机电一体化毕业设计（论文）-数字交流毫伏表设计.doc

济源职业技术学院 毕 业 设 计题目 数字交流毫伏表 系别 机 电 系 专业 机电一体化 班级 姓名 学号 指导教师 日期 设计任务书设计题目数字交流毫伏表设计要求： 随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势；一是向多功能，多参数，高精度，高速度发面发展，另一个是向实用化，小型化，数字化，廉价的通用或单一用途方面发展。对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便，小型廉价的单一用途电压表。本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为500v以下，最大分辨率为0.01mv，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。该电压表还具有在一定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。设计进度要求第一周第四周 下达任务书，查阅、收集资料.第五周第六周 毕业设计大纲的撰写第六周第十二周 资料的整理及输入第十三周第十七周 毕业设计的细节化修饰指导教师（签名） 济源职业技术学院毕业设计(论文)目 录摘 要 1引 言 2关 键 词 3概 述 3工作原理 3原理设计 5电源设计 23整机调试组装 25致 谢 27参考文献 28摘 要 本设计讲述了数字交流毫伏表的应用及其工作原理，并着重讲述了其原理，同时也涉及到它的一些应用和在实际测量中的应用。 大家可能在学习实践中也接触过数字交流毫伏表，它的应用很广泛，比如在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更需要测量弱电的电压，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便，精度高，误差小，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。总的来说，电子仪器有两个方向的发展趋势；一是向多功能，多参数，高精度，高速度发面发展，另一个是向实用化，小型化，数字化，廉价的通用或单一用途方面发展。对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便，小型廉价的单一用途电压表。本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为500v以下，最大分辨率为0.01mv，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。该电压表还具有在一定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。而且随着社会的发展仪器仪表也成为了一个十分重要的行业，通过近几年的社会需求来看，社会对仪器仪表方面的人才需求在逐年增加，所以本设计也有它的突出作用，希望大家借鉴，并提出宝贵的意见，不对之处请给予指正，谢谢！关键词：集成运算放大器，三极管，电阻，二极管、概述在电量的测量中，电压，电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更需要测量弱电的电压，所以毫伏电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便，精度高，误差小，灵敏度和分辨率高，测量速度快等特点，而倍受用户青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种需求而发展起来的。二、工作原理 1.一般数字电压表的基本原理 数字电压表是利用模拟数字转换原理，将被测电压（模拟量）转换为数字量，并将测量结果以数字形式显示出来的一种电压测量仪器。因此，对于一台数字电压表来讲，除了供电电源之外，一般均可分为模拟和数字两部分。起原理框图如下图(1)所示。 ui输入电路a/d转换计数器显示器控制器模拟部分数字电压表原理框图(1)a/d转换是字电压表的核心，它将被测电压量（模拟量）转换成与之成比例的数字量。数字电压表常用的a/d转换有两种方式：一种是将模拟电压信号直接转换成二进制的数字量，这一般通过a/d转换器来完成；另一种是将模拟电压量转换成与之成比例的频率量，然后通过计数器测量出频率值，即可确定其电压。 2本设计所研制的数字电压表的工作原理同大多数数字式交流电压表一样，本表也分为模拟和数字两部分。但由于本表具有量程自动转换功能，所以它又具有不同于一般电压表的特点。本表的工作原理框图如下图(2)所示。输入通道反向放大器ac/dc转换量程自动控制电路v/f转换秒脉冲发生器显示部分计数器图(2)输入电压信号ui经过输入通道进入放大器部分，经过放大之后，由ac/dc转换为与交流电压有效值相等的直流电压。该直流电压经过v/f转换电路输出相应的频率量，然后计数器部分在秒脉冲的控制下进行计数测量，最后显示出读数，从而完成电压的测量。量程自动转换控制电路根据ac/dc转换电路输出的直流电压值决定反向放大器的放大倍数。这样，可以根据输入电压ui的大小改变放大器的放大倍数，从而使ac/dc转换电路输出的直流电压值符合v/f转换电路的输入电压范围。这也是量程自动转换的实质。工作原理框图中各部分的具体电路及工作原理将在下文中详细说明。三单元电路的原理及设计31输入通道的设计本电压表.的输入通道分为高压（500v5v）输入通道和低压(5v以下)输入通道。两个通道的切换采用人工手动切换，其原理图如下图(3)所示。图(3)可见，输入通道由衰减器和跟随器两部分组成。低压（5伏以下）输入直接进入由运算放大器构成的跟随器，而高压（500伏5伏）输入经过衰减器衰减后进入跟随器。衰减器基本分为电阻式和电容式两种。实际电路中，为了改善电路的性能，常采用阻容混合式衰减器，阻容串联或阻容并联均可。在本仪表中为了清除电阻对地的杂散电容及分布电容的影响，采用了阻容并联式衰减器，如上图所示 。为了使衰减器的衰减倍数不因电压幅值和频率的变化而变化，阻容值应满足下列条件：（c1+c2）/c1=(r1+r2)/r2;即c1r1=c2r2.该电压表需要衰减100倍的衰减器，故有（c1+c2）/c1=(r1+r2)/r2=100;且r1+r2为高压输入通道内阻。由此即可确定电阻，电容的值。输入通道是利用跟随器来提高输入阻抗信号从运放的同相端输入，其理想的输入阻抗为无穷大，实际为几十兆欧。跟随器的输入与输出波形相同且相位一致，使信号无畸变地送入测量电路。32反相放大器的设计当较小的被测电压信号送入测量电路时，为了更精确的测量它，必须将信号放大。这里采用相放大器，其电路如下图(4)所示。图 (4)由反相放大器放大倍数进行准确测量的。而量程自动切换正是利用输入电压的值控制继电器ka1,ka2的通断，从而调整放大倍数的幅值au=vo/ui=rf/r可知，当r=1k时，根据ka1,ka2的通断，rf分别取1k,10k,100k时，则放大倍数分别等于1倍，10倍，100倍。33ac/dc转换部分的设计在测量交流信号时，交，直流转换是一个非常重要的环节，交，直流电压转换一般由整流电路和滤波电路构成。 整流电路一般有无源和有源两种。其中，无源整流电路由于二极管的非线性的影响。因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图所示。和死区的存在影响测量精度。而有源整流电路则可以消除二极管的非线性和死区的影响。因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图(5)所示。图 (5)当输入信号ui处于正半周时，d2截止，u01为虚地，u01约等于零；当ui处于负半周时，d1截止，d2导通，形成负反馈。此时u01=-(r2ui)/r1，且二极管的非线性和死区不会影响输出。u01的波形为半波整流波形。u2和r3r5构成反相加法器，若取r4=2r3,则输出u02=-r5(u01+ui/2)/r3，即正弦波整流波形想加，形成全波整流输出。电容c的作用是滤波高频干扰。滤波电路一般也分为有源滤波和无源滤波。为了提高精度，本仪表采用了二阶有源低通滤波器，其电路如下图(6)所示。图(6)对于输入的全波整流信号，低通滤波器的作用是滤除其中的交流成分，只让直流成分通过。因此，将低通滤波器的截止频率定为2hz。4量程自动转换电路的设计量程自动转换是实现精密仪器自动测量的重要组成部分，也是本仪表的核心控制部分。本仪表采用的是模拟比较法量程自动转换。模拟比较法量程自动转换电路是由模拟比较器，量程寄存器，量程开关和译码器组成，其原理框图如下(7)所示。cp不足基准超出基准cp+模拟比较器量程寄存器量程开关译码器禁进uicp_禁返图 (7)（1）模拟比较器模拟比较器的作用主要是衡量输入信号ui是否处于预定的电压范围内。当ui高于“超出基准”时，则能输出进位脉冲cp+;当ui低于“不足基准”时，则能输出退位脉冲cp_。模拟比较器由两个比较器和两个或门组成，如下图所示。比较器由lm311构成，“超出基准”预定为5v，“不足基准”预定为0.5v。如果输入信号ui超过5v，则比较器lm311(1)输出低电平，脉冲cp通过“或”门输出cp+；当ui低于0.5v时，则比较器lm311(2)输出低电平，脉冲cp通过“或”门输出cp；当ui处于5v0.5v之间时，则两个比较器均输出高电平，此时既没有cp+也没有cp_输出。lm311有一个控制端s，当s=1(高电平)时，比较器处于工作状态；当s=0(低电平)时，比较器处于禁止状态，此时比较器输出为高电平。因此，当“禁进”或“禁返“信号传送过来之后，比较器将处于禁止状态，由“禁进”或“禁返”信号来控制cp+或 cp-的输出。（2）量程的划分 由于低压输入通道有运算放大器组成的电压跟随器，受该电压跟随器的限制，其输入电压有效值最高不得大于5v。因此，仪表的基本量程定为5v500mv，故比较器的上，下限电压相应为5v和0.5v。根据比较器的上，下限电压，可将仪表的量程划分为五档。其中，高压部分为两档，低压部分为三档，即高压部分：500v50v50v5v低压部分：5v500mv500mv50mv50mv以下高压输入通道输入的电压经过衰减器后衰减为5v以下的电压，即可进行低压测量。因此，只需确定低压部分三个量程的对应放大倍数即可。由前文可知，本仪表的反相放大部分有1倍，10倍和100倍三种放大倍数，而反相放大器的放大倍数au与继电器ka1,ka2的通断有密切关系。量程放大倍数au与继电器ka1,ka2状态的对应关系如下表所示。其中0和1表示继电器的断开和闭合。au与ka1、ka2状态的对应关系表 量程 au ka2 ka1 5v500mv 1 1 0 500mv50mv 10 0 1 50mv以下 100 0 0由此可见，量程的自动转换实际上可以归结为继电器ka1，ka2状态的转换（3）量程寄存器量程寄存器是量程自动转换的核心部分，它的输入信号为cp+和cp-，而它的输出则控制量程的转换。根据前面的分析，量程的顺次转换可以表示为继电器ka1,ka2状态的不同组合，也就可以表示为两位二进制数的减，加计数。因此，这里选用二进制可逆计数器74ls193作为量程寄存器，其连接电路图如下图所示。74ls193为异步二进制计数器，这里只利用它的加，减计数和qa,qb两个输出。根据其功能，当cp+有脉冲输入，cp-为高电平时，其输出qa,qb进行二进制加计数；当cp+为高电平，cp-为脉冲输入时，其输出qa,qb进行减计数；当cp+,cp-同为高电平时，其输出qa,qb保持不变。比较器输入与量程寄存器的关系如下表所示。 ui cp+cp-量程转换 计数方式5v cp1升量程 加计数=uomax+(ui-u0)min+urip+ui式中，uomax稳压电源输出最大值；（ui-u0）min集成稳压器输入输出最小电压差；urip滤波器输出电压的纹波电压值（一般取u0,(ui-uo)min之和的10%）；u电网波动引起的输入电压的变化（一般取uo，（ui-uo）min，urip之和的10%）。图 (13) 对于集成三端稳压器，当（ui-uo）min=210v时，具有较好的稳压输出特性。故滤波输出电压值：ui=15+3+1.8+1.98=22(v)。根据ui可确定变压器次级电压u2。u2=u1/(1.1-1.2) 在桥式整流电路中，变压器次级电流与滤波器输出电流的关系为：i2=(1.52)i1。取变压器的效率为80%，则变压器的容量为： p=(u2i2)/。选择容量为20 w的变压器。 因为流过桥式电路中每只整流二极管的电流为id=1/2i1max=1/2iomax，每只整流二极管承受的最大反向电压为urm=1.414u2max。 选用二极管1n4001，其参数为：id=1a,urm=100v。可见能满足要求。 一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常说rlc是其充电周期的25倍。对于桥式整流电路，滤波电容c的充电周期等于交流电源周期的一半。电容耐压值应考虑电网电压最高，负载电流最小时的情况。综合考虑滤波电容的选择，可选50v的电解电容。另外为了滤波高频干扰和改善电源的动态特性，一般在滤波电容两端并联一高频瓷片电容。电源电路的设计在这里不在细述，下面用框图(14)来说明：单脉冲产生可逆计数器d/a变换器稳压调节电路 ui uo直流稳压电源框图(14)八、整机的组装与调试1， 整机的组装根据仪表的工作原理，我们用计算机绘制了印刷电路板。本仪表电路板分为主电路板，显示板和电源板几块，各板之间采用导线和接插件相连接。 电源板必须在输入18v和9v交流电压的情况下，输出正负15v和两组正5v电源供电路中的集成电路使用，还要输出正5v和0.5v电源作为比较器的上，下限电压，另外还需要提供正2.5v标准电源供校验使用。 主电路板包括本仪表的测量通道及自动量程转换部分，其输出应是显示板的各项输入，包括v/f转换输出fo，控制小数点的信号等。 显示板主要完成计数和显示的功能，在fo，控制小数点信号的控制下，显示板应完成正确的时序并正确的显示。 印刷电路板采用光绘，制好后，将所有元件按正确的位置焊接好，最后将焊接好元件的印刷电路板组装在一起。2， 调试调试分为两步进行，先进行各部分的调试，最后再进行整机调试。调试工作的重点和难点主要在模拟电路部分。模拟电路部分的调试首先要调整各个运算放大器的调零电位器，保证各运算放大器的失调电压为零，其次再调节反相放大器的放大倍数（分别为1倍，10倍，100倍）及反相器和滤波器的直流增益数字部分的调试比较简单，只要逻辑正确，线路无误，集成电路完好，一般一次调试即可通过。3，校验 在对模拟电路粗调后，又用四位半的数字电压表对其进行了初步校验，其结果达到了最大误差不超过1%，即1级电压表的水平。仪表中使用的运算放大器直接影响到仪表的频带范围。本仪表采用最常用的，具有相位补偿功能的运算放大器，仪表的频带范围为020khz，基本达到设计要求。4，改进方案 这次毕业设计所研制的量程自动转换式数字交流毫伏表基本完成预定任务，但也存在一些问题。这里就存在的问题及改进方向加以讨论。 在豪伏表的频带宽度方面，由于采用的是运算放大器，所以频带范围仅为020khz。这只是基本达到设计要求，频带宽度还可以进一步提高。在实验中我们曾采用高速运算放大器，其带宽可达100khz而无波形畸变现象。只是由于时间仓促，没有来得及解决自激振荡问题，因而没有采用。显然，克服以上问题或选择合适的运算放大器，可使仪表的带宽达到100khz，葚至更宽。 在仪表的ac/dc转换部分，采用了运算放大器组成的有源滤波，整流电路。但随着电子技术的发展，现在真有效值交直流转换器的应用已相当广泛。例如若使用真有效值交直流转换器，当输入正弦交流电压时，其输出为真有效值直流电压，精度高，电路简单。因此，若要进一步提高表的精度，完全可以改用集成电路。致 谢 本设计得到了指导老师的大力帮助，并查阅了大量的资料，有不妥或不对之处。欢迎指正，谢谢！在此也