高精度电压电流变换器

辽宁工业大学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目高精度电压电流变换器院（系）电气工程学院专业班级学号学生姓名指导教师（签字）起止时间课程设计（论文）任务及评语院（系）电子与信息工程学院教研室电子信息教研室注成绩平时20论文质量60答辩20以百分制计算学号100303112学生姓名王鹏专业班级电气104课程设计题目高精度电压电流变换器课程设计（论文）任务设计任务1现设计并制作能高精度电压电流变换器。2设计电路所需的直流稳压电源。3电压010V，电流420MA设计要求1分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）2、确定高精度电压电流变换器系统接线图。（2天）3、建立高精度电压电流变换器各个环节的传递函数及框图。（2天）4、绘制传递函数框图，并在空载点对传递函数进行线性化。（2天）5、对系统进行仿真，确定PID控制参数，分析系统性能。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时论文质量答辩总成绩指导教师签字年月日摘要高精度电压电流变换器，是一种简易调整电压电流的高精度设备。该变换器采用集成运算放大器将电压信号放大，再用调整匹配电路将电压信号，通过负载形式转变成电流信号，最终将电流信号大小通过电流表形式体现。高精度电压电流变换器，具有精度高，稳定性强的特点，因此，在设计的电路中，需要充分考虑各元器件的参数。运算放大器作为放大电压的媒介，其增益稳定性也要考虑充分。该电路设计采用EWB10仿真，以达到对电路性能的检测，以及电路的调试。同时，对电路的系统化和单元化进行改良。关键词电压电流变换、放大器、信号稳定性、系统化目录绪论1第1章高精度电压电流变换器设计方案论证211高精度电压电流变换器的应用意义212高精度电压电流变换器设计的要求及技术指标213设计方案论证214总体设计方案框图及分析3第2章高精度电压电流变换器原理电路设计及分析421高精度电压电流变换器作用和曲线分析422高精度电压电流变换器基本电路设计423直流稳压电源简易设计及分析5第3章高精度电压电流变换器整体电路设计831整体电路图及工作原理832电路参数计算933整机电路性能分析9第4章设计总结10参考文献11附录总电路图12附录器件清单13绪论随着信息产业和信息技术的快速发展，高效快节奏的生活愈发凸显出其优势。但由于种种原因，信号的传输都将产生一定量的衰减和缺失，为了避免或最大程度的减小这种衰减，我们设计出了电压电流变换器。现今信息产业极大地推动了我国的科学技术的发展，正成为国民经济的支柱产业。在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号输出时,一般是以电压输出。在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,为了避免信号在传输过程中的衰减,因此工业中,经常能以电流方式配接。本文设置几个运算放大器以及有关元件一起组成差动放大器。放大倍数在一定范围内连续可调。从复合管的发射极取出信号给前面的放大器以负反馈，不仅提高了输出电流的稳定性，而且抑制了共模信号对输出的影响。本文通过对电路的设计、论证以及分析，将电压电流变换实现了可能，从而极大的减小了信号的衰减和损失。高精度电压电流变换器是一种将电压信号转换为电流信号的简要仪器，主要有信号输入端、集成运算放大器、调整处理匹配电路、输出部分和电源部分，其核心是调整处理电路。通过复合管的发射极取出信号给前面的放大器以负反馈来稳定的输出信号。第1章高精度电压电流变换器设计方案论证11高精度电压电流变换器的应用意义在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号输出时,一般是以电压输出。在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,使传输线路抗干扰性能降低,易受外界干扰,信号传输不稳定,这样在长距离传输模拟信号时,不能用电压输出方式,而把电压输出转换成电流输出。另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。VI转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输。12高精度电压电流变换器设计的要求及技术指标根据设计要求，有如下设计任务1设计并制作能高精度电压电流变换器。2设计电路所需的直流稳压电源。3电压010V，电流420MA对于一些微弱的电压信号例如来自传感器,实现远距离传输比较困难如能将电压转变为电流信号后在进行长线传输,可得很好得性能。13设计方案论证本次课设高精度的电压电流变换器中，设置几个运算放大器以及有关元件一起组成差动放大器。这个放大器的共模和差模输入阻抗高达一定的欧数。如果运算放大器经过选配，还可以获得很低的温度漂移和很强的共模抑制能力。放大倍数在一定范围内连续可调。从复合管的发射极取出信号给前面的放大器以负反馈，不仅提高了输出电流的稳定性，而且抑制了共模信号对输出的影响。采用了符合管结构能提供很大的负载电流，负载既可以接地，也可以浮动，也能带多个负载同时工作。该电路温漂小，有效高的共模抑制及电源抑制能力。14总体设计方案框图及分析首先从电路输入端输入电路所需的直流稳压电源,这里取010V。集成运放对电压的转换电流起到了毋疑置疑的作用,然后在经过部分调整就可以得到我们期待的电流值。但是其中有较大的误差，因此，不使用集成运放设计高精度电压电流变换器。图11设计原理图12运放式电压电流变换器电路输入所需电压010V集成运算放大器调整处理匹配电路输出所需电流第2章高精度电压电流变换器原理电路设计及分析21高精度电压电流变换器作用和曲线分析这种变换器主要是在要求严格的自动化仪表中,经常需要将各种信号变换成为同意的电流信号。根据本次课设要求,其曲线如图21图21电路随电压变化关系需要注意的是把010V的电压变成420MA的电流,需要接入一个适当的电阻和放大器。这样做有以下两方面的理由首先,如果直接进行转换,则当信号电压为10V时,它就要送出20MA的电流,而在一般情况下,信号所具有的能量很弱,即内阻较高,不允许也不可能给出那么多的电流,所以要有一个输入电阻比较高,输出电阻比较低而又能给出一定电流的放大器才能解决问题。其次,用在生产现场的仪表,往往要接很长的导线,它的电阻随导线的长短而改变，因此即使每个420MA电流表的内阻都是完全相等的,在现场加上同一个电压之后,各电流表的读数也不尽相同。所以对这个放大器还要提出进一步的要求,即只要输入电压是10V,不管电表回路的总电阻如何不同在一定限度内,它的读数就应基本上为20MA。22高精度电压电流变换器基本电路设计如图22所示的是运放式电压电流变换器电路,正端输入电压UPUO负端输入电压1OSURI根据正负输入端等电压关系,可得1SOIU于是又1OSUIR若UO为可控电压源,则电压电流变换器就是可控的电流源若UO为恒压源则此变换器就是恒流源,如果RS用电感或电容代替,就可以实现积分性质的或微分性质的电压电流变换。图22运放式电压电流变换器电路23直流稳压电源简易设计及分析图23直流稳压电源设计原理本次课设需要简易设计电路所需的直流稳压电源,半电路的目的在于从50HZ、220V的交流电压中得到直流电压。电路如图23所示。当输入为220V交流电压时，首先通过变压器降至20V左右交流电压。整流部分选用了桥式整流电路，输出为18V左右的直流电压。然后是此电路在经过线性稳压电路其目的是在第一级稳压的基础上实现线形高精度稳压，降低纹波，提高电压调整率和负载调整率，最终达到题目的指标要求。原理如图24所示,在本电路中，首先输入电压在精交流输入220V50HZV电源变压器滤波电路稳压电路直流输出密稳压源上产生一个稳定的参考电压，接到由运放组成的比较电路的正端输入脚。输出电压经过电阻分压之后反馈至运放的负输入端。运放的输出电压控制三极管的发射极电压，得到所需的高度稳定的支流电压。图24整流电路图25整流电路仿真图像图26直流稳压电源仿真实验第3章高精度电压电流变换器整体电路设计31整体电路图及工作原理如图31是电压电流变换器的原理图第一级是长尾式差动放大,双端输出,以抑制零漂,第二级也是差动放大，但接成单端输出到末级大管T5的基极，再从它的发射极反馈到T2管的基极，通过稳定T5的射极电压来稳定集电极电流（通过420MA电流表）。在强反馈的作用下，输入电阻得到了提高，输出电流比较稳定，电路元器件参数改变所造成对读数的影响也大为消弱，从而使仪表的精度得到保证。运算放大器以及周围元件组成一个高精度的压控双向电流。当VC0时，运算放大器的输入也为零，达到平衡，其静态电流在RB上产生压降，给四个晶体管提供一定的偏置。当运算放大器的输入端出现差动信号时，其正负电源线上的二个电流就不相等，二者朝相反的方向变化，从而使复合管T1、T2、T3、T4的电流也朝相反的方向变化，二股电流的差值就是输出。图31电压电路变换器仿真实验一图32电压电路变换器仿真实验二32电路参数计算由于强反馈的存在，将使VIVB2VE5则为了要使V110V时IC520MA，RE510/2005K欧500欧。可选51欧的电位和500欧电阻串联。此二元件必须精密稳定且具有很小的温度系数。在无反馈时，即T2的基极接地，测得当VI1MA时，IC54MA；而当接入负反馈后，VI10V时，IC520MA，故知负反馈使放大倍数损失了1000倍。同理，精度将在原来的基础上也提高1000倍。例如在无反馈时，由于温度变化和电路参数的改变使在VI1MV时IC5由4MA下降到32MA，即下降了（432）/410020,则引入反馈后，在同样的条件下，I5将只下降（1/1000）20002。还要指出，当VI0时，我们让电流表仍有一定的微弱电流（例如4MA左右），即T8管并未完全截止。这样安排的理由是为了使反馈仍然起一定的作用，一保证有较好的线性关系。33整机电路性能分析VT1、VT2组成第一级差动放大电路，才用双端输出，以抑制零漂。VT3、VT4组成第二级差动放大电路，它以单端输出的形式接到末级放大管VT5的基极，再从它的发射极反馈放大管VT2管基极。在强负反馈的作用下，输入阻抗得到了提高，输出电流稳定，电路元件参数改变所造成的对读数的影响也最小，从而使变换器的精度得到保证。第4章设计总结通过课程设计，我了解并发很多电路原理，而且懂得了如何辨别电路中各个部分的作用。对模拟电子技术的认识得到了进一步的提高。针对模拟电子技术书本知识得到了进一步的巩固，具体化就是加深了我对模电原理的结构的理解，集成运算放大器，二极管应用，整流电路，滤波电路等。对电子电路有了深层理解，清楚过程中每一步的功能，在器件运行的实现中是十分重要的，一个好的电路设计结构在运行中能够充分的发挥,结构设计的合理性决定了这个电路机构的价值。在今后的学习中我要注意这方面，使得我对设计电路结构能有进一步的提高。经历了这次课程设计，不仅对我的学习提供了帮助，而且在意志力方面也得到了锻炼。起初自己的课本知识并不是很扎实,在拿到题目以后不知从何下手,但是在翻阅了很多书籍查阅了很多资料后，对电子电路有一定了解,才逐步的摸索出设计电路原理的方法,可能我的设计还有很多不足和不合理的地方,主要源于对电路结构的认识还不是很熟悉,对公式的掌握也有限,不过也终于完成了设计,相信没有足够的耐力和信心就很难坚持对课程设计每一步的顺利进行,所以我也为自己能坚持下去,获得了知识而感到高兴经过这次课设，学到的太多，有过许多教训，也总结了许多经验，懂得了三思而后行，学到了严谨的学习态度、永不放弃的精神，也增加了去面对更大挑战的信心和勇气。参考文献【1】华中科技大学电子技术课程组编，康光华主编。电子技术基础模拟部分。第五版。北京高等教育出版社，2006【2】浙江大学电子学教研室编，邓汉馨，郑家龙主编。模拟集成电子技术教程。北京高等教育出版社，1994【3】童诗白，徐振英编。现代电子学及应用。北京高等教育出版社，1994【4】清华大学电子学教研组孙海生，李美莺，徐振英编。电子技术基础课程设计。北京高等教育出版社，1994【5】任为民主编。电子技术基础课程设计指导。北京中央广播电视大学出版社，1995【6】张玉璞，李庆常编著。电子技术课程设计。北京北京理工大学出版社，1994【7】顾宝良编著。模拟集成电路与实用电路。北京人民邮电出版社，1989【8】曾新民，杜