测量了这些电压（分别约为 3、6 和 9 伏）。

您可以用一只手触摸测试探头，另一只手触摸最正极的电池端子，从而见证该电压表的极高灵敏度。请注意如何通过您的身体电阻测量电池电压，将指针向上推到秤上：这是原始未放大电压表电路不可能实现的壮举。如果您将测试探针接地，则仪表读数应正好为 0 伏。

在您证明此电路工作正常后，通过将电源从双电源更改为分离电源来对其进行修改。这需要移除第 2 节和第 3 节电池之间的中心抽头接地连接，并将远负电池端子接地：

电源的这种改变使 TP1、TP2 和 TP3 的电压分别增加到 6、12 和 18 伏。使用 15 kΩ 量程电阻器和 1 mA 仪表运动，测量 18 伏电压将轻轻“固定”仪表，但您应该能够很好地测量 6 和 12 伏测试点。

尝试将仪表的测试探头接地。这应该 像以前一样将仪表指针驱动到 0 伏，但它不会！ 这里发生的是一种称为闩锁的运算放大器现象 ：当输入共模电压超过允许极限时，运放输出驱动到正电压。

在这种情况下，与许多 JFET 输入运算放大器一样，不应允许任一输入接近任一电源轨电压。使用单电源时，运算放大器的负电源轨处于地电位（0 伏），因此将测试探头接地会使同相 (+) 输入精确到该轨电压。这对于 JFET 运算放大器来说是不利的，并且根据运算放大器的工作原理，它会驱动输出为强正值，即使它看起来不应该如此。

当运算放大器使用“双”电源（+12/-12 伏，而不是“单”+24 伏电源）运行时，负电源轨距地面 12 伏（0 伏），因此接地测试探针没有违反运算放大器的共模电压限制。

但是，对于“单一”+24 伏电源，我们遇到了问题。请注意，某些运算放大器不会像 TL082 型号那样“闩锁”。您可以将 TL082 替换为 LM1458 运算放大器，它是引脚对引脚兼容的（无需更改面包板接线）。

当测试探头接地时，1458 型不会“闩锁”，尽管您可能仍然会得到不正确的仪表读数，并且测量电压完全等于负电源轨。作为一般规则，您应该始终确保运算放大器的电源轨电压超过预期的输入电压。

相关工作表：

• 电压/电流转换器运算放大器电路工作表