差动变压器激励电源和测量电路设计

物理与信息工程系课 程 设 计 报 告 课程名称 专 业 综 合 课题名称 差动变压器激励电源与测量电路设计专 业 电子信息科学与技术 年 班 级 08级电科二班 学 号 姓 名 指导教师 2011年 5 月 24 日目 录1 设计任务 3 1.1 差动变差动变压器激励源电路 3 1.2 动变压器测量电路 32 设计思路与总体图 32.1 总体框图 32.2 设计思路 3 2.2.1 直流稳压源模块 3 2.2.2 激励信号源ICL8038芯片模块 5 2.2.3 差动变压式传感器输出信号的整流及放大模块 73 系统硬件电路的设计及Proteus仿真结果 7 3.1 直流电源硬件电路的设计及Proteus仿真结果 7 3.2激励信号源ICL8038电路的设计及Proteus仿真结果8 3.3 整流放大输出电路的设计及Proteus仿真结果 94 实物图及测试结果展示 10 4.1直流稳压电源部分测试实物图 10 4.2 ICL8038正弦信号发生器部分测试实物及结果图 11 4.3 运放电路部分测试实物及结果图11 4.4 整流放大部分测试实物及结果图125 总结与体会 12参考文献 141 设计任务1.1 差动变压器激励源电路设计差动变压器激励源电路，实现以下功能：1）频率在1k10khz范围内可调；2）幅值至少在015v范围内可调，能更大范围可调更好（最大不超过80v）；3）设计一个电源，输出+15v、-15v，和+5v、-5v直流电压。1.2 动变压器测量电路设计一个差动变压器测量电路，实现以下功能：输出信号实现全波整流并且放大，用直流信号变化反应差动变压器输出。2 设计思路与总体框图2.1 总体框图交流电源（220V 50HZ）ICL8038信号源芯片直 流 稳 压 源 整流放大及输出电路功率及电压放大电路差动变压式传感器实验模块图2.1 电路总体框图2.2设计思路：2.2.1直流稳压源模块该模块主要由变压器（220V-15V），整流桥，稳压块组成，可提供-15V、+15V、-5V、+5V、-12V、+12V直流电压源。见图2.1.1 图2.2 直流稳压电源方框图组成部分简介：（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用变压器将电网电压降低获得需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整理电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉冲大）。（3）脉冲大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。78/79XX系列稳压集成块简介： 图2.2.1 78XX系列稳压块引脚图 图2.2.2 典型应用电路图 图2.2.3 79XX系列稳压块引脚图 图2.2.4 典型应用电路图LM7915、LM7815、LM7912、LM7812、LM7905、LM7805四块稳压集成块分别形成稳定性好的-15V、+15V、-12V、+12V、-5V、+5V直流电压源。2.2.2 激励信号源：ICL8038芯片模块模块实现功能：为差动变压器提供幅值从0-15V可调，频率从1KHz到10KHz可调的正弦激励信号，且接入由三极管组成的功率放大电路，以提供一定功率的信号。芯片介绍： 图2.2.1 ICL8038管脚图ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路。 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成。ICL8038具有多种波形输出的精密震荡集成电路，主要输出正弦波、三角波、矩形波，输出频率可调。0.001Hz60KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。ICL8038芯片引脚2输出的正弦信号经功率放大电路可为差动变压器模块提供一定功率的激励信号。ICL8038工作原理分析： 图2.2.2 ICL8038内部原理框图振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。2.2.3 差动变压式传感器输出信号的整流及放大模块差动变压式传感器输出幅值随衔铁运动而变化的正弦信号，由于此信号幅值较小，故在信号输出后端接放大电路，并将交流正弦信号整流，作为直流输出。设计中采用先将变压式传感器输出信号经整流、滤波网络变为直流再接由UA741集成运放构成的同向比例放大电路，输出放大了的、稳定的直流信号，从而反映衔铁的运动位移的大小。3 系统硬件电路的设计及Proteus仿真结果3.1 直流电源硬件电路的设计及Proteus仿真结果图3.1.1 电源电路仿真图 （a）正电源输出值 （b）负电源输出值 图3.1.2 电源电路仿真图输出值提示：在稳压块7805及7905的前面加一个稳压块7812、7912的原因是为了防止稳压块7805、7905从正负15V直接跳到正负5V时工作功率过大而烧坏稳压块。仿真结果：各稳压块输出端电压均能达到要求，电容起到良好的滤波效果，输出电压稳定。3.2 激励信号源ICL8038电路的设计及Proteus仿真结果图3.2.1 激励信号源ICL8038及功率放大电路仿真图图3.2.2 激励信号源ICL8038及功率放大电路仿真结果仿真结果：二脚有正弦输出，调节8脚外接的变阻可实现正弦信号频率调节，另外三个变阻可实现正弦的占空比与正、负半部分的正弦失真调节。3.3、整流放大输出电路的设计及Proteus仿真结果图3.3.1 整流放大输出电路仿真图图3.3.2 整流放大输出电路仿真结果4 实物图及测试结果展示4.1 直流稳压电源部分测试实物及结果图 （a）5V电源实测图 （b）12V电源实测图 （c）15V电源实测图 （d）-5V电源实测图 （e）-12V电源实测图 (f)-15V电源实测图 图4.1直流稳压电源实物及测试图4.2 ICL8038正弦信号发生器部分测试实物及结果图 (a）ICL8038信号源测试实物图 （b）正弦信号波形图 （c） ICL8038信号源频率改变后的测试图 （d）正弦信号源频率改变后的波形图 图4.2 ICL8038信号源实物及测试图4.3 运放电路部分测试实物及结果图 （a）运放电路输出测量图 （b）运放电路输出，幅值为14.4V 图4.3 运放电路实物及测试图 4.4 整流放大部分测试实物及结果图 （a）整流放大输入信号 （b）整流放大后输出的直流电压 图4.4 整流放大电路实物及测试结果图 5 总结与体会理论与实践的差距对于自己来说可能这次课程设计的感触更深。从确定课程任务，搜集资料到方案初步，短短几天时间一直处于方案排除中，然而，在再次翻开教材，查阅理论分析，重新理解工作原理，并从尝试自己分析实用电路到很好的运用，仍是几天后才有眉目。Proteus仿真时又出现各种问题，理论似乎总与想要的结果相差很远，就连最简单的运放电路都不能如意的运用。又进一步深入理论分析后，才知道仔细分清各种电路的重要性。在仿真及做好电路板之后，剩余的工作就是测试问题。测试的过程体会可谓一言难尽。稳压电源电路测试：电源部分在请教付老师后直接以实验板上+15V、-15V直流电压作为整流输出电压直接输入到四路稳压集成块输入端，前端接滤波电容，这样来测试所作的稳压块的效果。在实验室测试时，第一次测试，各元器件没出现异常但只有一个稳压块输出正常的电压，其它部分宣告失败。检查电路后，再次检测，这次出现更大的失误，两个电容烧掉了，原因发现是因为正负电源接反，自然电源部分测试宣告结束，等更换电容后重新测试。更换电容后，测试发现78XX稳压块正电源输出的直流电源部分正常，15V的稳压块输出14.3V电压。但79XX稳压块输出的电压不正常。断电检查电路及实验仿真图，讨论发现79XX稳压块引脚的接法错误，其各引脚的接法与78XX稳压块不同，79XX稳压块是2脚接输入，1脚接GND,3脚输出，而78XX稳压块是1脚接输入，2脚接GND,3脚输出。焊接电路板时未注意引脚的接法。更改线路后再次进行测试时，各稳压块输出的直流稳压稳定且幅值基本达到要求。ICL8038信号发生器电路测试：ICL8038信号发生器仿真成功后，接好电路板。由于稳压电路版测试时失败，不能提供稳定的+15V、-15V直流稳压，顾测试时直接接入实验室提供的直流电源 。测试时用万用表交流档测量ICL8038的2脚输出的正弦信号的大小，输出不存在，但用直流档测量时发现有直流输出幅值近13V，电路也存在问题。 断电检测电路，变阻方面ICL8038的8脚接的1K的变阻未起到变阻的作用，三端变阻任意两端的阻值不变，更换变阻；继续测试电路时情况差不多，测量稳压二极管两端电压时，电压较小，正反两端电压近正负0.8V，7V的稳压二极管未起到稳定电压的作用。更改仿真电路，去掉稳压管后调试时，输出没有影响，故去掉电路板上稳压管后继续测试，2脚输出的信号为3.57V的直流信号，且改变4、5脚及12、1脚外接的三个变阻后输出幅值有变化，分析可知，此三个变阻中12、1脚外接的两个用于输出正弦波失真度调节，对输出电压幅值存在影响，与测试结果一致，4、5脚外接的变阻用于调节波形占空比，输出电压波形幅值变化，与测试结果一致。整体测试时仍无正弦信号输出，推测是10脚外接电容（1uf）太大，输出信号频率太小。使输出趋近于直流，故更换10脚外接的电容，再次测试。测试时发现芯片各输出脚均为12V左右的直流，推测芯片损坏，更换芯片后测试，2脚输出的波形正常，频率可调，正负端正弦波形失真可调。达到项目要求！功率放大电路测试：测试由三极管组成的功率放大电路输入端电压与输出端电压，两电压值接近。串联电流表测试输入、输出端电流时，输出明显大于输入，电路实现了信号功率放大。集成运放电路测试：UA741的3脚输入端电压为3.58V，测量输出端电压较小，调节由引脚6接出的反馈输出至2脚输入端的变阻，以改变正比例放大电路放大倍数，放大输出信号的幅值。测试时运放电路可以正常工作。注意：注意调节时不要使放大倍数太大，以免使输出稳定于运放的直流工作电压15V，调试时也发现调节运放放大倍数过大后，其6脚输出的电压稳定在14.1V，造成输出的正弦波形饱和失真。输出信号整流放大电路：由于此部分电路同运放电路基本类似，整流、滤波后，运放只需实现直流放大，其调节及注意事项同集成运放电路测试部分。测试时电路可以正常工作，实现整流放大的功能。在整个设计过程中，非常感谢 老师的细心指导，对我的方案认真修改，指出方案的可行性与不足，为我的设计指明方向，省去了大量的仿真工作，并保证了设计效果。在此，再次表示感谢！在整个电路焊接过程中，感谢组员 同学的耐心配合，基本没有出现大的问题，连接正常，在修改电路时，张超也很耐心，一步一步细心走线，在文字工作部分，也严格按照格式要求仔细修改，对各项工作也提出了宝贵的建议。参考文献1 谭博学，苗汇静.集成电路原理及应用（第2版）.北京：电子工业出版社，2008.12 康华光.电子技术基础.模拟部分.北京:高等教育出版社,2006.13 白炳良，吴木端.基于ICL8038函数信号发生器的设计.电子制作，2008.34 曾祥福.电路设计protel 99及仿真. 中国铁道出版社，2000.55 Tierney, J Rader, C.M., and Gold, B. A Digital Frequency Synthesi