模电课设 电压交流有效值测量电路设计(17页).doc

- 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目：电压交流有效值测量电路设计初始条件：具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输入电压峰值0v 102、允许误差为±23、采用LED分段显示，分段区间自定4、可加入音响指示5、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书6、设计电源；7、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。时间安排： 二十一周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1. 系统总体设计21.1 设计方案21.2 电路流程图22.各模块方案及电路参数22.1 AC-DC转换模块22.1.1电路方案22.1.2电路参数32.1.3电路原理图32.2电压比较模块42.2.1电路方案42.2.2电路原理图42.3 LED分段显示电路52.3.1电路方案54. Multisim仿真54.1 AC-DC电路仿真54.2仿真电路整体图75.所需元件86.实物测试97.总结118.附录129.参考书目12-第 12 页12摘要模拟电子技术基础课程是一门实用的专业课，而该课程的课程设计就是为了让我们巩固在理论课和实验课程中学习到的知识。本次课程设计是做一个电压交流有效值测量电路，并通过LED灯分段显示电压有效值的范围。 众所周知，电压表在工程运用中无处不在，本次课设就是要求我们综合理论课程中的知识，运用Multisim来设计一个简单缩略的交流电压表，并通过安装调试组成一个可以测量电压交流有效值范围的电路。该电压有效值测量电路主要由交直流转换模块和电压比较和显示模块组成。本次课程设计经过方案论证-电路设计-电路实现-安装调试-系统测试-总结报告等过程，达到了提高动手能力和电子技术实践技能的目的。关键词：电压有效值测量，交直流转换，LED分段显示。1. 系统总体设计1.1 设计方案设计方案：将设计电路分为，电压比较模块，LED分段显示模块共三块可达到基本要求。AC-DC转换模块：通过交直流转换电路将输入的交流电压转换成相对较稳定的直流电压。电压比较模块：将整流后得到的直流电压通过正向输入但门限电压比较器，可比较输入交流电压有效值的大致范围。 LED分段显示模块：当输入电压有效值大于设定的门限值时，输出正向电压，可使电路中的LED灯发光，并通过发光数量来显示电压有效值的大致范围。1.2 电路流程图LED灯显示电压有效值范围电压比较电路输入交流电压AC-DC转换 图1 电路系统流程图2.各模块方案及电路参数2.1 AC-DC转换模块2.1.1电路方案 AC-DC转换模块采用单相桥式全波整流电路，该电路结构相对简单，用二极管整流桥，电容滤波就可以组成，方便安装，而且成本较低。但该电路输出电压的有效值有较大的差距，再加上二极管导通时存在的压降，使该电路输出的电压有效值误差非常大，因而在接下来的设计中要考虑如何消除此误差。2.1.2电路参数对于整流电路，要求电压峰峰值小于10V，则二极管所承受最大反压 (式1)因此，选用1N4001为整流二极管即可。由于整流桥型号无法确定，所以采用4个1N4001二极管自行组装成整流桥。对于滤波电路，为得到较为平滑的输出电压，要求放电时间常数 （式2）由于输入交流电压周期T为0.02s，而为了较好的滤波效果，此处采用100uF电容即可。同时为保护电路各元件，要求输出电流要小一点，故负载选用200k电阻。2.1.3电路原理图 如图（a）为整流滤波电路的电路原理图。图2 AC-DC转换电路原理图当输入电压波形如图（b）是，经过二极管整流后可得到（c）图所示波形，在经过电容整流后可以得到脉动小的直流电压，必行如图（d）所示。 （c）（b）（a） 图3 整流滤波过程波形图2.2电压比较模块2.2.1电路方案该模块采用单门限同相输入电压比较电路，其工作原理：当同向输入端的电压值小于反向输入端的基准电压值时，电压比较器输出为-VCC(-8V)，反之则为VCC(+8V)。由于此次设计任务要求输入电压小于10V，则有效值为小于7.1V，故而设置4个不同的门限电压比较器来区分以下几个输入电压有效值范围0-2V,2-4V,4-6V,6V以上。在整流电路无误差的情况下，门限值可设为0V、2V、4V、6V，但是输入电压进过整流后输出的有效值是有误差的，用串联方式接入4个电位器，每个电位器的分压为 (式3) 故每个电位器(门限值)可调范围为0-2V,2-4V,4-6V,6-8V，这样可以消除误差，使当输入电压有效值小于2V时，第一个电压比较器输出为正，2-4V时第二个电压比较器输出为正，4-6V时第三个电压比较器输出为正，大于6V时第四个电压比较器输出为正。2.2.2电路原理图如图为电压比较电路和LED显示电路，电位器调整如下可符合门限值要求。 图4 电压比较及LED显示电路原理图2.3 LED分段显示电路2.3.1电路方案在运放输出端接上一个LED灯，当电压比较器输出端的电压为正时，可使LED灯发光，这样就可以根据灯亮的个数来判断输入电压的有效值大致范围。当输入电压有效值为0-2V时，亮1盏灯，2-4V时亮2盏灯，4-6V时亮3盏灯，大于6V时亮4盏灯。同时，为了保护LED灯不被损坏，采用500的电阻进行保护。4. Multisim仿真4.1 AC-DC电路仿真如下图所（a）示，为当输入电压有效值为2.01V时的输入波形和输出波形，图（b）为滤波后得到的直流电压纹波波形（a）（b）图5 交直流转换输入输出波形以及纹波波形 如下图所示为输入2.01V有效值电压时测得的纹波电压和直流电压有效值。图6 交直流转换后的输出有效值以及纹波值 通过仿真可以看出，经过整流后得到的直流电压纹波比较小，整流效果比较好，但是输入与输出电压之间的差距比较大,大致可看成。为了消除误差，根据表2数据可将门限值依次设为0V,2.04V,4.76V,7.48V来达到预期功能。表2 输入与输出电压有效值对比表输入电压有效值(V)输出电压有效值(V)22.03733.37844.75856.08367.47578.8684.2仿真电路整体图 如下图所示，当输入电压有效值为2.01V时，交直流转换后的电压有效值大于第一个和第二个电压比较器的门限值，LED灯亮两盏。图7 整体电路仿真结果图表3 电压交流有效值测量电路仿真显示表输入电压峰峰值(V)理论电压有效值(V)灯亮个数2.822.0012.852.0225.623.9825.654.0038.465.99410.07.0745.所需元件表4 所需元件表 元件 数量+8V直流稳压电源 1电位器（2K） 4电阻（200k） 1电阻（510） 4LM324四运放集成芯片 1LED灯 4二极管1N4001 4电容（100uF）1 6.实物测试 通过测量2V,4V,6V的输入电压有效值经过整流后得到的有效值，依次将实际门限值设为0,1.95V，4.53V，7.28V。 如下图（a）所示，当输入1.92V有效值电压时，大于第一个灯门限，亮第一灯；如下图（b）所示，当输入2.11V有效值电压时，大于第2个灯门限，第2灯亮；如下图（c）所示，当输入4.00V有效值电压时，大于第3个灯门限，第3灯亮；如下图（d）所示，当输入6.54V有效值电压时，大于第4个灯门限，第4灯亮。 （a） （b） （c） （d）图8 调试结果图表5 实物测试数据表理论有效值（V）理论亮灯数量实际亮灯数量1.92112.06212.11223.99224.00334.79335.85335.89346.5444对于上表所测数据，设计中的输入2V时亮两盏，实际2.06V亮两盏，第二个灯误差约为；对于第三的LED灯误设计4V时灯亮，实际与之相同，误差非常小；而对于第四个LED灯设计6V时灯亮，实际在5.89时便灯亮，误差约为。实物中两盏灯超出误差允许范围，误差原因：当2v有效值电压经过整流后变成1.90v，而第二个电位器实际调整范围在1.95-3.98v,此误差为电路设置不太合理造成；第四个LED灯的误差主要是第四个电位器调试不成功造成的。7.总结设计中的不足以及遇到的问题：1、电位器采用串联形式的接法，方便了电路的连接，但却是电位器可调范围变小，有点达不到门限值的要求，而且该连接方式使输入的直流电源的要求提高。改用并联形式可改善该电路，将可调范围变成0-VCC,从而消除第二个LED灯显示的误差。心得体会：模电课设是我们进入大学以来的第一次课程设计，在临近课设时，感觉是束手无策。这次的课设题目是电压交流有效值的测量电路，只是分段显示，在经过一天的资料查找后终于搞清楚了基本原理和电路模块了。对于现在的我们来说，Multisim软件也是一个新事物，需要自己慢慢摸索。而在仿真中的数据和实物的实际数据相差还是比较打的，我们应该学会如何去解决或者减小实物中出现的误差。总的来说，课设是一个在自己动手动脑中不断提高成长的过程，仿真软件可以一步一步学会使用一些基本功能，虽然好多元器件型号都分不清楚，但有一个起步还是可以加强的。还有就是在这次课设中，我意识到了自我学习的重要性，也意识到我们每一次大胆去尝试，就会有一定的收获。另外，我们学习到的理论知识在这次实践课程中也用上去了，理论和实践结合，自然而然地提高我们的综合实践能力，在未来的发展上打下一个小基础。8.附录1.LM324芯片资料LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。图9 LM324芯片内部电路图2.IN400二极管参数该二极管为整流二极管，最大周期性方向峰值电压为50V，最大有效值电压为35V，最大直流闭锁电压：50V，最大正向整流电流：1.0A，操作和存储温度范围：-65175。9.参考书目1吴友宇. 模拟电子技术基础. 科学出版社. 20142周新民. 工程实践及训练教程. 武汉理工大学出版社. 20092聂典. Multisim 12仿真设计. 电子工业出版社. 2012