電壓交流有效值測量電路設(shè)計仿真與實現(xiàn) 武漢理工

1、武漢理工大學模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計目錄摘要. .11.電路方案論證與選擇1.1系統(tǒng)基本方案.21.2各模塊方案論證與選擇1.2.1直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊.21.2.2電壓衰減模塊.21.2.3 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊.4 1.2.4數(shù)字顯示模塊.62.電路仿真.73.焊接與調(diào)試3.1材料清單.123.2過程描述.134.參數(shù)測量及驗證.145.心得體會.156.參考文獻.157.實物圖.16課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 電信12級 指導教師： 劉守軍 工作單位： 信息工程學院 題 目: 電壓交流有效值測量電路設(shè)計仿真與實現(xiàn) 初始條件： 可選元件：集成運算放大器

2、、電阻、電位器、電容若干，直流電源，或自備元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)要求，完成電壓交流有效值測量電路的仿真設(shè)計、裝配與調(diào)試，鼓勵自制正弦信號發(fā)生器和穩(wěn)壓電源。（2）設(shè)計要求 輸入電壓峰值10v ，允許誤差為±2，采用LED分段顯示，分段區(qū)間自定，可加入音響指示； 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計報告書。 選做：利用仿真軟件的PCB設(shè)計功能進行PCB設(shè)計。時間安

3、排：1、 前半周，完成仿真設(shè)計調(diào)試；并制作實物。 2、 后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設(shè)計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘 要模擬電子技術(shù)課程設(shè)計是繼模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論學習和實驗教學之后又一重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學生掌握和具備電子技術(shù)基礎(chǔ)知識與單元電路的設(shè)計能力之后，讓學生綜合運用模擬電子技術(shù)知識，進行實際模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)測，利用Multisim等相關(guān)軟件進行電路設(shè)計，提高綜合應用知識的能力、分析解決問題的能力和電子技術(shù)實踐技能，讓學生了解模擬電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的

4、工程設(shè)計打好基礎(chǔ)。本課程設(shè)計的思路是將交流信號經(jīng)過電阻分壓后送至由TL062和電容、電阻組成的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊，將直流信號送至ICL7107數(shù)碼管顯示，完成交流電壓有效值的測量。關(guān)鍵詞：電阻分壓、TL062、ICL7107、交直流轉(zhuǎn)換、有效值測量電子技術(shù)課程設(shè)計進度要求序號設(shè)計內(nèi)容所用時間1布置任務(wù)及調(diào)研0.5天2方案確定0.5天3制作與調(diào)試1天4撰寫設(shè)計報告書0.5天5答辯0.5天合 計3天1.電路方案論證與選擇1.1 系統(tǒng)基本方案設(shè)計電路分為直流穩(wěn)壓電源模塊、電壓衰減模塊、AC-DC模塊、數(shù)碼管顯示模塊，即可完成題目對交流電壓有效值進行測量，并顯示的設(shè)計要求。1.2 各模塊方案論證與選擇

5、1.2.1 直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊設(shè)計圖1.1為采用7805設(shè)計的直流穩(wěn)壓源。該穩(wěn)壓源可穩(wěn)定輸出+5V電壓，電路簡單，應用廣泛。該穩(wěn)壓源由以下五部分組成。(1)降壓：通過變壓器將輸入的220V，50HZ交流電降為+5V輸出。(2)整流：通過橋式整流電路，將輸入的交流電壓信號變?yōu)槊}動信號。(3)濾波：通過C1及C2等濾波電容將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ胃鼮槠骄彽碾妷盒盘枴?4)穩(wěn)壓：通過集成穩(wěn)壓芯片7805將不穩(wěn)定的電壓信號變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓。圖1-1 直流穩(wěn)壓電源電路1.2.2 電壓衰減模塊由于AC-DC模塊的輸入電壓為200mV，而題目要求的測量電壓是V>10V，因此要對輸入電壓進行衰減。

6、此處采用了電阻分壓的方式對電壓進行衰減，同時設(shè)計參數(shù)，使模塊能輸入200mV2000V范圍內(nèi)的電壓。圖1-2 電壓衰減電路采用類似的方法還可改裝成測量電流和電阻的電路，測量電流的分流電阻和測量電壓的分壓電阻以及測量電阻的基準電阻往往就是同一組電阻，分別如圖1-3和圖1-4原理，此處不再做贅述。圖1-3 電阻分流電路圖1-4 測量電阻基準電阻電路1.2.3 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊方案一：隨著集成電路的迅速發(fā)展，近年來出現(xiàn)了各種真有效值A(chǔ)C/ DC 轉(zhuǎn)換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC 轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好(滿量程

7、為 200mVRMS)、測量速率快、頻率特性好(工作頻率范圍可達0460kHz)、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低(最大的電源工作電流為200A)。用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±0.3%。但經(jīng)查詢，AD736集成芯片的成本較高，因此設(shè)計電路未采取此套方案。方案二：單門限比較器由于受正負電源的限制，輸出電壓為Vo±Vcc。當輸入信號Vi<Vn時，輸出低電平Vol=-Vcc；當輸入信號Vi>Vn時，輸出高電平Voh=+Vcc。由于需要多個電壓比較器，故選用集成運放LM324，內(nèi)含四個理想運算放大器。圖1-3 比較器由于采用四個運放連線較為復雜，且不

8、能準確地輸出交流電壓的有效值，故設(shè)計電路不采用此套方案。方案三：用TL062和電容電阻構(gòu)成積分運算電路。從輸入端輸入交流信號，經(jīng)過運算電路輸出直流信號。且該信號與交流有效值成線性關(guān)系，參數(shù)設(shè)置得當，即可得到輸出信號等于輸入交流信號的有效值。圖1-4 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊本電路中，輸入的是 0200.0mV 的交流信號，輸出的是 0200.0mV 的直流信號，從信號幅度來看，并不要求電路進行任何放大，但是，正是電路本身具有的放大作用，才保證了其幾乎沒有損失地進行AC-DC的信號轉(zhuǎn)換。因此，這里使用的是低功耗的高阻輸入運算放大器，其不靈敏區(qū)僅僅只有2mV 左右，在普通數(shù)字萬用表中大量使用，電路大同小

9、異。1.2.4 數(shù)字顯示模塊ICL7107擁有強大的直流電壓數(shù)字顯示功能，所需外圍電路少，而且顯示穩(wěn)定精確。本次設(shè)計直接使ICL7107，配合四位七段共陽數(shù)碼管構(gòu)成有效值測量電路的顯示部分。將經(jīng)過衰減、AC-DC轉(zhuǎn)換后的信號電壓輸入到顯示模塊，電路的數(shù)碼管便會顯示相應的數(shù)值。如果原始輸入電壓經(jīng)過N倍衰減，那么將得到的數(shù)值乘以N(單位為mV)變?yōu)樗鶞y交流電壓的有效值。顯示模塊使用了ICL7107集成芯片。ICL7107是美國Intersil公司專為數(shù)字儀表生產(chǎn)的數(shù)字儀，滿幅輸入電壓一般取200mV的專用芯片。該芯片集成度高，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強，輸出積分電容可直接驅(qū)動發(fā)光數(shù)碼管，只需要很少的

10、外部元件，就可以構(gòu)成數(shù)積分。芯片第一腳是供電，正確電壓是DC+5V。第36腳是基準電壓，正確數(shù)值是 100mV，第26引腳是負電源引腳，正確電壓數(shù)值是負的，在3V至5V都認為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第31引腳是信號輸入引腳，可以輸入±199.9mV的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0”信號輸入，以方便測試。芯片27，28，29引腳的元件數(shù)值，它們是0.22uF，47K，0.47uF電容網(wǎng)絡(luò)，這三個元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用磁片電容。芯片的33和34腳接的104電容也不能使用磁片電容。芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號地是30腳，基準地是35腳

11、，通常使用情況下，這4個引腳都接地，在一些有特殊要求的應用中（例如測量電阻或者比例測量），30腳或35腳就可能不接地而是按照需要接到其他電壓上。負電壓電源可以從電路外部直接使用7905等芯片來提供，但是這要求供電需要正負電源，通常采用簡單方法，利用一個+5V供電就可以解決問題。比較常用的方法是利用ICL7660或者NE555等電路來得到，這樣需要增加硬件成本。我們常用一只NPN三極管，兩只電阻，一個電感來進行信號放大，把芯片38腳的振蕩信號串接一個20K56K的電阻連接到三極管“B”極，在三極管“C”極串接一個電阻（為了保護）和一個電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時，三極管的“C”極電壓為

12、2.4V2.8V為最好。這樣，在三極管的“C”極有放大的交流信號，把這個信號通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構(gòu)成倍壓整流電路，可以得到負電壓供給ICL7107的26腳使用。這個電壓，最好是在3.2V到4.2V之間ICL7107也經(jīng)常使用在±1.999V量程，這時候，芯片27，28，29引腳的元件數(shù)值，更換為0.22uF，470K，0.047uF阻容網(wǎng)絡(luò)，并且把36腳基準調(diào)整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。圖1-5 數(shù)字顯示模塊2.電路仿真對系統(tǒng)電路的關(guān)鍵模塊AC-DC用Multisim進行仿真，電路圖及仿真數(shù)據(jù)如下所示。圖2-1 AD-DA模塊仿

13、真輸入頻率為1KHZ、幅值分別為50mV、65mV、80mV、95mV的正弦波。輸入頻率為1KHZ、幅值分別為50mV的正弦波:輸入頻率為1KHZ、幅值分別為65mV的正弦波:輸入頻率為1KHZ、幅值分別為80mV的正弦波:輸入頻率為1KHZ、幅值分別為95mV的正弦波:表2-1 仿真數(shù)據(jù)輸入幅值(mV)50658095理論有效值(mV)36.35545.96156.56867.175輸出值(mV)38.88242.16854.66764.053由表2-1可以看出，TL062和電容、電阻構(gòu)成的積分運算電路可以較為精確地將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并輸出有效值。3.焊接與調(diào)試3.1材料清單器件類型

14、規(guī)格數(shù)量電阻R12k1電阻R2100k1電阻R3100k1電阻R4100k1電阻R53k1電位器R65001電阻R76.8k1電容C115pF1電容C24.7F1電容C3220nF1電容C410F1電容C54.7F1二極管1N41483芯片TL06213.2過程描述先用萬用表檢測元件參數(shù)是否符合要求。然后按照原理圖，元件裝配。裝配完成后焊接該硬件。焊接時，以45度靠緊焊接面進行預熱；然后將焊錫絲同時伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處；當焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當焊點上的焊錫成圓錐形時即抽離焊錫絲。在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如果焊點有連焊，應將焊錫線與烙鐵

15、頭一起接觸在連焊的焊點之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側(cè)放著向下移走，吸去多余的焊錫；焊點的標準是：焊點呈錐形，焊錫要適量，表面有光澤，光滑，清潔等。焊接完成后調(diào)試制作的硬件。(1)按下自鎖開關(guān)，將測試腳37腳接高電平，數(shù)碼管顯示-1888，說明顯電壓數(shù)字顯示部分焊接無誤。(2)將測試電壓輸入口短接，數(shù)碼管顯示為0，說明測試無零點誤差。(3)將測量檔位調(diào)到100倍衰減，即量程為20V檔位，輸入接上有效值為6V，頻率為50Hz的正弦交流電壓，顯示數(shù)字為60.0。4.參數(shù)測量及驗證(1)電壓衰減模塊測試結(jié)果如表4-1表4-1 電壓衰減模塊測試電壓（V）<0.2V2V檔

16、20V檔輸入（V）0.211.523467輸出（V）0.20.10.140.20.0280.0410.0580.07(2)AC-DC模塊測試結(jié)果如表4-2用信號發(fā)生器直接在AC-DC模塊輸入有效值已知，頻率可調(diào)的正弦交流電，在輸出端測量其直流電壓。與輸入的有效值對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值相接近，基本滿足后面的進一步連接要求。表4-2 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊測試輸入有效值（mV）50100150200實際輸出值（mV）4897145192(3)整體調(diào)試參數(shù)如表3-3將完整的電路全部連接好后，接入50Hz交流信號，改變信號有效值的同時也要相應的改變檔位，以免將電路燒毀。表3-3 整體測試結(jié)果1檔位0.2V檔2V檔

17、輸入（mV）5010015020050080010001500顯示（mV）52.2102.2152.5196.250.690108.2160.2表3-4 整體測試結(jié)果2檔位20V檔輸入（V）22.533.54567顯示（mV）20.127.531.238.243.552.261.774.85.心得體會課程設(shè)計之初，我對交流電壓有效值測量完全沒有想法和方案。在完成課程設(shè)計的短短幾天內(nèi)，我不斷搜集資料、設(shè)計方案、整理思路、制作電路圖、電路仿真，最終得到了理想的電路設(shè)計方案與仿真結(jié)果，然后又開始著手元器件的購買、實物的焊接與調(diào)試、數(shù)據(jù)測試。這其中我遇到了很多的困難，在克服這些困難的同時，也學到了很多

18、課本里學不到的知識，收獲了很多課堂上講不到的方法。在收集資料的過程中我遇到了各種各樣的方案，每種方案都有其利弊。我仔細對比了各種方案的可行性，考慮了成本、可操作性、繁簡程度等諸多問題。在這個過程中我學到了很多書本中沒有的知識。在設(shè)計電路的過程中用到了Multisim軟件。我之前一直使用Proteus軟件進行設(shè)計電路與仿真，但是Proteus軟件較Multisim軟件來說在實用性與操作性上略遜。所以在此次在課程設(shè)計中我選用了Multisim軟件進行電路仿真，在使用Multisim軟件軟件之前我上網(wǎng)看了一些教程，大致了解了Multisim軟件的使用方法。我在以后的學習中會更加深入地研究與學習Multisim軟件，用它的強大的功能來幫助我解決實際問題。本次課程設(shè)計培養(yǎng)了我的工程設(shè)計思想。從收集資料、對比選擇、確定方案、電路圖設(shè)計、電路仿真到元器件的配置、實物焊接與調(diào)試、數(shù)據(jù)的測量收集，從中所獲得的經(jīng)驗對今后的學習與工作都有很大的幫助，同時我也學會了如何在短時間之內(nèi)對知識進行取舍與進行重點學習和突破。雖然課程設(shè)計的過程是辛苦的，但結(jié)果確是令人振奮的。我從中學到的知識、方法與積累的自信、