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一级电阻分选电路设计,毕业设计
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第 I 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 nts课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 绪论 . .5 1.1 课题背景及目的 . 5 1.2 国内外研究状况 . . 5 1.3 课题研究方法 . . 5 1.4 论文构成及研究内容 . 6 2 系统方框图及工作原理 .7 2.1 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 10 3 电路总图 . . 17 4 结论 . 18 5 致谢 . . 19 6 参考文献 . .20 7 附录 . . 21 nts 第 1 页 1 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nts课程设计说明书 第 2 页 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 Rx ，标准电阻为 Rn ，则电路测量情况为： 若 Rx （ 1 0.05） Rn 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 Rx （ 1 0.05） Rn 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 0.95Rn Rx （ 1+0.05） Rn 时， LED1 和 LED3 均不发光， LED2 绿灯发光， 表示 Rx 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 ； nts课程设计说明书 第 3 页 （ 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 2 2 1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nts课程设计说明书 第 4 页 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。 2 2 2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iU接至同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压0U通 过电阻FR仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻1R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，2R的阻值仍应为： 12FRR R 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， 0ii, 故且 101 FRuURR 而且 iu u u由以上二式可得 101iFR uuRR 则同相比例运算电路的电压放大倍数为 nts课程设计说明书 第 5 页 0111 Fuf u RA uR 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odA ，idA ，则同相比例运算电路的输入电阻ifR ， 当考虑odA ，idR 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 1i f o d i dR A F R式中odA和idR分别是集成运放的开环差模电压增益和差模输入电阻， F 是反馈系数，在本电路中 11FoFuRFu R R 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 0FR 或1R时， 1ufA ，此时电路如图所示。由图 3可得， Iuu ouu 由于 “虚短”，即 uu，故 nts课程设计说明书 第 6 页 oIuu则电压放大倍数为 1oufIuAu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 nts课程设计说明书 第 7 页 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nts课程设计说明书 第 8 页 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nts课程设计说明书 第 9 页 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， UO UZ 。集成运放反相输人端电位UP UI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 -UT uI +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 -UTur2 或 uinURL，电阻 R1， R2 和稳压管 DZ构成限幅电路。 工作原理： 当输入电压 uIURH
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