電壓電流轉(zhuǎn)換電路

1、課程設(shè)計評定意見指導老師評閱意見指導老師簽字：指導老師評定成績教研室意見教研室主任簽字： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 電壓電流轉(zhuǎn)換電路 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 張磊 指導教師： 龍卓珉 職稱/學位：講師/碩士專 業(yè)： 通信工程 班 級： 通信1302班 學 號： 1330440253 完成時間： 2015年6月 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書學院：電氣與信息工程學院 專業(yè)：通信工程 指導教師龍卓珉學生姓名 張磊課題名稱電壓電流轉(zhuǎn)換電路內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)采用集成運算放大器設(shè)計一個將直流電壓轉(zhuǎn)換成直流電流的轉(zhuǎn)換電路，分為05V/010mA,010V/010mA,10V10V/42

2、0mA三個檔位，電路設(shè)計方案自行確定。二、設(shè)計內(nèi)容1、電路設(shè)計方案比較；2、電路參數(shù)分析計算和選擇； 3、單元電路設(shè)計并進行分析；4、實物制作；5、系統(tǒng)調(diào)試（使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表）；6、撰寫設(shè)計報告。擬達到的要求或技術(shù)指標1、 基本要求與指標1、輸入為05V直流電壓，輸出為010mA的直流電流；2、輸入為010V直流電壓，輸出為010mA的直流電流；3、輸入為10V10V直流電壓，輸出為420mA的直流電流。 進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.5.20-5.23電壓電流轉(zhuǎn)換電路資料的查找2015.5.24-5.29電壓電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計2015.5.30-6.10電壓電流轉(zhuǎn)換電路的

3、制作2015.6.11-6.25電路板的調(diào)試2015.6.25-6.30撰寫說明書主要參考資料1 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第五版）高等教育出版社, 2006；2 邱關(guān)源電路（第五版）高等教育出版社,2006； 3郭萬里，一種電壓/電流和電流/電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計?？茖W咨詢報。2007 指導教師意見簽名：年 月 日教研室意見簽名：年 月 日摘 要 該設(shè)計介紹了電壓電流轉(zhuǎn)換電路的工作原理，它是一種簡易轉(zhuǎn)換電路，主要是采用一些簡單的電器組合而成。電路是由直流穩(wěn)壓電源，電壓比較電路，放大電路組成。直流穩(wěn)壓電源為單相小功率電源，它還將頻率為50Hz,有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定，輸

4、出電流為幾十安以下的直流電壓。單相交流電經(jīng)過電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。電壓電流轉(zhuǎn)換電路主要是利用放大器對輸入電壓進行放大或者衰減，在最終的電壓輸出端接入一個適當?shù)碾娮鑿亩鴮⑤敵鲭妷恨D(zhuǎn)換為預(yù)期大小的電流。 關(guān)鍵詞：電壓電流轉(zhuǎn)換電路；直流穩(wěn)壓電源。目錄1 緒論 1 2 直流穩(wěn)壓電源 2 2.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 2 2 .1.1 整流電路2 2 .1.2 濾波電路3 2 .1.3 穩(wěn)壓電路3 2 .2 直流穩(wěn)壓電源電路參數(shù)確定 3 2 .2.1 三端集成穩(wěn)壓器的選擇3 2 .2 .2 整流電路參數(shù)選擇 4 2 .2 .3 確定變壓器容量和次級電壓 4 2 .2

5、.4 濾波電容容量和選擇 4 2.3 制作與調(diào)試 4 2.3.1 制作 4 2.3.2 調(diào)試注意事項 5 2.3.3 調(diào)試與測量 52.3.4誤差分析5 3 電壓電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方6 3.1 方案論證 6 3.2 單元電路的原理及元器件參數(shù)計算與選擇8 3.2.1 LM324組成的電壓比較電路8 3.2.2 放大電路93.2.3參數(shù)設(shè)計9 3.3 電壓電流轉(zhuǎn)換設(shè)計的仿真與制作 113.3.1仿真電路的建立與測試 113.3.2 0-5V/0-10mA113.3.3 0-10V/0-10mA123.3.4 -1010V/420mA13 3.4 制作 13 4 測試 14 4.1 調(diào)試14 4.2

6、 測量結(jié)果14 4.3 誤差分析15 5設(shè)計總結(jié)與體會 15參考文獻16 致謝17 附錄 附錄A 使用說明 18 附錄B元件清單 18 附錄C 實驗電路仿真圖 19 附錄D 實物圖 21 1緒論 由于物理學的的重大突破，電子技術(shù)在20世紀取得了驚人的進步，電子技術(shù)是對電子信號進行處理的技術(shù)，電子技術(shù)是電類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它更是是否學好電類專業(yè)的關(guān)鍵之一。要想很好的掌握電子技術(shù)，除了掌握基本器件的原理、電子電路的基本組成及分析方法外，還要掌握電子器件及基本電路的應(yīng)用技術(shù)，課程設(shè)計就是電子技術(shù)教學中的重要環(huán)節(jié)。 在工業(yè)控制和許多傳感器的應(yīng)用電路中,摸擬信號一般是以電壓形式輸出。但在以電

7、壓方式長距離傳輸模擬信號時,信號源電阻或傳輸線路的直流電阻等會引起電壓衰減,信號接收端的輸入電阻越低,電壓衰減越大。為了避免信號在傳輸過程中的衰減,可增加信號接收端的輸入電阻,但信號接收端輸入電阻的增加,導致傳輸線路抗干擾性能降低、易受外界干擾、信號傳輸不穩(wěn)定，因此在長距離傳輸模擬信號時,不再采用電壓輸出方式,而應(yīng)把電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。另外許多常規(guī)工業(yè)儀表中,以電流方式配接也要求輸出端將電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。電壓電流轉(zhuǎn)換器就是把電壓輸出信號轉(zhuǎn)換成電流輸出信號,有利于信號長距離傳輸或滿足工業(yè)儀表中電流配接的要求。 2 直流穩(wěn)壓電源2.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計2.1.1 整流電路 整流電路是把

8、變壓器變換后的交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動的直流電壓。此處我們選用單相橋式整流電路，它效率較高，使用比全波整流方便，變壓器無需抽頭，其原理圖見圖1。整流二極管承受的最大反向電壓為整流二極管承受的最大反向電壓為（為ab端電壓的有效值），整流輸出電壓的平均值。整流二極管是兩兩輪流導通的，所以流過每只二極管的平均電流為,電壓電流波形圖見圖2。圖1 單相橋式整流電路圖圖2橋式整流電路的工作波形2.1.2 濾波電路濾波電路是用來濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成。由于該直流穩(wěn)壓源輸出電流不需很大，且負載幾乎沒什么變化，所以我們選用結(jié)構(gòu)較簡單的電容濾波電路，電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，紋波也較小。

9、濾波電容C應(yīng)滿足： （1）式中T為輸入交流信號周期；R為整流濾波電路的等效負載電阻。整流濾波電路原理圖如圖3所示。圖3整流濾波電路原理圖2.1.3 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓電路可以利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性。利用pn結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件，在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串

10、聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。三端集成穩(wěn)壓器：三端集成穩(wěn)壓器是一種串聯(lián)式調(diào)整式穩(wěn)壓器，內(nèi)部設(shè)有過熱、過流和過壓保護電路。將整流濾波后的不穩(wěn)定的直流電壓接到三端集成穩(wěn)壓器輸入端，經(jīng)三端穩(wěn)壓器后在輸出端得到某一值的穩(wěn)定的直流電壓。在本設(shè)計只需固定的V和+5V電源即可，因此選用固定三端穩(wěn)壓器。2.2 直流穩(wěn)壓電源電路參數(shù)確定2.2.1 三端集成穩(wěn)壓器的選擇因為要得到V和+5V的輸出電壓，且設(shè)計要求輸出電流的最大值Iom=500mA，所以選擇的三端集成穩(wěn)壓芯片為LM7812、LM7912、LM7805。穩(wěn)壓器的輸入電壓即濾波電路的輸出電壓。太低則穩(wěn)壓器性能將受到影響，甚至不能正常工作；太高穩(wěn)壓器功耗增大，

11、會導致電源效率下降。最低必須保證輸入、輸出電壓之差大于2-3v。同時考慮電網(wǎng)電壓下浮10%時，濾波電容上的電壓也會下浮10%。綜合考慮以上因素，穩(wěn)壓器輸入電壓取=18V。2.2.2 確定變壓器容量和次級電壓 濾波電容上電壓的平均值應(yīng)取變壓器次級電壓的1.2倍，前面分析中穩(wěn)壓器輸入電壓取18v，故變壓器次級電壓應(yīng)為: （2） 穩(wěn)壓器輸出功率（3）穩(wěn)壓器自身功率（4）小功率變壓器效率可達90%，則變壓器容量為（5）2.2.3 整流電路參數(shù)選擇穩(wěn)壓器LM7812、LM7912所在的電路中,二極管最大反向工作電壓：穩(wěn)壓器LM7805所在電路中，二極管最大反向工作電壓:IN4001的反向擊穿電壓,額定工

12、作電流，故整流二極管選用IN4001.2.2.4 濾波電容容量和選擇濾波電容上的峰值電壓為變壓器上次級電壓的峰值。由于變壓器次級電壓取15V，則其峰值電壓約為21.21V。由于電解電容容易損壞，一般應(yīng)使用其耐壓值的80%，故濾波電容上的耐壓應(yīng)大于26.5V。再考慮電網(wǎng)上波動，故濾波電容耐壓值取30v。因為 所以濾波電容為，故取4700uF、耐壓為25V的電解電容作為濾波電容 。2.3 制作與調(diào)試2.3.1制作 對電路進行組裝，按照設(shè)計的電路，打印在PCB板上，用鉆孔機鉆適當大小的孔，在PCB板上插接元器件并焊接。焊接完畢后，對照電路圖仔細檢查，使用萬用表看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對安裝完

13、成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復的調(diào)整和測量，使電路的性能達到要求。2.3.2 調(diào)試注意事項（1）檢測電源變壓器的絕緣電阻，以防變壓器漏電而危及人身及設(shè)備安全。（2）電源變壓器的初級和次級繞組不能接反，否則會損壞變壓器或帶來電源故障。（3）整流二極管和濾波電容的極性不能接反，否則會損壞。（4）集成三端穩(wěn)壓器的輸入、輸出和公共端不能接錯，特別是公共端不能開路，否則可能導致負載損壞，若輸入端和輸出端接反，可能回擊穿內(nèi)部調(diào)整管。（5）電路無短路現(xiàn)象。 2.3.3 調(diào)試與測量（1）靜態(tài)調(diào)試對照原理圖，用萬用表一一檢查線路的各個接口是否接通，是否有短路、斷路或漏接的現(xiàn)

14、象。對照PCB圖，檢查各元件是否接正確。（2）輸出電壓的測量：接通220V的電源，用數(shù)字萬用表測電源電路輸出電壓，得到正電源輸出電壓為，負電源輸出電壓為。2、內(nèi)阻的測量，在輸入交流為220V，分別測得負載電流為0及最大值時的VO，即用開短路法可測得電源內(nèi)阻。測得數(shù)據(jù)如下： 輸出為+12V時：（6） 輸出為-12V時:（7）則電源內(nèi)阻為：（8）（9）2.3.4 誤差分析誤差計算： 可能造成誤差的主要因素有:a)元件本身存在誤差；b)焊接時，焊接點存在微小電阻；c)萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差；d)測量方法造成的誤差。 3電壓電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計3.1 方案論證 方案一： 方案一采用高度集成芯片

15、XTR111進行電壓電流的轉(zhuǎn)換，其原理框圖如圖6所示。電流輸出輸入電壓電壓電流轉(zhuǎn)換集成芯片 圖6 方案一原理框圖 優(yōu)點：XTR11芯片便于設(shè)計輸入和輸出范圍，且非線性度很低，達到了0.002%，且精確度較高。缺點：XTR11芯片輸入電壓較高，芯片所要求電壓要達到24v，不易人工調(diào)控，成本較高。方案二 方案二采用豪蘭德電流源電路進行轉(zhuǎn)換，其基本原理圖如圖7所示。 圖7方案二原理圖 優(yōu)點：通過集成運放構(gòu)成反相比例運算電路，同相端輸入通過R接地，保證輸入級差分放大電路的對稱性，且負載電流與電壓成線性關(guān)系。缺點：結(jié)構(gòu)簡單，但變換的輸入電壓U受運放的最大共模輸入電壓限制，實用性較低。方案三原理框圖如圖8

16、所示。放大電路電壓比較器 輸入電壓 電流輸出偏置電壓圖8 方案三原理框圖該電路主要由運算放大器LM324、三極管2N5551以及其它輔助元件構(gòu)成。該電路中，運算放大器起比較器作用,是將正相端電壓輸入信號與反相端電壓進行比較,電壓經(jīng)運算放大器放大后再經(jīng)三極管放大。優(yōu)點：輸出電流穩(wěn)定，一個電路圖能實現(xiàn)三種情況，不需要額外接入元件。缺點：在偏置電壓與輸入電壓同為0V時會輸出微弱電流，有一定的誤差。在最終的方案選擇上，由于方案二結(jié)構(gòu)簡單，帶變換的輸入電壓U受運放的最大共模輸入電壓限制，實用性較低，而方案三輸出電流穩(wěn)定，一個電路圖能實現(xiàn)三種情況，不需要額外接入元件，但是在偏置電壓與輸入電壓同為0V時會輸

17、出微弱電流，有一定的誤差。在綜合考慮了電路的性能指標，成本計算，可行性等方面，我們最終確定使用第三種方案。 電壓電流轉(zhuǎn)換是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號，且負載中的電流只取決于輸入電壓Vin和電阻R1之比，與負載電阻無關(guān)。轉(zhuǎn)換后的信號是一個隨輸入電壓變化的電流信號，在一定的負載范圍內(nèi)要求輸入電流能夠保持穩(wěn)定，即具有恒流源特性。電壓電流轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。圖9 電壓電流轉(zhuǎn)換電路NI仿真圖3.2 單元電路的原理及元器件參數(shù)計算與選擇3.2.1 LM324組成的電壓比較器：電壓比較器是集成運放非線性應(yīng)用電路，它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓

18、將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。集成運放我們選用LM324，其引腳及符號如圖10所示。 圖10 集成運放LM324引腳及符號 3.2.2放大電路 放大電路的功能是利用晶體管的控制作用，把輸入的微弱電信號不失真的放到所需的數(shù)值，實現(xiàn)將直流電源的能量，部分的轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號。放大電路的實質(zhì)是用較小的的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。本設(shè)計根據(jù)電路需要的元器件以及功能特點，選用三極管2N5551 和電阻構(gòu)成的放大電路，如上圖9 所示，比較器輸出接入2N5551 的基極，由射極輸出。3.2.3

19、 參數(shù)設(shè)計由運放性質(zhì)(虛短虛斷)可知: （10）其中: （11）令,可得 (12)由（式10）、（式11）及（式12）可得電流表顯示的電流為： （13） 其中，三極管我們選用的型號是2N5551，運算放大器所選的是集成運放LM324。故選取,保證三極管處于放大區(qū)間。并取,。1 0-5V/0-10mA/: 由（式13）知，,令,可得輸出為0mA的直流電流； 令,可得輸出為10mA的直流電流。 2 0-10V/0-10mA: 由（式13）知，, 令,可得輸出為0mA的直流電流； 令,可得輸出為10mA的直流電流。 3 -10V- +10V/4-20mA: 由（式13）知，, 令,可得輸出為4mA的

20、直流電流； 令,可得輸出為20mA的直流電流。 3.3 電壓電流轉(zhuǎn)換設(shè)計的仿真與制作3.3.1 仿真電路的建立與測試 我們用multisim建立電路模型，設(shè)置好電路以后，我們開始仿真。3.3.2 0-5V/0-10mA： 取偏置電壓VDD及輸入電壓VEE為0V，滑動變阻器R7取250,如圖11所示，電流表讀數(shù)為14.211uA，實際上應(yīng)為0A。圖11 電壓電流轉(zhuǎn)換電路仿真1 取偏置電壓VDD為0V，輸入電壓VEE為4V，滑動變阻器R7取250,如圖12所示，電流表讀數(shù)為7.962mA，由公式（4）可知理論值為8mA。圖12 V/I電路仿真23.3.3、0-10V/0-10mA： 取偏置電壓VD

21、D為0V，輸入電壓VEE為4V，滑動變阻器R7取500,如圖13所示，電流表讀數(shù)為3.979mA，由（式4）可知理論值為4mA。圖13 V/I仿真3 取偏置電壓VDD為0V，輸入電壓VEE為9V，滑動變阻器R7取500,如圖14所示，電流表讀數(shù)為8.946mA，由公式（4）可知理論值為9mA。圖14 V/I仿真43.3.4、1010V/420mA： 由于在multisim這個軟件上滑動變阻器調(diào)節(jié)范圍為1%，不能調(diào)至62.5%，所以我們將其調(diào)至62%。1)取偏置電壓VDD為15V，輸入電壓VEE為-10V，滑動變阻器R7取625,如圖10所示，電流表讀數(shù)為3.975mA，由（式4）可知理論值為4

22、.032mA。 圖15 V/I轉(zhuǎn)換電路仿真取偏置電壓Vo為15V，輸入電壓Vin為-5V，滑動變阻器R7取625,如圖15所示，電流表讀數(shù)為7.951mA，由公式（4）可知理論值為8mA。圖15 V/I轉(zhuǎn)換電路仿真63.4 制作根據(jù)原理圖先在面包板上連接電路。在面包板上進行合理的整體布局最大限度的減少線的使用，降低干擾在連線之前，自己要先在腦海里形成一個大致的整體布局和接線方法，盡量使圖美觀，并且在有問題出現(xiàn)時便于檢查。在面包板上電路正常運行后，使用AD將原理圖畫成PCB圖并打印，在PCB電路焊好以后，檢查是否有錯誤，確定無錯誤以后，接通電源，電路能正常工作。4 調(diào)試4.1 調(diào)試利用直流穩(wěn)壓電

23、源給U-I轉(zhuǎn)換電路分別輸入0V，5V，10V，-10V的電壓，通過改變偏置電壓，滑動變阻器，觀察電流表的變化。并與設(shè)計指標進行比較，看是否達到要求。4.2 測量結(jié)果通過實驗測得電壓與電流的關(guān)系如表3所示：表3 實驗測試數(shù)據(jù)檔位輸入電壓理論輸出電流實測輸出電流0-10v0V0mA0.01uA1V1mA0.99mA2V2mA1.98mA5V5mA5.08mA0-5V0V0mA0.01uA1V1mA1.01mA2V2mA1.99mA5V5mA5.03mA-10-10V-10V4mA3.98mA0V8mA8.03mA5V17mA16.97mA10V20mA19.97mA4.3 誤差分析誤差計算： 0.

24、1% 0.2% 0 0.5%綜合分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:a、元件本身存在誤差。b、焊接時，焊接點存在微小電阻。c、萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差。d、讀數(shù)誤差。 e、集成運放的自激振蕩。4.4結(jié)論 根據(jù)實物測試數(shù)據(jù)和理論值進行誤差計算?？傻脤嵨飻?shù)據(jù)中最大誤差不超過2%證明原理電路正確無誤，完全符合設(shè)計要求。5設(shè)計總結(jié)與體會 經(jīng)過一個月的時間，在隊員們的共同努力下，終于完成了電壓電流轉(zhuǎn)換電路的課程設(shè)計。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正

25、含義我今天認真的進行課程設(shè)計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)，經(jīng)過我們團隊一次又一次的討論，調(diào)試與改進，最終做出的成品讓我懂得團隊的力量是無窮的，有付出就有收獲。失敗是成功之母，一次又一次的失敗只是為了讓我們在成功時收獲更多的喜悅，失敗并沒什么，可在失敗中獲取到的才最重要。在這次課程設(shè)計中不僅學習了知識，也發(fā)現(xiàn)了許多問題，而這，主要集中于下面幾點。首先，我所學的知識不夠牢固，對很多比較基礎(chǔ)的知識的掌握程度比較低。沒有能夠切實的落實好基礎(chǔ)知識的學習，事后也沒有花時間復習。使我們在運用基礎(chǔ)知識解決問題的時候總是遇到很多的麻煩，比如在設(shè)計參數(shù)時沒有考慮到三極管中VCE會隨著滑動變阻器RW變化，對電流I沒有影響。其二，理論和實踐結(jié)合的不夠好，雖然在multisim上已經(jīng)仿真出來，但是當把電路轉(zhuǎn)移到面包板上進行測試時仍然出現(xiàn)了很多狀況，比如連線錯誤等問題，有時檢查很多遍也沒有檢查出，雖然這些都是些很小的問題，但是小問題犯多了就會形成習慣。這讓我們體會到了實踐的重要性，并且要注重細節(jié)?？偟膩碚f，這是一次非常有意義的設(shè)計活動。我們自己動手，學會了自主的分析與解決問題。當實物在我們面前展現(xiàn)出來，并達到理想的要求，再回想課程設(shè)計中遇到的一切事，明白了知識要學會鞏固，不能“三