课程设计（论文）-基于运算放大器的电流环设计.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书 题目：基于运算放大器的电流环设计学院（系）： 电气工程学院年级专业： 10级精仪1班学 号： 080103020098 学生姓名： 白清 指导教师： 温江涛 教师职称： 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级）08级检测1班设计题目基于运算放大器的电流环设计设计技术参数将输入的0-2.5V直流电压信号转换为4-20mA的电流信号。设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的multisim仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一，查阅资料；周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说明书；参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计2：模拟电子技术；3：电路理论4：数字电子技术指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2011年6月18日目录第一章 绪论.（4）第二章 对电流环电路的认识.（5）第三章 电流环电路的基本组成.（6） 3.1同相放大电路.（7） 3.2 达林顿管电路.（8）第四章 电流环电路的参数计算过程.（11）第五章 用multism对电路的仿真及结果分析.（12） 5.1 电流环电路仿真结果.（12）5.2 结果分析及结论.（15）第六章 心得体会.（17）参考文献第1章 绪论我的这篇课设主要是针对老师给的题目“基于运算放大器的电流环电路设计”来展开的。首先我查阅了一些资料，从中我对什么是电流环做了一些了解。电流环简单来说就是带有电流负反馈的运算放大器电路。通过老师上课第二章讲的内容我初步了解到这个设计的根本就是找到合适的运算放大器电路，最后将0-2.5V电压的幅值转换为4-20mA电流的幅值。这个就是这次课程设计的重点。本篇课设的主要内容是通过对电流环用途及优点的认识，继而设计出电流环电路的基本组成电路，最后通过multism电路仿真对设计的电路进行验证，分析误差产生的原因最后得出结论。1.1 设计内容简介根据课程设计要求，此次设计了一种基于运算放大器的电流环的设计方案，具体包括对电流环的工作原理的简单介绍，以及设计方案简要概述，根据参考资料以及设计要求具体地介阐明了电流环的参数要求，通过multisim的仿真与测试，给出了仿真数据，由此论证了该电流环的可行性。1.2 设计目的在工业使用的仪表放大器中，对信号进行调理和长线传输会有如下问题：1. 传输信号是电压信号，传输线容易受到噪声的干扰2. 传输线的分布电阻会产生电压降3. 在现场如何提供仪表放大器工作电压而应用电流传输信号能避免造成产生干扰，根据设计要求420mA的电流环中对应4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。如果传感器产生电信号（电压或电流），要将其转化成4-20mA的电流信号，可通过电压信号利用放大电路进行变化之后可以做到；如果是电流信号可以先转变成电压信号，在转变为4-20mA电流信号。第2章 对电流环电路的认识在因为之前没有对电流环做过过多的了解，只是基于课本上的理论分析，通过这次的课设题目我了解到：电流环电路一般应用于工业现场的信号传输。电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器。传感器用于测量物理参数(如压力或温度)，提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成420mA电流信号；接收器则将420mA电流转换为电压信号，ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。电流环中，信息通过电流调制信号进行传输。因为在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长传输，会产生以下问题：（1），由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线上也会产生电压降，因为传输线也能够分压；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，可以用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。420mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。所以这次课设主要就是将0-2.5V的电压转化成4-20mA的电流值。第3章 电流环电路的基本组成电流环电路主要有同相放大器电路和达林顿管电路组成，如图3.1所示。因为这次的参数要求电压是在0-2.5V，而电流是在4mA-20mA变化的，在电压为零时电流不为零。图3.1电流环电路 3.1 同相放大电路 下面就电流环电路的两个模块分别介绍一下：首先是同相放大电路。同相放大电路如图3.2所示图3.2放大求和电路3.2 达林顿管电路 达林顿管工作原理达林顿管又称复合管。它将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管。这等效于三极管的放大倍数是二者之积。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。 达林顿电路有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN. 前二种是同极性接法，后二种是异极性接法。NPN+NPN的同极性接法：B1为B，C1C2为C，E1B2接在一起，那么E2为E。这里也说一下异极性接法。以NPN+PNP为例。设前一三极管T1的三极为C1B1E1，后一三极管T2的三极为C2B2E2。达林顿管的接法应为：C1B2应接一起，E1C2应接一起。等效三极管CBE的管脚，C=E2,B=B1，E=E1(即C2）。等效三极管极性，与前一三极管相同。即为NPN型。 PNP+NPN的接法与此类同。NPN PNP 同极型达林顿三极管 NPN PNP 等效一只三极管异极型达林顿三极管达林顿管的应用 1、用于大功率开关电路、电机调速、逆变电路。2、驱动小型继电器利用CMOS电路经过达林顿管驱动高灵敏度继电器的电路，如右上图所示。虚线框内是小功率NPN达林顿管FN020。3、驱动LED智能显示屏LED智能显示屏是由微型计算机控制，以LED矩阵板作显示的系统，可用来显示各种文字及图案。该系统中的行驱动器和列驱动器均可采用高、高速低压降的达林顿管。图2是用BD683(或BD677)型中功率NPN达林顿管作为列驱动器，而用BD682(或BD678)型PNP达林顿管作行驱动器，控制88LED矩阵板上相应的行(或列)的像素发光。应注意的是，达林顿管由于内部由多只管子及电阻组成，用万用表测试时，be结的正反向阻值与普通三极管不同。对于高速达林顿管，有些管子的前级be结还反并联一只输入二极管，这时测出be结正反向电阻阻值很接近；容易误判断为坏管，这个请注意4、判断达林顿管等效为何种类型的三极管：首先看看第一只管是什么类型的，第一只管是什么类型的，那么这只达林顿管就是什么类型的，与第二只无关！更加重要的是 要看看这两只管构成的达林顿管能不能正常工作，如果工作电流冲突，则直接否定这只管！ 通过两个电路的组合可以得到图3.1的最终的传递函数。第4章 电流环电路的参数计算过程 根据同相放大电路，可计算其放大倍数A=1+R5/R2当基级输入电压为0V和一个正电压值V1时，调整达林顿管的可变电阻，使输出电流为4mA和20mA。 根据电压值 V1与输入的最大电压2.5V的比值，可计算出同相放大器的放大倍数A。从而计算出电阻参数。R1=2K 可调 R2=150 R3=10K 可调 R5=630 因此，当V=0时，V1=0，输出电流为4mA, 当V=2.5V时，V1=13V,输出电流为20mA第5章 用multism对电流环电路的测试及结果分析 5.1电流环电路仿真结果用信号发生器产生0-2.5V的电压测试中，通过调整V1的数值，用电流表测得电流在不同电压值下的数值。 表1.仿真结果数据表VI00.250.50.7511.25理论值Io45.67.28.810.412仿真值Io44.9566.6028.279.94511.623VI1.51.7522.252.5理论值Io13.615.216.818.420仿真值Io13.30414.98616.66918.35420.038实验记录如下图5.2所示，其中横轴为仪器记录时间，左数轴为电压轴记录输入电压的变化，右数轴为电流轴记录输出电路的变化，从图中可以看出输入电压为通过原点的直线，输出电流图线不通过原点。图5.2 用直流稳压源仿真的输入电压与输出电流随时间变化曲线图5.2仿真结果分析及结论将仿真的结果做出仿真值和理论值的曲线，如图5.6所示。其中横轴代表电压值的变化，纵轴代表电流的大小 。做出两条曲线，分别为理论值和仿真的曲线变化。图6. 电流随输入电压变化图像得出结论：从图上的曲线可以很直观的看出，输出的电流是随着电压的变化成正比例变化的，当电压为0是，输出电流理论值和仿真值都为4mA,当电压为2.5V时，理论值和输出值也非常的接近。两条曲线的变化趋势大体相同，验证了电路的准确性。误差分析：从上图的曲线中可以知道，理论值与仿真值还是有些许误差的，但是这是在误差允许范围内的，但是是什么原因产生的误差，我想有必要分析一下。首先，我认为在实际的仿真过程中，把电压设定到0-2.5V之间的任意值，读出的负载电压换算成电流后是有一定的误差的。其次，设定的电阻值也有可能存在误差，再次，使用的电流表的也存在一定的误差。 电流环被广泛用于需要将信息从远端传感器传输到中央处理单元，或从中心单元传输到远端传感器的工业应用。实验证明，该电路非常适合将传感器或DAC输出的电压信号转换成420mA的控制环应用，符合应用设计要求。 第6章 心得体会这次的课程设计使我得动手能力得以进一步提高，从一开始拿到题目，我对电流环的认识不是很深，只局限于书本上的知识，根本不知道电流环到底有什么用途，所以我第一天就是翻阅了一些书籍还有从网上了解了电流环的基本作用及用途，也知道了电流环的原理就是用电流去传输信号，而信号有的时候不是用电流来传输的，所以就有必要用运算放大器来设计一种满足参数要求的将电压转化成电流的测控电路系统，由此我确定了自己的设计方向，就是通过自己学的测控电路第二章的知识是可以解决的，通过进一步仔细的计算，基本上在第二天就确定了自己的电路图，我本人认为电流环电路还是很容易的，所以我也想当然的认为仿真也不会很难，但是第一次使用multism还是遇到了不少麻烦，尤其在使用什么信号发生来产生0-2.5V电压就让我苦思冥想，因为在基本的元器件里是没有随时间变化的直流电压源的，最后在老师的提示下，我用了三种信号产生的方法，第一种方法就是很直接的用固定的直流电源来修改电压大小来记录下电流表的示数变化，另外两种方法就是用锯齿波还有正弦波发生器来产生0-2.5V的电压变化，来观察负载上的电压变化，同样也得到了预期的结果。这次课设我深深的体会到光掌握课本上的知识是远远不够的，我们还应该多了解一些应用方面的知识，尤其是实际操作的能力真的很需要锻炼，这次我也学会用了两个好用的软件就是multism和visol。并且在