第5节 高阻抗电压表 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 运算放大器，推荐型号 TL082（Radio Shack 目录 #276-1715）
- 运算放大器，推荐型号 LM1458（Radio Shack 目录 #276-038）
- 四个 6 伏电池
- 一米移动，1 mA 满量程偏转（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- 电阻器 (opens new window)作为零件列表中指定的电阻器。
该仪表实验基于 JFET 输入运算放大器，例如 TL082。本实验中使用了另一个运算放大器（型号 1458）来证明不存在闩锁：这是 TL082 固有的问题。_完全_不需要 1 MΩ 电阻。任何非常高电阻的电阻器就足够了。
交叉引用
电路课程，第 3 卷，第 8 章：“运算放大器 (opens new window)”
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，示意图
插图
指示
理想的电压表具有无限的输入阻抗 (opens new window)，这意味着它从被测电路中汲取零电流。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，在仪表的负载作用下，被测电压“下垂”的就越多，就像轮胎压力表从被测轮胎中释放出空气一样：从被测电路释放的空气越多。轮胎，轮胎的压力将受到测量行为的影响越大。这种负载在高电阻电路上更为明显，例如由 1 MΩ 电阻器制成的分压器，如图所示。
如果您要通过将 1 mA 表机芯与 15 kΩ 精密电阻串联来构建一个简单的 0-15 伏范围电压表，并尝试使用此电压表测量 TP1、TP2 或 TP3 处的电压（相对于地面），您会遇到由仪表“影响”引起的_严重测量误差：_
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。仪表读数是否假高或假低？你为什么认为这是？
如果我们要增加仪表的输入阻抗，我们将减少其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 (opens new window)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，所需电流直接从电池通过运算放大器的电源引脚提供，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 (-) 输入接地的电阻器设置。
如图所示构建运算放大器表电路，并在 TP1、TP2 和 TP3 处重新进行电压测量。这次您应该会获得更大的成功，因为仪表的移动可以准确地测量这些电压（分别约为 3、6 和 9 伏）。
您可以通过用一只手触摸测试探针并用另一只手触摸最正极的电池端子来见证该电压表的极端灵敏度。请注意如何通过您的身体电阻测量电池电压，从而在刻度上向上驱动指针：对于原始的未放大电压表电路来说，这是不可能的壮举。如果您将测试探针接地，仪表应准确读数为 0 伏。
在您证明该电路可以工作后，通过将电源从双电源更改为分电源对其进行修改。这需要移除第二个和第三个电池之间的中心抽头接地连接，并将远负电池端子接地：
电源的这种变化将 TP1、TP2 和 TP3 处的电压分别增加到 6、12 和 18 伏。使用 15 kΩ 量程电阻和 1 mA 仪表移动，测量 18 伏将轻轻地“固定”仪表，但您应该能够很好地测量 6 伏和 12 伏测试点。
尝试将仪表的测试探针接地。这_应该_像以前一样将仪表指针精确地驱动到 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的限制时，运算放大器的输出驱动到正电压。
在这种情况下，与许多 JFET 输入运算放大器一样，不应允许任何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接地电位（0 伏），因此将测试探头接地会使同相 (+) 输入恰好达到该轨电压。这对于 JFET 运算放大器来说是不利的，并且根据运算放大器应该如何工作，即使它看起来不应该如此，也会驱动输出为正值。
当运算放大器在“双”电源（+12/-12 伏，而不是“单”+24 伏电源）上运行时，负电源轨距地 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”+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“锁定”。您可以用引脚兼容的 LM1458 运算放大器替换 TL082（无需更改面包板接线）。
当测试探头接地时，1458 型不会“闭锁”，尽管在测量电压恰好等于负电源轨的情况下，您仍然可能会得到不正确的仪表读数。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。
相关练习：
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