電壓交流有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn) 武漢理工

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)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(guò)程描述.134.參數(shù)測(cè)量及驗(yàn)證.145.心得體會(huì).156.參考文獻(xiàn).157.實(shí)物圖.16課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電信12級(jí) 指導(dǎo)教師： 劉守軍 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 電壓交流有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn) 初始條件： 可選元件：集成運(yùn)算放大器

2、、電阻、電位器、電容若干，直流電源，或自備元器件。可用儀器：示波器，萬(wàn)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(jì)任務(wù)根據(jù)要求，完成電壓交流有效值測(cè)量電路的仿真設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試，鼓勵(lì)自制正弦信號(hào)發(fā)生器和穩(wěn)壓電源。（2）設(shè)計(jì)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(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)報(bào)告書。 選做：利用仿真軟件的PCB設(shè)計(jì)功能進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。時(shí)間安

3、排：1、 前半周，完成仿真設(shè)計(jì)調(diào)試；并制作實(shí)物。 2、 后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘 要模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是繼模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后又一重要的實(shí)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(shí)與單元電路的設(shè)計(jì)能力之后，讓學(xué)生綜合運(yùn)用模擬電子技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行實(shí)際模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)測(cè)，利用Multisim等相關(guān)軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，提高綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、分析解決問(wèn)題的能力和電子技術(shù)實(shí)踐技能，讓學(xué)生了解模擬電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的

4、工程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。本課程設(shè)計(jì)的思路是將交流信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)送至ICL7107數(shù)碼管顯示，完成交流電壓有效值的測(cè)量。關(guān)鍵詞：電阻分壓、TL062、ICL7107、交直流轉(zhuǎn)換、有效值測(cè)量電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)進(jìn)度要求序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容所用時(shí)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(jì)報(bào)告書0.5天5答辯0.5天合 計(jì)3天1.電路方案論證與選擇1.1 系統(tǒng)基本方案設(shè)計(jì)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(duì)交流電壓有效值進(jìn)行測(cè)量，并顯示的設(shè)計(jì)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(jì)圖1.1為采用7805設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓源。該穩(wěn)壓源可穩(wěn)定輸出+5V電壓，電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。該穩(wěn)壓源由以下五部分組成。(1)降壓：通過(guò)變壓器將輸入的220V，50HZ交流電降為+5V輸出。(2)整流：通過(guò)橋式整流電路，將輸入的交流電壓信號(hào)變?yōu)槊}動(dòng)信號(hào)。(3)濾波：通過(guò)C1及C2等濾波電容將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ胃鼮槠骄彽碾妷盒盘?hào)。(4)穩(wěn)壓：通過(guò)集成穩(wěn)壓芯片7805將不穩(wěn)定的電壓信號(hào)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(cè)量電壓是V>10V，因此要對(duì)輸入電壓進(jìn)行衰減。

6、此處采用了電阻分壓的方式對(duì)電壓進(jìn)行衰減，同時(shí)設(shè)計(jì)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(cè)量電流和電阻的電路，測(cè)量電流的分流電阻和測(cè)量電壓的分壓電阻以及測(cè)量電阻的基準(zhǔn)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(cè)量電阻基準(zhǔn)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(lái)出現(xiàn)了各種真有效值A(chǔ)C/ DC 轉(zhuǎn)換器。美國(guó)AD公司的AD736是其中非常典型的一種。AD736是經(jīng)過(guò)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(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好(滿量程

7、為 200mVRMS)、測(cè)量速率快、頻率特性好(工作頻率范圍可達(dá)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(lái)測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過(guò)±0.3%。但經(jīng)查詢，AD736集成芯片的成本較高，因此設(shè)計(jì)電路未采取此套方案。方案二：?jiǎn)伍T限比較器由于受正負(fù)電源的限制，輸出電壓為Vo±Vcc。當(dāng)輸入信號(hào)Vi<Vn時(shí)，輸出低電平Vol=-Vcc；當(dāng)輸入信號(hào)Vi>Vn時(shí)，輸出高電平Voh=+Vcc。由于需要多個(gè)電壓比較器，故選用集成運(yùn)放LM324，內(nèi)含四個(gè)理想運(yùn)算放大器。圖1-3 比較器由于采用四個(gè)運(yùn)放連線較為復(fù)雜，且不

8、能準(zhǔn)確地輸出交流電壓的有效值，故設(shè)計(jì)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(yùn)算電路。從輸入端輸入交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路輸出直流信號(hào)。且該信號(hào)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(hào)等于輸入交流信號(hào)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(hào)，輸出的是 0200.0mV 的直流信號(hào)，從信號(hào)幅度來(lái)看，并不要求電路進(jìn)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(méi)有損失地進(jìn)行AC-DC的信號(hào)轉(zhuǎn)換。因此，這里使用的是低功耗的高阻輸入運(yùn)算放大器，其不靈敏區(qū)僅僅只有2mV 左右，在普通數(shù)字萬(wàn)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(qiáng)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(jì)直接使ICL7107，配合四位七段共陽(yáng)數(shù)碼管構(gòu)成有效值測(cè)量電路的顯示部分。將經(jīng)過(guò)衰減、AC-DC轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電壓輸入到顯示模塊，電路的數(shù)碼管便會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)值。如果原始輸入電壓經(jīng)過(guò)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(cè)交流電壓的有效值。顯示模塊使用了ICL7107集成芯片。ICL7107是美國(guó)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(qiáng)，輸出積分電容可直接驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓，正確數(shù)值是 100mV，第26引腳是負(fù)電源引腳，正確電壓數(shù)值是負(fù)的，在3V至5V都認(rèn)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(hào)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(hào)輸入，以方便測(cè)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(gè)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(hào)地是30腳，基準(zhǔn)地是35腳

11、，通常使用情況下，這4個(gè)引腳都接地，在一些有特殊要求的應(yīng)用中（例如測(cè)量電阻或者比例測(cè)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(fù)電壓電源可以從電路外部直接使用7905等芯片來(lái)提供，但是這要求供電需要正負(fù)電源，通常采用簡(jiǎn)單方法，利用一個(gè)+5V供電就可以解決問(wèn)題。比較常用的方法是利用ICL7660或者NE555等電路來(lái)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(gè)電感來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大，把芯片38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè)20K56K的電阻連接到三極管“B”極，在三極管“C”極串接一個(gè)電阻（為了保護(hù)）和一個(gè)電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時(shí)，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(hào)，把這個(gè)信號(hào)通過(guò)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(fù)電壓供給ICL7107的26腳使用。這個(gè)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(shí)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(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)電路的關(guān)鍵模塊AC-DC用Multisim進(jìn)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(yùn)算電路可以較為精確地將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，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(guò)程描述先用萬(wàn)用表檢測(cè)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(shí)，以45度靠緊焊接面進(jìn)行預(yù)熱；然后將焊錫絲同時(shí)伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處；當(dāng)焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤(rùn)濕焊盤與組件腳，當(dāng)焊點(diǎn)上的焊錫成圓錐形時(shí)即抽離焊錫絲。在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如果焊點(diǎn)有連焊，應(yīng)將焊錫線與烙鐵

15、頭一起接觸在連焊的焊點(diǎn)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(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)是：焊點(diǎn)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(cè)試腳37腳接高電平，數(shù)碼管顯示-1888，說(shuō)明顯電壓數(shù)字顯示部分焊接無(wú)誤。(2)將測(cè)試電壓輸入口短接，數(shù)碼管顯示為0，說(shuō)明測(cè)試無(wú)零點(diǎn)誤差。(3)將測(cè)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(cè)量及驗(yàn)證(1)電壓衰減模塊測(cè)試結(jié)果如表4-1表4-1 電壓衰減模塊測(cè)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(cè)試結(jié)果如表4-2用信號(hào)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(cè)量其直流電壓。與輸入的有效值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值相接近，基本滿足后面的進(jìn)一步連接要求。表4-2 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試輸入有效值（mV）50100150200實(shí)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(hào)，改變信號(hào)有效值的同時(shí)也要相應(yīng)的改變檔位，以免將電路燒毀。表3-3 整體測(cè)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(cè)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(huì)課程設(shè)計(jì)之初，我對(duì)交流電壓有效值測(cè)量完全沒(méi)有想法和方案。在完成課程設(shè)計(jì)的短短幾天內(nèi)，我不斷搜集資料、設(shè)計(jì)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(jì)方案與仿真結(jié)果，然后又開始著手元器件的購(gòu)買、實(shí)物的焊接與調(diào)試、數(shù)據(jù)測(cè)試。這其中我遇到了很多的困難，在克服這些困難的同時(shí)，也學(xué)到了很多

18、課本里學(xué)不到的知識(shí)，收獲了很多課堂上講不到的方法。在收集資料的過(guò)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(xì)對(duì)比了各種方案的可行性，考慮了成本、可操作性、繁簡(jiǎn)程度等諸多問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中我學(xué)到了很多書本中沒(méi)有的知識(shí)。在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中用到了Multisim軟件。我之前一直使用Proteus軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)電路與仿真，但是Proteus軟件較Multisim軟件來(lái)說(shuō)在實(shí)用性與操作性上略遜。所以在此次在課程設(shè)計(jì)中我選用了Multisim軟件進(jìn)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(xué)習(xí)中會(huì)更加深入地研究與學(xué)習(xí)Multisim軟件，用它的強(qiáng)大的功能來(lái)幫助我解決實(shí)際問(wèn)題。本次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的工程設(shè)計(jì)思想。從收集資料、對(duì)比選擇、確定方案、電路圖設(shè)計(jì)、電路仿真到元器件的配置、實(shí)物焊接與調(diào)試、數(shù)據(jù)的測(cè)量收集，從中所獲得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)今后的學(xué)習(xí)與工作都有很大的幫助，同時(shí)我也學(xué)會(huì)了如何在短時(shí)間之內(nèi)對(duì)知識(shí)進(jìn)行取舍與進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)和突破。雖然課程設(shè)計(jì)的過(guò)程是辛苦的，但結(jié)果確是令人振奮的。我從中學(xué)到的知識(shí)、方法與積累的自信、