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电器电子毕业设计论文
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毕业设计189计所研制的数字电压表的工作,电器电子毕业设计论文
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1 第 1 章 概 述 大家可能在平时的学习和工作中就接触过数字式交流毫伏表，它是应用非常之广泛，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，又以 电压量的测量最为经常。 现在随着社会科学水平的不断飞速发展，电子技术的发展极为迅速，日新月异。电子仪器的发展也是令人瞩目的，从而就更加 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。 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 优点， 而且还具有在一定测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从 而倍受广大厂 家和 用户 是 青睐，数字式交流毫伏表就是基于这种 社会 需求而发展起来的。 随着电子技术的不断 飞速 发展， 各种电子测量仪器日益更新，层出不穷。 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、高速度方面发展，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。 随着现代电子科技的飞速发展，各种电子产品层出不穷，种类繁多，产品的规格也是千变万化。同时各种电子产品所需求的元件规格也不尽相同 ，这样就需要用交流毫伏表来测量，以便选择更能适应产品所需规格的元件，完成各种电子产品的制造。 本设计的 数字交流毫伏表主要由输入通道、反向放大器、 AC/DC转换、 V/F转换、量程自动转换、计数器部分、秒脉冲发生器、显示部分以及电源电路组成。通过对各个模块的设计与制作，最后组装在一起，构成一个完整的交流毫伏表，并对其进行调试，测试其性能。 输入通道主要由衰减器和跟随器组成，本电压表的输入通道分为高压和低压2个部分 ；反向放大器主要是为了放大信号，因为输入信号太小就会影响其测量的准确性，为了更精确的测量较小的电压信 号就必须将小信号放大； 一般设计都需要支流信号源，所以就由 AC/DC转换电路来实现，交、直流转换是一个非常重要的环节； 其中量程自动转换的该设计的重要组成部分，也的本仪表的核心控制部分，因为其中涉及到很多内容，像量程的划分、量程的存储等； V/F 转换电路nts 2 是电压到频率的变换 ；计数部分主要是累积计数脉冲，它的电路系统中一个十分重要的逻辑部件，而显示部分就是将结果以数字方式显示出来，给人一种实在的感觉，最后就是电源部分，设计出来一个作品如果没有电源的供应就相当于一种摆设，只能好看，没有实质的意义，所设计的电源部分输出的 是稳定的直流稳压源。 当然在本论文设计时 遇到了不少的 问题， 对其工作原理不能理解，主要是我平时不认真学习所致，在设计的时候得到老师、同学及网络才得以解决 ，如在参数的选择上可以有多中不同的参数组都可以得出一样的结论，这时选择合适并方便的参数组来进行，这样可以避免很多不必要的麻烦。 nts 3 第 2 章 数 字电压表的基本原理 2.1 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 图 2.1 所示。 图 2.1 数字电压表的理框图 A/D 转换是 数 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，即可确定其电压值。 2.2 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 图 2.2 所示。 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Ui 输入电路 A/D 转换 计数器 显示器 控制器 nts 4 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。 图 2.2 工作原理图 nts 5 第 3 章 单元电路的原理及设计 3.1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 图 3.1 所示。 图 3.1 输入通道原理图 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。 3.2反相放大器的设计 3.2.1 反向放大器的工作原理 nts 6 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。这里采用反相放大器，其电路如 图 3.2 所示。 图 3.2 反相放大器工作原理图 3.2.2 反向放大器的参数计算 1 当 KA1断开， KA2连接时 Au=R1/R=1/1=1 2 当 KA1连接， KA2断开时 Au=（ R1+R2） /R=（ 1+9） /1=10 3 当 KA1、 KA2 都断开时 Au=（ R1+R2+R3） /R=（ 1+9+90） /1=100 由反相放大器放大倍 数的 幅值 Au=Uo/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。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 进行准确测量。 3.3 AC/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。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 图 3.3 所示。 nts 7 图 3.3 全波 整流电路 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 图 3.4所示。 图 3.4 二阶有源低通 滤波电路 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。 3.4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nts 8 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 图3.5 所示。 图 3.5量程自动转换的原理框图 3.4.1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 图 3.6所示。 图 3.6 模拟比较器 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 ”nts 9 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。 3.4.2 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： 500V50V 50V5V 低压部分： 5V50mV 50Mv500Mv 500mV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 表 3.1所示。其中 0和 1表示继电器的断开和闭合。 表 3.1 Au与 KA1、 KA2状态的对应关系表 量程 Au KA1 KA2 5V 50mV 1 1 0 50mV 500mV 10 0 1 500mV 以下 100 1 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 。 nts 10 3.4.3 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 。 （ 1） 74LS193芯片介绍 74LS193 是双时钟 4 位二进制同步可逆计数器 74LS193 的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端 CPU和 CPD。在 RD=0、 LD 1 的条件下，作加计数时 ,令 CPD 1,计数脉冲从 CPU输入；作减计数时，令 CPU 1，计数脉冲从 CPD输入。此外， 74LS193 还具有异步清零和异步预置数的功能。 （ 2） 74LS193芯片的管脚图 图 3.7 量程寄存器 （ 3） 74LS193功能表 表 3.2 74LS193功能表 清零 预置 时钟 预置数据输入 输 出 MR PL UCPDCPP3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 H L L L L L L A B C D A B C D L H H 加计数 L H H 减计数 （ 4） 量程寄存器的工作原理 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nts 11 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 表 3.3所示。 表 3.3 输入与量程寄存器的关系表 Ui CP+ CP- 量程转换 计数方式 5V CP 1 升量程 加计数 2/3VCC 1/3VCC 低 导通 1 1/3VCC 不变 不变 1 2/3VCC =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%）。 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。 nts 24 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。 图 3.18 电源电路图 nts 25 第 4 章 整机的组装与调试 4.1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。 4.2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。 4.3 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。 4.4 改进方案 nts 26 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。 nts 27 结束语 我这次毕业设计做的是 数字式交流毫伏表 ， 主要 设计技术要求 是： 1、 输入分为高压（ 500V 5V）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 ； 2、可以实现量程自动转换 ； 3、最大分辨率为 0.01mV。 设计的数字交流毫伏表主要由输入通道、反向放大器、 AC/DC 转换、 V/F转换、量程自动转换、计数器部分、秒脉冲发生器、显示部分以及电源电路组成。通过对各个模块的设计与制作，最后组装在一起，构成一个完整的交流毫伏表，并对其进行调试，测试其性能。 本设计所研制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 ， 是一种通用型智能化的全自动 数字交流毫伏表 。 该电压表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，还具有读数准确方便， 测量精度高 ，误差小，灵敏度和分辨率高，测量速度快 ,输入阻抗高 ,频率影响误差小等 优点 。虽然有很多优点，但同时也存在一定的缺陷，其主要表现在 自动量程转换 的功能实现不 太理想。 nts 28 参考文献 1 阎石 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