風(fēng)力系統(tǒng)電壓電流有效值測量設(shè)計報告

1、數(shù)電課程設(shè)計報告學(xué) 院： 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣（一）班 組 長： 王星輝 楊振國 組 員：唐鎮(zhèn)環(huán) 朱雪茹 吳丹丹 劉振洋 陸露 王又鑫 李元濤 呂慶慶 師衛(wèi)利 鐘鋒杰 包宋強 目錄風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流檢測電路4摘要4第一章 系統(tǒng)原理5第二章 直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊7第三章 電壓電流衰減模塊11第四章 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊12第五章 數(shù)字顯示模塊14數(shù)字電子基礎(chǔ)章節(jié)仿真實驗19第一章（略）19第二章 邏輯代數(shù)基礎(chǔ)19第三章 門電路22第四章 組合邏輯電路23第五章 觸發(fā)器31第六章 時序邏輯電路331） 仿真電路332）電路分析343）電路設(shè)計36風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流檢測電路摘要數(shù)

2、字電子技術(shù)課程設(shè)計是繼模擬數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)之后又一重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學(xué)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(xué)生綜合運用數(shù)字電子技術(shù)知識，進行實際數(shù)字電子系統(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(yīng)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(xué)生了解數(shù)字電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(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譯碼器驅(qū)動數(shù)碼管顯示，完成交流電壓有效值

3、的測量。關(guān)鍵詞：電阻分壓、TL062、ICL7107、交直流轉(zhuǎn)換、有效值測量、模數(shù)轉(zhuǎn)換第1章 系統(tǒng)原理整體框架圖：數(shù)碼管顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換測量有效值衰減三相電中其中一相AC220V變壓5V直流電源濾波穩(wěn)壓整流5V直流電源 風(fēng)力發(fā)電有效值測量圖1.1 系統(tǒng)原理圖首先是對220V的高壓進行變壓，變壓器的具體的匝比要根據(jù)下級的電路來確定。變壓之后的電流仍然為交流，在通過整流電路后，變?yōu)槊}沖直流。濾波電路可以消除脈沖，但是輸出的直流電壓仍不穩(wěn)定。最后，通過穩(wěn)壓電路，使得電壓的穩(wěn)定性大大提高，整個過程如圖1.1。第二章 直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊 設(shè)計圖2.1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

4、電壓電路簡單，應(yīng)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。將220V交流電壓轉(zhuǎn)化為5V直流電壓，因為后面的測量儀需在低電平下工作。圖2-1 直流穩(wěn)壓電源電路降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后的電壓波形如圖所示：圖2-2220V AC-9V AC-9V DC-5V DC(1) 進行交直流轉(zhuǎn)換對輸出值進行糾正：圖2-3輸入

5、幾組數(shù)據(jù)進行測量50赫茲200mv 100mv 50mv圖2-4理論值：142mv圖2-5理論值：71mv圖2-6 理論值：35mv 由此可判斷其測量值和理論值誤差在允許的范圍內(nèi)。（3）此電路只能測量200mv以下的電壓值，因此需要增加一個衰減電路模型第三章 電壓電流衰減模塊由于AC-DC模塊的輸入電壓為200mV，而題目要求的測量電壓是V=220V，因此要對輸入電壓進行衰減。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3-1電壓衰減電路 圖3-2 電流衰減電路第四章 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

6、各種真有效值 AC/ 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VoVcc，當(dāng)輸入信號ViVr輸出高電平Voh=+Vcc。由于需要多個電壓比

7、較器，故選用集成運放LM324，內(nèi)含四個理想運算放大器圖4-1 比較器由于采用四個運放連線較為復(fù)雜，且不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(dāng)，即可得到輸出信號等于輸入交流信號的有效值。圖4-2 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

8、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，電路大同小異。第五章 數(shù)字顯示模塊方案一 運用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)計直接使用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(yīng)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

9、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

10、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，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(yīng)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

11、，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。 因為在multisim中不存在該器件，所以放棄該方案。圖

12、5-1 ICL7107連接圖方案二 用單片機和ADC0808組合驅(qū)動數(shù)碼管顯示由于該電路在multisim中無法實現(xiàn)，況且還需要一定的單片機編程知識，所以短時間內(nèi)無法完成。（3） 數(shù)字顯示模塊Icl7107擁有強大的直流電壓數(shù)字顯示功能，所需外圍電路比較少，而且顯示比較穩(wěn)定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)計直接使用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(yīng)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

13、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。圖5.2數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

14、：圖5,3數(shù)字電子基礎(chǔ)章節(jié)仿真實驗第一章（略）第2章 邏輯代數(shù)基礎(chǔ)邏輯代數(shù)部分是數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，而邏輯函數(shù)的表示則是其中的 重點。邏輯函數(shù)可以用邏輯函數(shù)表達式、真值表和邏輯電路圖等多種方式表示，在實際應(yīng)用中視情況而定。1.邏輯函數(shù)的化簡與變換 邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換儀無法直接化簡邏輯函數(shù)，而是先將邏輯函數(shù)表達式轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的真值表，然后再有其真值表轉(zhuǎn)化成化簡后的最簡函數(shù)表達式。例：已知邏輯函數(shù)表達式F=AC+AB+BC,求其最簡邏輯函數(shù)表達式。先將邏輯函數(shù)表達式寫入邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換儀面板上，得到對應(yīng)的真值表，如下圖2.1。圖2.1再按下邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上的“由真值表到最簡表達式”按鈕，即可得到，如下圖 得到

15、最終結(jié)果F=AB+BC2.由邏輯函數(shù)圖求真值表和最簡表達式 將該邏輯電路的輸入和輸出端分別接到邏輯轉(zhuǎn)換儀的輸入、輸出端按鈕上，如下圖。然后按下“由電路圖轉(zhuǎn)換為真值表”按鈕，再按下“由真值表轉(zhuǎn)換為最簡表達式”按鈕，即可得到所求的最簡的邏輯函數(shù)表達式。圖2.2圖2.3第3章 門電路 門電路是對脈沖信號起開關(guān)作用，用以一些基本的邏輯關(guān)系的電路。常用的門電路分別為與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非、異或門、同或門等。1、 與門仿真實驗邏輯函數(shù)表達式F=AB圖3.12、 與非門仿真實驗圖3.2邏輯函數(shù)表達式：F=(AB)A) (AB)B)第4章 組合邏輯電路 在組合邏輯電路中，任意時刻的輸出僅僅取

16、決于該時刻的輸入，與電路原來的歷史狀態(tài)無關(guān)。在許多情況下邏輯圖不能直觀表達邏輯功能，往往需要把它轉(zhuǎn)化為邏輯函數(shù)式或真值表，以便更直觀明顯的表示電路的邏輯功能。一、用Multisim分析圖所示的邏輯電路，找出電路的邏輯函數(shù)式和真值表。8選1數(shù)據(jù)選擇器74HC151的邏輯圖和邏輯函數(shù)式見圖4.1。圖4.1解：Multisim仿真如下：圖4.2點擊邏輯轉(zhuǎn)換器圖標(biāo)，便彈出下面的操作窗口，設(shè)置Y的狀態(tài)，點擊有真值表到最簡邏輯函數(shù)式，即可得到化簡后表達式：Y=BD+ABD+BC。如下圖4.3：圖4.3若用計算法則：Y=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD

17、+ABCD =BD+ABD+BC計算結(jié)果和仿真結(jié)果相同。二、常用組合邏輯電路的仿真1.譯碼器的仿真測試 二進制譯碼器的輸入是一組二進制代碼，輸出是一組與輸入代碼一一對應(yīng)的高低電平信號。 如74LS138和蘇茹二進制代碼共有八種狀態(tài)，譯碼器將每一個輸入代碼已成對應(yīng)的一根輸出線上的高低點頻信號。因此，也將這個譯碼器成為3線-8線譯碼器。工作分析 假定電源電壓vcc=5v，輸入信號的高低分別為3v和0v，二極管的導(dǎo)通壓降為0.7v。當(dāng)A2、A1、A0為0v對應(yīng)均為3v。這是只有Y0輸出高電平3.7v，其余輸出均為低電平0.7v,于是輸入的000代碼譯成了Y0端的高電平信號。圖4.4仿真效果如下圖4.

18、5：圖4.5 仿真結(jié)果看出，符合譯碼器的邏輯功能。2、競爭冒險現(xiàn)象及消除現(xiàn)象的仿真分析 前面分析組合邏輯電路時，都沒有考慮延遲時間對電路產(chǎn)生的影響。競爭冒險現(xiàn)象在由門電路組成的組合邏輯電路中，輸入信號的變化傳輸?shù)诫娐犯骷夐T電路時，由于門電路存在傳輸延時時間和信號狀態(tài)變化的速度不一致等原因，使信號的變化出現(xiàn)快慢的差異，這種先后所形成的時差稱為競爭。競爭的結(jié)果是使輸出端可能出現(xiàn)錯誤信號，這種現(xiàn)象叫做冒險。有競爭不一定有冒險，但有冒險一定存在競爭。 代入法識別競爭冒險 輸入邏輯變量每次改變一個狀態(tài)，通過函數(shù)式來判斷電路是否存在競爭冒險。 假如輸出端門電路的輸入是A和（A逆）經(jīng)過不同門電路的傳輸，由于

19、不同門電路存在傳輸延遲時間，當(dāng)A狀態(tài)突變時，輸出端必然存在競爭冒險，因此只要輸出函數(shù)在一定條件下出現(xiàn)Y=A+(A逆）或Y=A(A逆)的形式，就可以判定該電路存在競爭冒險。例如下電路4.6：圖4.6仿真如圖4.7：圖4.7競爭冒險的消除（1） 引入封鎖脈沖 再輸入信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間里，把可能產(chǎn)生間斷脈沖的門電路封鎖。（2） 引入濾波脈沖（3） 接濾波電容 因為尖峰脈沖一般很窄，在門的輸出端冰潔一直幾百皮法的電容，就可以把尖峰脈沖的幅度削弱到門電路的閥值以下。（4） 修改設(shè)計 舉例說如下所示電路中，將函數(shù)式Y(jié)=AB+A（逆）C增加冗余項BC,變換函數(shù)式，那么當(dāng)B=C=1是，無論A如何改變，Y始終為

20、1，不會因A 的改變引起競爭冒險。 電路的修改在不改變原來邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，參照修改后的邏輯表達式，對原邏輯電路進行修改，以達到增加冗余項消除競爭冒險的目的，改進后電路如圖4.8：圖4.8圖4.9仿真分析總結(jié)：理論上的審計和實際中的應(yīng)用時有區(qū)別的，競爭冒險的討論以及競爭冒險的消除就是為了解決實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題的，所以，電路走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步就是競爭冒險的分析。仿真應(yīng)用的出現(xiàn)不能解決所有的問題，最終的解決辦法還是在實際電路中的調(diào)試，因為元器件的穩(wěn)定性是不能預(yù)料到的，還是一切以實際應(yīng)用為目的仿真幫助解決問題。第5章 觸發(fā)器概述 具有記憶功能，能夠存儲一位二進制數(shù)字信號的基本邏輯單元的電路叫觸發(fā)器

21、，是時序邏輯電路的基本單元。它有兩種工作狀態(tài)，0和1.當(dāng)外加不同的出發(fā)信號時，可以把它置成1或0狀態(tài)。根據(jù)是否有時鐘信號的輸入，可以把觸發(fā)器分為時鐘觸發(fā)器和基本觸發(fā)器兩大類。不同的觸發(fā)器有不同的邏輯功能，常有的觸發(fā)器有RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。例： JK觸發(fā)器的仿真實驗 靠時鐘CLK脈沖上升沿或下降沿進行觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，JK觸發(fā)器就是邊沿觸發(fā)器的一種。在市場上較為常見的一種觸發(fā)器。JK觸發(fā)器的邏輯功能是，當(dāng)時鐘信號到來時若J=0，K=0輸出Q*=Q;若J=1，K=0，輸出Q*=1,功能是置1；若J=0，K=1，輸出Q*=0，功能是置0；若J=1，K=1，輸出Q*=Q,功能

22、是反轉(zhuǎn)。 下圖5.1中J=K=1，實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)的邏輯功能。圖5.1圖5.2JK觸發(fā)器的功能表如下圖圖5.3第6章 時序邏輯電路【例1】試利用同步十進制計數(shù)器74160接成同步六進制計數(shù)器。采用異步至零接成六進制計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器計成Q3Q2Q1Q0=0110狀態(tài)時，擔(dān)任譯碼器的門G輸出低電平信號給CLR端，將計數(shù)器置零，回到0000狀態(tài)。1） 仿真電路圖6.12）電路分析可以觀察到當(dāng)數(shù)字顯示器達到5時小燈泡亮，證明有進位輸出，因為采用的是異步置零的方式，因此在狀態(tài)0110時借入置零段，因為0110狀態(tài)只是暫態(tài)，數(shù)字顯示器瞬間顯示；若采用同步置數(shù)法的話就應(yīng)該在0101狀態(tài)置數(shù)到0000或其他任意邏輯

23、狀態(tài)。【例2】下圖電路是可變進制計數(shù)器，試分析當(dāng)控制變量A為1和0時電路各為幾進制計數(shù)器。圖6.3解：這是一個可以用同步置數(shù)法接成的可控制計數(shù)器。在A=1的情況下，計數(shù)器Q3Q2Q1Q0=1011（十一）后給出LD=0信號，下一個CLK脈沖到來時計數(shù)器被置成Q3Q2Q1Q0=0000狀態(tài)，所以是十二進制計數(shù)器。在A=0情況下，計數(shù)器為1001時給出LD=0信號，下一個CLK脈沖到來時計數(shù)器被置0，所以是十進制計數(shù)器。第一種，當(dāng)A=0的情況下：圖6.4第二種，當(dāng)A=1的情況下：圖6.5分析：根據(jù)圖在Multisim中仿真結(jié)果如上，同分析結(jié)果一致，所以是十十二進制計數(shù)器。【例3】試用兩片同步十進制計數(shù)器74160接成二十九進制計數(shù)器。解析：采用整體置數(shù)法接成的二十九進制計數(shù)器。首先仍需將兩片74160接成百進制計數(shù)器。然后將電路的28狀態(tài)譯碼產(chǎn)生LD=0信號，同時加到兩片74160上，在下一個計數(shù)脈沖（第二十九個輸入脈沖）到達時，將0000同時置入兩片74160中，從而得到二十九進制計數(shù)器。進位信號可以直接由門G的輸出端引出。 仿真如下：圖6.6分析：在Multisim中運行結(jié)果是從0到28這二十九個數(shù)，所以是二十九進制計數(shù)器。3）電路設(shè)計 如何實現(xiàn)電路中不同進制的電路之間的自動轉(zhuǎn)換，而不需要人為地進行控制？分析：一般而言要想做一個任意進制的計數(shù)器很簡單，可以用74