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一级电阻分选电路设计——电压转换器,一级,电阻,分选,电路设计,电压,转换器
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课程设计说明书 第 24页 一级电阻分选电路设计 电压转换器 摘 要随着全球科技迅速发展，微电子技术、计算机技术、软件技术的高速发展，越来越多的电子科技走进人们的是日常生活中，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构也不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的因此在众多的努力下，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，以便于更多的方便人们生活。本文主要设计了双限比较器，详细阐述电路原理和主要参数如门限电压、传输特性，并分析了两个输出端的输出信号的电平取值。此外，在附录中也给出了电源电路的分析（包括桥式整流、滤波、三态稳压器的稳压电路），另外，也分析了窗口比较器、发光二极管组成的显示电路的工作原理和LM324等器件。本装置的设计构思巧妙，其结构简单、控制可靠、引脚数量少、使用方便，具有很高的控制灵敏度，又不易产生误动作。在做一般控制时，不需另加控制电源，与外部设备配合使用时，具有良好的隔离性，因而它具有很高的使用价值。最后，本文将介绍元件的选用和系统调试工作，讲述系统电路部分所用的电子元件的基本工作原理，并会对实验的结果进行说明。整体设计遵循硬件工程的方法，经过需求分析、总体设计、安装调试、模块测试和系统实现几个阶段。关键词：电压转换器、稳压器、LM324四运放、滤波 目 录1 绪论. .51.1 课题背景及目的 .51.2 国内外研究状况.51.3 课题研究方法.51.4 论文构成及研究内容.62 系统方框图及工作原理.72.1 系统框图.7 2.2 电压跟随器.7 2.2.1 电压跟随器作用及功能.7 2.2.2 电压跟随器结构图及原理.8 2.2.3 电压比较器103 电路总图.174 结论.185 致谢.196 参考文献.207 附录.211 绪论1.1 课题背景及目的 21世纪以来，科学技术，尤其是计算机网络技术、电子信息技术的飞速发展，科学技术已经深深的影响着我们的日常生活，在经济社会发展扮演着不可或缺的角色。特别是人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化,逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器智能型仪器。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。因此在科学高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活和生产更好为有效的产品，已经成为人们研究的主要趋势。1.2国内外研究状况随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国内外的电阻测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。为了研究体积更小、功能强大、便于携带的电阻测试仪，充分利用现代集成电路技术，研究了基于LM324的简便电阻测试仪，人机操作友好、准确方便，具有十分重要的意义。1.3课题研究方法系统测试原理与总体方案设计电阻测试原理：电阻阻值的测量方法主要有开关接触(m)式、数字式直流式和继电器触点接触式。目前，大多数电阻测试仪采用数字式直流法，测试精度高、速度快。本设计没有采用以上方法，而是采用了更先进的“阻抗变换+比较”的方法，充分利用了现代集成芯片技术，体现了方便快捷的优势将被测元件与标准电阻串联，经门限电压和窗口比较器的共同作用输出高低两种电平，经LED灯状态显示，可以快捷挑选出一级电阻。串联分压电路：设串联电路中被测元件的阻值为 ，标准电阻为 ，则电路测量情况为：若（10.05）时， A2输出高电平，LED1红灯发光； A3输出高电平，LED3黄灯不发光。若（10.05）时， A2输出低电平，LED1红灯不发光； A3输出低电平，LED3黄灯发光。 若0.95（1+0.05）时，LED1和LED3均不发光，LED2绿灯发光，表示为一级电阻。根据上面三个式子，只要选定门限电压、测试的标准电阻 ，由窗口比较器对电信号进行比较，就可以准确、快速检测出一级电阻。采用该方案，根据门限电压与阻值的关系，求出门限电压和比较电阻的阻值。经窗口比较器输出两个不同电平，即高电平和低电平。两个不同电平经窗口比较器送出电信号导通相应发光二极管发光，即可分选出一级电阻。该方案思路清晰、硬件电路简洁，可以充分发挥现代集成电路的信号处理功能，和我们的设计要求相吻合。1.4论文构成及研究内容1、论文构成包括封面,扉页,中文摘要,目录,正文,致谢,参考文献,附录九部分。2. 研究的内容： （1）电压跟随器的设计； （2）检测电路模板的设计； （3）硬件系统的设计。2 系统方框图及工作原理2.1系统框图图1系统方框图整个系统由如图1所示主要部分组成，其中电压比较器又分为过零比较器，单线比较器，滞回比较器，集成电压比较器，将被测元件与标准电阻串联分压，经电压跟随器在门限电压和窗口比较器的共同作用下输出高低两种电平，再由LED等显示。由LED灯的状态显示就可以方便快捷挑地选出一级电阻。硬件电路主要包括电源电路和电阻阻值选择电路2.2 电压跟随器 221电压跟随器作用及功能 电压跟随器是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同，即输入电压与输出电压同相。这一电路的主要特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1电压跟随器有很多作用，实际上它的名称没有突出它的主要特性，就是电流放大。功放机通常前级都是通过高增益的运放将信号电压放大，后级使用电压跟随器来放大电流，这样就可以使输出的信号既达到需要的电压，又有足够的电流来推动扬声器了。在输入级，有时一个信号要被分配到多个下级输入上，但是前一级的输出能力有限，这时就可以使用跟随器，保持信号电压不变的情况下增加它的输出电流，以达到驱动多个后级电路的目的。 222电压跟随器结构图及其原理图2电压跟随器结构图在图2中，输入电压接至同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压通过电阻仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻接地。为了使集成运放输入端和同相输入端对地的电阻一致，的阻值仍应为： 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图2中，根据“虚短”和“虚断”的特点可知，,故且 而且 由以上二式可得 则同相比例运算电路的电压放大倍数为 由于引入了电压串联负反馈，因此能够提高输入电阻，而且提高的程度与反馈深度有关。在理想运放条件下，即认为，则同相比例运算电路的输入电阻，当考虑， 的一般情况时，经过分析可知，同相比例运算电路的输入电阻为 式中和分别是集成运放的开环差模电压增益和差模输入电阻，是反馈系数，在本电路中 图3同相比例运算电路由式可知，同相比例运算电路的电压放大倍数总是大于式等于1。当或时，此时电路如图所示。由图3可得， 由于“虚短”，即，故 则电压放大倍数为 由于这种电路的输出电压与输入电压有公幅值相等，而且相位也相同，二者之间是一种“跟随”关系，所以又称为电压跟随器。2.2.3 电压比较器2.2.3.1电压比较器简介电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平；电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。可用作电压比较器的芯片：所有的运算放大器。常见的有LM324 LM358 uA741 TL081234 OP07 OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。2.2.3.2 过零比较器过零比较器,顾名思义,其阈值电压UT=0V。电路如图4（a）所示,集成运放工作在开环状态,其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压uI0V时,UO=-UOM。因此,电压传输特性如图(b)所示图4过零比较器及其电压传输特性为了限制集成运放的差模输入电压,保护其输入级,可加二极管限幅电路。在实用电路中为了满足负载的需要,常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路,从而获得合适的UOH和UOL,两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压UOM。设稳压管DZ1的稳定电压为UZ1,稳压管DZ2的稳定电压为UZ2,UZ1和UZ2的正向导通电压均为UD。当uI0时,由于集成运放的输出电压u/O=-UOM,DZ2使工作在稳压状态,DZ1工作在正向导通状态,所以输出电压u O=UOL=-（UZ2+UD） 两只稳压管稳压值相同 若要求,UZ1=UZ2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管,其符号如图(b)所示,稳定电压标为UZ。 当uI0时,u O=UOL=-UZ。 稳压管接在反馈通路中 限幅电路的稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间,如右图所示。假设稳压管截止,则集成运放必然工作在开环状态,输出电压不是+UOM,就是-UOM。这样,必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态,DZ构成负反馈通路,使反相输入端为“虚地”,限流电阻上的电流iR等于稳压管的电流iZ,输出电压u O=UZ。电路优点： 由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零,从而保护了输入级; 由于集成运放并没有工作到非线性区,因而在输入电压过零时,其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区,或从饱和区逐渐进入截止区,所以提高了输出电压的变化2.2.3.3 单限比较器图5a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压UinUr， 输出为高电平UOH。图1b为其传输特性。图5单限比较器及其特性LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。2.2.3.4 滞回比较器电路有两个阀值电压，输人电压U1，从小变大过程中使输出电压UO产生跃变的阀值电压UTI，不等于uI从大变小过程中使输出电压UO产生跃变的阀值电压UT2电路具有滞回特性。它与单限比较器的相同之处在于：单输人电压向单一方向变化时，输出电压只跃变一次。图6所示是某滞回比较器的电压传输特性。在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如图6所示，滞回比较器电路中引人了正反馈图6滞回比较器电路传输特性从集成运放输出端的限幅电路可以看出，UOUZ。集成运放反相输人端电位UPUI同相输入端电位输出电压在输人电压u，等于阀值电压时是如何变化的呢？假设uI+UT，那么UN一定大于uP，因而UO-UZ，所以uP-UT。只有当输人电压UI减小到-UT，再减小一个无穷小量时，输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。可见，UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的，电压传输特性如图7b所示图7滞回比较器电路图及其电压传输特性从电压传输特性上可以看出，当-UTuI+UT时，UO可能是-UT，也可能是+UT。如果uI是从小于-UT，的值逐渐增大到-UTuI+UT，那么UO应为+UT；如果uI从大于+UT的值逐渐减小到-UTuI+UT，那么应为-UT。曲线具有方向性，如图7b所示。实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电压足够大时，输出电压UO才为UZ。UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中，随着uI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引人了正反馈，加快了UO的转换速度。例如，当UO+UZ、uP=+UT时，只要uI略大于+UT足以引起UO的下降，即会产生如下的正反馈过程：UO的下降导致uP下降，而UP的下降又使得UO进一步下降，反馈的结果使UO迅速变为UT，从而获得较为理想的电压传输特性。2.2.3.5 双限比较器 图8电路由两个lm339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压uin位于门限电压之间时（ur1uinur2或uinur1）输出为低电位（uo=uol），窗口电压u=ur2-ur1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。图8双限比较器综上所述，对同相比例运算电路可以得到以下几点结论： 同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为，所以不存在“虚地”现象，在选用集成运放时要考虑到其输入端可能具有较高的共模输入电压。 电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正成，且相位相同。也就是说，电路实现了同相比例运算。也只取决于电阻和之比，而与集成运放的内部参数无关，所以比例运算的精度和稳定性主要取决于和的精确度和稳定度。一般情况下，值恒大于是。当或时，这种电路称为电压跟随器。 同于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入电阻很高，输出电阻很低3 电路总图图9 电路总图本设计主要用LM324、W7805、W7905、整流桥电路、阻抗变换等集成电路，将220V市交流电经变压器、桥式整流电路、滤波电路、三端稳压器W7805，W7905转化为本设计需要的双+/-5V直流电。将被测元件与标准电阻串联分压，经电压跟随器在门限电压和窗口比较器的共同作用下输出高低两种电平，再由LED等显示。由LED灯的状态显示就可以方便快捷挑地选出一级电阻。4 结 论综上所述，设计要以学习理论、教授理论和认知理论为指导；根据实际的操作，遵循电路设计基本原则和要求；选择适用的集成电路，合理的选择、呈现或建构学科知识点与实际电路，在整个设计过程中贯彻以认真为本，并耐心向老师请教，勤于动脑动手，充分发挥自己的主观能动作用。做一行爱一行，希望自己今后能在电子方面有很好的发展。5 致 谢本次关于一级电阻分选电路的课程设计在吴显鼎教授和其他辅导老师的精心指导下才得以顺利完成，通过这次课程设计使我把大学几年来所学的理论知识转化为实际应用，提高了自己的思考能力，动手能力,增强了团队协作意识,激发了创新意识。感谢学校领导，能给我提供充足的时间，得以我的课程设计和论文才能顺利完成。感谢我们组的其他成员，能在课程设计过程中，遇到问题时，能相互合作，集中精力共同解决，才使课程设计得意顺利进展下去。6 参考文献1 孙建民传感器技术M北京:清华大学出版社,20052 余孟尝.数字电子技术基础简明教程M北京:高等教育出版社,1999. 3 闫石数字电子技术基础M北京: 高等教育出版社,19894 康华光.数字电子技术基础M .北京：佳华电子学教研室高教出版社，1998. 5 吴显鼎集成电子电子线路设计手冊M福州:福建科技出版社,20036 邱关源电路M北京: 高等教育出版社,19857 谈世哲电路设计与制版Protel98 M北京:人民邮电出版社,19988 王俊峰电工电子技术实验教程M郑州：黄河水利出版社，20019 杨素行模拟电子技术简明教材M北京:高等教育出版社,1998 10江晓安模拟电子技术M 西安:西安电子科技大学,2002 11PaulR.Gray,Paul J.Hurst,Stephen H.Lewis,Robert G.Meyer(美).Analysis and Design of Analog Integrated Gircuits,Fourth Edition M.John Wiley & sons,Inc,200512Behzad Razavi(美).Design of Analog CMOS Integrated Circuits M. McGraw-Hill ,20077 附 录7.3电源电路的组成及其工作原理7.3.1 电路组成图10电源电路结构图7.3.2电源变压器变压器技术参数对不同类型的变压器都有相应的技术要求，可用相应的技术参数表示.如电源变压器的主要技述参数有：额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能，对于一般低频变压器的主要技述参数是：变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽和静电屏蔽、效率等7.3.3 单相桥式整流整流电路的作用是利用具有单方向导电性能的整流元件将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，但是这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压差得很远。本电路应用一组副边线圈的变压器, 达到全波整流的目的。电路种采用了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。在U2的正半周内，二极管VD1,VD2导通，VD3,VD4截止；U2负半周时，VD3,VD4导电，VD1,VD2截止。正，负半周均有电流流过负载电阻RL，而且无论在正半周还是负半周，流过RL的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提高，脉冲成分被降低7.3.4滤波电路从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。电容滤波电路:图11滤波电路7.3.5 三端稳压 W7805三端稳压器，集成串联型稳压电路有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器。按功能分类：固定式稳压电路：输出电压不能进行调节，为固定值可调式稳压电路：通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。W7805为固定式稳压电路，其输出电压有5V，最后两位数表示输出电压值。W7805，表示输出电压为5V、最大输出电流为1.5A；W7905，表示输出电压为5V、最大输出电流为1.5A；图12 W7805三端稳压器7.4电阻阻值选择电路及原理原理图如下:图13 电阻选择电路本
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