风力系统电压电流有效值测量设计报告.docVIP

数电课程设计报告学 院： 电气信息工程学院 专业班级： 电气（一）班 组 长： 王星辉 杨振国 组 员：唐镇环 朱雪茹 吴丹丹 刘振洋 陆露 王又鑫 李元涛 吕庆庆 师卫利 钟锋杰 包宋强 目录风力发电系统电压、电流检测电路4摘要4第一章 系统原理5第二章 直流稳压可调电源模块7第三章 电压电流衰减模块11第四章 AC-DC转换模块12第五章 数字显示模块14数字电子基础章节仿真实验19第一章（略）19第二章 逻辑代数基础19第三章 门电路22第四章 组合逻辑电路23第五章 触发器31第六章 时序逻辑电路331） 仿真电路332）电路分析343）电路设计36风力发电系统电压、电流检测电路摘要数字电子技术课程设计是继模拟数字电子技术基础理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，让学生综合运用数字电子技术知识，进行实际数字电子系统的设计、安装和调测，利用multisim等相关软件进行电路设计，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，让学生了解数字电子技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势。为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。本课程设计的思路是将交流信号经过电阻分压后送至由TL062和电容、电阻组成的AC-DC转换模块，将直流信号送至ICL7107译码器驱动数码管显示，完成交流电压有效值的测量。关键词：电阻分压、TL062、ICL7107、交直流转换、有效值测量、模数转换第1章 系统原理整体框架图：数码管显示模数转换测量有效值衰减三相电中其中一相AC220V变压5V直流电源滤波稳压整流5V直流电源 风力发电有效值测量图1.1 系统原理图首先是对220V的高压进行变压，变压器的具体的匝比要根据下级的电路来确定。变压之后的电流仍然为交流，在通过整流电路后，变为脉冲直流。滤波电路可以消除脉冲，但是输出的直流电压仍不稳定。最后，通过稳压电路，使得电压的稳定性大大提高，整个过程如图1.1。第二章 直流稳压可调电源模块 设计图2.1为采用7805设计的直流稳压源。该稳压源可稳定输出+5V电压电路简单，应用广泛。该稳压源由以下五部分组成。(1) 降压：通过变压器将输入的220V，50HZ交流电降为+5V输出。(2) 整流：通过桥式整流电路，将输入的交流电压信号变为脉动信号。(3) 滤波：通过C1及C2等滤波电容将输入的电压信号转变为波形更为平缓的电压信号。(4) 稳压：通过集成稳压芯片7805将不稳定的电压信号变为稳定的直流电压。将220V交流电压转化为5V直流电压，因为后面的测量仪需在低电平下工作。图2-1 直流稳压电源电路降压、整流、滤波、稳压后的电压波形如图所示：图2-2220V AC-9V AC-9V DC-5V DC(1) 进行交直流转换对输出值进行纠正：图2-3输入几组数据进行测量50赫兹200mv 100mv 50mv图2-4理论值：142mv图2-5理论值：71mv图2-6 理论值：35mv 由此可判断其测量值和理论值误差在允许的范围内。（3）此电路只能测量200mv以下的电压值，因此需要增加一个衰减电路模型第三章 电压电流衰减模块由于AC-DC模块的输入电压为200mV，而题目要求的测量电压是V=220V，因此要对输入电压进行衰减。此处采用了电阻分压的方式对电压进行衰减，同时设计参数，使模块能输入200mV2000V范围内的电压。 图3-1电压衰减电路 图3-2 电流衰减电路第四章 AC-DC转换模块方案一：随着集成电路的迅速发展 , 近年来出现了各种真有效值 AC/ DC 转换器。美国 AD 公司的AD736是其中非常典型的一种。AD736 是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC 转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为 200mVRMS) 、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达 0460kHz) 、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低(最大的电源工作电流为 200A。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过 0. 3 %。但经查询，AD736集成芯片的成本较高，因此设计电路未采取此套方案。方案二：单门限比较器由于受正负电源的限制，输出电压为VoVcc，当输入信号ViVr输出高电平Voh=+Vcc。由于需要多个电压比较器，故选用集成运放LM324，内含四个理想运算放大器图4-1 比较器由于采用四个运放连线较为复杂，且不能准确地输出交流电压的有效值，故设计电路不采用此套方案。方案三：用TL062和电容电阻构成积分运算电路。从输入端输入交流信号，经过运算电路输出直流信号。且该信号与交流有效值成线性关系，参数设置得当，即可得到输出信号等于输入交流信号的有效值。图4-2 AC-DC转换模块本电路中，输入的是 0200.0mV 的交流信号，输出的是 0200.0mV 的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC- DC 的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有 2mV 左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。第五章 数字显示模块方案一 运用ICL7107拥有强大的直流电压数字显示功能，所需外围电路少，而且显示稳定精确。本次设计直接使用ICL7107,配合四位七段共阳数码管构成有效值测量电路的显示部分。将经过衰减、AC-DC转换后的信号电压输入到显示模块，电路的数码管便会显示相应的数值。如果原始输入电压经过N倍衰减，那么将得到的数值乘以N(单位为mV)变为所测交流电压的有效值。显示模块使用了ICL7107集成芯片。ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV的专用芯片。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出积分电容可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分。芯片第一脚是供电，正确电压是DC+5V 。第36脚是基准电压，正确数值是 100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在3V至5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入199.9mV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF电容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V2.8V为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。这个电压，最好是在3.2V到4.2V之间ICL7107也经常使用在1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在1.999V量程了。 因为在multisim中不存在该器件，所以放弃该方案。图5-1 ICL7107连接图方案二 用单片机和ADC0808组合驱动数码管显示由于该电路在multisim中无法实现，况且还需要一定的单片机编程知识，所以短时间内无法完成。（3） 数字显示模块Icl7107拥有强大的直流电压数字显示功能，所需外围电路比较少，而且显示比较稳定ICL7107拥有强大的直流电压数字显示功能，所需外围电路少，而且显示稳定精确。本次设计直接使用ICL7107,配合四位七段共阳数码管构成有效值测量电路的显示部分。将经过衰减、AC-DC转换后的信号电压输入到显示模块，电路的数码管便会显示相应的数值。如果原始输入电压经过N倍衰减，那么将得到的数值乘以N(单位为mV)变为所测交流电压的有效值。显示模块使用了ICL7107集成芯片。ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV的专用芯片。该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出积分电容可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分。芯片第一脚是供电，正确电压是DC+5V 。第36脚是基准电压，正确数值是 100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在3V至5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入199.9mV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。图5.2数模转换模块：图5,3数字电子基础章节仿真实验第一章（略）第2章 逻辑代数基础逻辑代数部分是数字电子技术的基础，而逻辑函数的表示则是其中的 重点。逻辑函数可以用逻辑函数表达式、真值表和逻辑电路图等多种方式表示，在实际应用中视情况而定。1.逻辑函数的化简与变换 逻辑函数转换仪无法直接化简逻辑函数，而是先将逻辑函数表达式转化成对应的真值表，然后再有其真值表转化成化简后的最简函数表达式。例：已知逻辑函数表达式F=AC+AB+BC,求其最简逻辑函数表达式。先将逻辑函数表达式写入逻辑函数转换仪面板上，得到对应的真值表，如下图2.1。图2.1再按下逻辑转换仪面板上的“由真值表到最简表达式”按钮，即可得到，如下图 得到最终结果F=AB+BC2.由逻辑函数图求真值表和最简表达式 将该逻辑电路的输入和输出端分别接到逻辑转换仪的输入、输出端按钮上，如下图。然后按下“由电路图转换为真值表”按钮，再按下“由真值表转换为最简表达式”按钮，即可得到所求的最简的逻辑函数表达式。图2.2图2.3第3章 门电路 门电路是对脉冲信号起开关作用，用以一些基本的逻辑关系的电路。常用的门电路分别为与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非、异或门、同或门等。1、 与门仿真实验逻辑函数表达式F=AB图3.12、 与非门仿真实验图3.2逻辑函数表达式：F=(AB)A) (AB)B)第4章 组合逻辑电路 在组合逻辑电路中，任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的历史状态无关。在许多情况下逻辑图不能直观表达逻辑功能，往往需要把它转化为逻辑函数式或真值表，以便更直观明显的表示电路的逻辑功能。一、用Multisim分析图所示的逻辑电路，找出电路的逻辑函数式和真值表。8选1数据选择器74HC151的逻辑图和逻辑函数式见图4.1。图4.1解：Multisim仿真如下：图4.2点击逻辑转换器图标，便弹出下面的操作窗口，设置Y的状态，点击有真值表到最简逻辑函数式，即可得到化简后表达式：Y=BD+ABD+BC。如下图4.3：图4.3若用计算法则：Y=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD =BD+ABD+BC计算结果和仿真结果相同。二、常用组合逻辑电路的仿真1.译码器的仿真测试 二进制译码器的输入是一组二进制代码，输出是一组与输入代码一一对应的高低电平信号。 如74LS138和苏茹二进制代码共有八种状态，译码器将每一个输入代码已成对应的一根输出线上的高低点频信号。因此，也将这个译码器成为3线-8线译码器。工作分析 假定电源电压vcc=5v，输入信号的高低分别为3v和0v，二极管的导通压降为0.7v。当A2、A1、A0为0v对应均为3v。这是只有Y0输出高电平3.7v，其余输出均为低电平0.7v,于是输入的000代码译成了Y0端的高电平信号。图4.4仿真效果如下图4.5：图4.5 仿真结果看出，符合译码器的逻辑功能。2、竞争冒险现象及消除现象的仿真分析 前面分析组合逻辑电路时，都没有考虑延迟时间对电路产生的影响。竞争冒险现象在由门电路组成的组合逻辑电路中，输入信号的变化传输到电路各级门电路时，由于门电路存在传输延时时间和信号状态变化的速度不一致等原因，使信号的变化出现快慢的差异，这种先后所形成的时差称为竞争。竞争的结果是使输出端可能出现错误信号，这种现象叫做冒险。有竞争不一定有冒险，但有冒险一定存在竞争。 代入法识别竞争冒险 输入逻辑变量每次改变一个状态，通过函数式来判断电路是否存在竞争冒险。 假如输出端门电路的输入是A和（A逆）经过不同门电路的传输，由于不同门电路存在传输延迟时间，当A状态突变时，输出端必然存在竞争冒险，因此只要输出函数在一定条件下出现Y=A+(A逆）或Y=A(A逆)的形式，就可以判定该电路存在竞争冒险。例如下电路4.6：图4.6仿真如图4.7：图4.7竞争冒险的消除（1） 引入封锁脉冲 再输入信号状态转换的时间里，把可能产生间断脉冲的门电路封锁。（2） 引入滤波脉冲（3） 接滤波电容 因为尖峰脉冲一般很窄，在门的输出端冰洁一直几百皮法的电容，就可以把尖峰脉冲的幅度削弱到门电路的阀值以下。（4） 修改设计 举例说如下所示电路中，将函数式Y=AB+A（逆）C增加冗余项BC,变换函数式，那么当B=C=1是，无论A如何改变，Y始终为1，不会因A 的改变引起竞争冒险。 电路的修改在不改变原来逻辑关系的基础上，参照修改后的逻辑表达式，对原逻辑电路进行修改，以达到增加冗余项消除竞争冒险的目的，改进后电路如图4.8：图4.8图4.9仿真分析总结：理论上的审计和实际中的应用时有区别的，竞争冒险的讨论以及竞争冒险的消除就是为了解决实际应用中出现的问题的，所以，电路走向应用的关键一步就是竞争冒险的分析。仿真应用的出现不能解决所有的问题，最终的解决办法还是在实际电路中的调试，因为元器件的稳定性是不能预料到的，还是一切以实际应用为目的仿真帮助解决问题。第5章 触发器概述 具有记忆功能，能够存储一位二进制数字信号的基本逻辑单元的电路叫触发器，是时序逻辑电路的基本单元。它有两种工作状态，0和1.当外加不同的出发信号时，可以把它置成1或0状态。根据是否有时钟信号的输入，可以把触发器分为时钟触发器和基本触发器两大类。不同的触发器有不同的逻辑功能，常有的触发器有RS触发器、JK触发器、D触发器、T触发器等。例： JK触发器的仿真实验 靠时钟CLK脉冲上升沿或下降沿进行触发的边沿触发器，JK触发器就是边沿触发器的一种。在市场上较为常见的一种触发器。JK触发器的逻辑功能是，当时钟信号到来时若J=0，K=0输出Q*=Q;若J=1，K=0，输出Q*=1,功能是置1；若J=0，K=1，输出Q*=0，功能是置0；若J=1，K=1，输出Q*=Q,功能是反转。 下图5.1中J=K=1，实现了反转的逻辑功能。图5.1图5.2JK触发器的功能表如下图图5.3第6章 时序逻辑电路【例1】试利用同步十进制计数器74160接成同步六进制计数器。采用异步至零接成六进制计数器。当计数器计成Q3Q2Q1Q0=0110状态时，担任译码器的门G输出低电平信号给CLR端，将计数器置零，回到0000状态。1） 仿真电路图6.12）电路分析可以观察到当数字显示器达到5时小灯泡亮，证明有进位输出，因为采用的是异步置零的方式，因此在状态0110时借入置零段，因为0110状态只是暂态，数字显示器瞬间显示；若采用同步置数法的话就应该在0101状态置数到0000或其他任意逻辑状态。【例2】下图电路是可变进制计数器，试分析当控制变量A为1和0时电路各为几进制计数器。图6.3解：这是一个可以用同步置数法接成的可控制计数器。在A=1的情况下，计数器Q3Q2Q1Q0=1011（十一）后给出LD=0信号，下一个CLK脉冲到来时计数器被置成Q3Q2Q1Q0=0000状态，所以是十二进制计数器。在A=0情况下，计数器为1001时给出LD=0信号，下一个CLK脉冲到来时计数器被置0，所以是十进制计数器。第一种，当A=0的情况下：图6.4第二种，当A=1的情况下：图6.5分析：根据图在Multisim中仿真结果如上，同分析结果一致，所以是十十二进制计数器。【例3】试用两片同步十进制计数器74160接成二十九进制计数器。解析：采用整体置数法接成的二十九进制计数器。首先仍需将两片74160接成百进制计数器。然后将电路的28状态译码产生LD=0信号，同时加到两片74160上，在下一个计数脉冲（第二十九个输入脉冲）到达时，将0000同时置入两片74160中，从而得到二十九进制计数器。进位信号可以直接由门G的输出端引出。 仿真如下：图6.6分析：在Multisim中运行结果是从0到28这二十九个数，所以是二十九进制计数器。3）电路设计 如何实现电路中不同进制的电路之间的自动转换，而不需要人为地进行控制？分析：一般而言要想做一个任意进制