电压交流有效值测量电路设计仿真与实现 武汉理工

1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书模拟电子技术基础课程设计目录摘要. .11.电路方案论证与选择1.1系统基本方案.21.2各模块方案论证与选择1.2.1直流稳压可调电源模块.21.2.2电压衰减模块.21.2.3 AC-DC转换模块.4 1.2.4数字显示模块.62.电路仿真.73.焊接与调试3.1材料清单.123.2过程描述.134.参数测量及验证.145.心得体会.156.参考文献.157.实物图.16课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信12级 指导教师： 刘守军 工作单位： 信息工程学院 题 目: 电压交流有效值测量电路设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：集成运算放大器

2、、电阻、电位器、电容若干，直流电源，或自备元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器要求完成的主要任务: （1）设计任务根据要求，完成电压交流有效值测量电路的仿真设计、装配与调试，鼓励自制正弦信号发生器和稳压电源。（2）设计要求 输入电压峰值10v ，允许误差为±2，采用LED分段显示，分段区间自定，可加入音响指示； 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安

3、排：1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。 2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要模拟电子技术课程设计是继模拟电子技术基础理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，让学生综合运用模拟电子技术知识，进行实际模拟电子系统的设计、安装和调测，利用Multisim等相关软件进行电路设计，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，让学生了解模拟电子技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势。为今后从事电子技术领域的

4、工程设计打好基础。本课程设计的思路是将交流信号经过电阻分压后送至由TL062和电容、电阻组成的AC-DC转换模块，将直流信号送至ICL7107数码管显示，完成交流电压有效值的测量。关键词：电阻分压、TL062、ICL7107、交直流转换、有效值测量电子技术课程设计进度要求序号设计内容所用时间1布置任务及调研0.5天2方案确定0.5天3制作与调试1天4撰写设计报告书0.5天5答辩0.5天合 计3天1.电路方案论证与选择1.1 系统基本方案设计电路分为直流稳压电源模块、电压衰减模块、AC-DC模块、数码管显示模块，即可完成题目对交流电压有效值进行测量，并显示的设计要求。1.2 各模块方案论证与选择

5、1.2.1 直流稳压可调电源模块设计图1.1为采用7805设计的直流稳压源。该稳压源可稳定输出+5V电压，电路简单，应用广泛。该稳压源由以下五部分组成。(1)降压：通过变压器将输入的220V，50HZ交流电降为+5V输出。(2)整流：通过桥式整流电路，将输入的交流电压信号变为脉动信号。(3)滤波：通过C1及C2等滤波电容将输入的电压信号转变为波形更为平缓的电压信号。(4)稳压：通过集成稳压芯片7805将不稳定的电压信号变为稳定的直流电压。图1-1 直流稳压电源电路1.2.2 电压衰减模块由于AC-DC模块的输入电压为200mV，而题目要求的测量电压是V>10V，因此要对输入电压进行衰减。

6、此处采用了电阻分压的方式对电压进行衰减，同时设计参数，使模块能输入200mV2000V范围内的电压。图1-2 电压衰减电路采用类似的方法还可改装成测量电流和电阻的电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻，分别如图1-3和图1-4原理，此处不再做赘述。图1-3 电阻分流电路图1-4 测量电阻基准电阻电路1.2.3 AC-DC转换模块方案一：随着集成电路的迅速发展，近年来出现了各种真有效值AC/ DC 转换器。美国AD公司的AD736是其中非常典型的一种。AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC 转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程

7、为 200mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低(最大的电源工作电流为200A)。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0.3%。但经查询，AD736集成芯片的成本较高，因此设计电路未采取此套方案。方案二：单门限比较器由于受正负电源的限制，输出电压为Vo±Vcc。当输入信号Vi<Vn时，输出低电平Vol=-Vcc；当输入信号Vi>Vn时，输出高电平Voh=+Vcc。由于需要多个电压比较器，故选用集成运放LM324，内含四个理想运算放大器。图1-3 比较器由于采用四个运放连线较为复杂，且不

8、能准确地输出交流电压的有效值，故设计电路不采用此套方案。方案三：用TL062和电容电阻构成积分运算电路。从输入端输入交流信号，经过运算电路输出直流信号。且该信号与交流有效值成线性关系，参数设置得当，即可得到输出信号等于输入交流信号的有效值。图1-4 AC-DC转换模块本电路中，输入的是 0200.0mV 的交流信号，输出的是 0200.0mV 的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC-DC的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV 左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小

9、异。1.2.4 数字显示模块ICL7107拥有强大的直流电压数字显示功能，所需外围电路少，而且显示稳定精确。本次设计直接使ICL7107，配合四位七段共阳数码管构成有效值测量电路的显示部分。将经过衰减、AC-DC转换后的信号电压输入到显示模块，电路的数码管便会显示相应的数值。如果原始输入电压经过N倍衰减，那么将得到的数值乘以N(单位为mV)变为所测交流电压的有效值。显示模块使用了ICL7107集成芯片。ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV的专用芯片。该芯片集成度高，转换精度高，抗干扰能力强，输出积分电容可直接驱动发光数码管，只需要很少的

10、外部元件，就可以构成数积分。芯片第一脚是供电，正确电压是DC+5V。第36脚是基准电压，正确数值是 100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在3V至5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。芯片27，28，29引脚的元件数值，它们是0.22uF，47K，0.47uF电容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚

11、，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为

12、2.4V2.8V为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。这个电压，最好是在3.2V到4.2V之间ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27，28，29引脚的元件数值，更换为0.22uF，470K，0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。图1-5 数字显示模块2.电路仿真对系统电路的关键模块AC-DC用Multisim进行仿真，电路图及仿真数据如下所示。图2-1 AD-DA模块仿

13、真输入频率为1KHZ、幅值分别为50mV、65mV、80mV、95mV的正弦波。输入频率为1KHZ、幅值分别为50mV的正弦波:输入频率为1KHZ、幅值分别为65mV的正弦波:输入频率为1KHZ、幅值分别为80mV的正弦波:输入频率为1KHZ、幅值分别为95mV的正弦波:表2-1 仿真数据输入幅值(mV)50658095理论有效值(mV)36.35545.96156.56867.175输出值(mV)38.88242.16854.66764.053由表2-1可以看出，TL062和电容、电阻构成的积分运算电路可以较为精确地将交流信号转换为直流信号，并输出有效值。3.焊接与调试3.1材料清单器件类型

14、规格数量电阻R12k1电阻R2100k1电阻R3100k1电阻R4100k1电阻R53k1电位器R65001电阻R76.8k1电容C115pF1电容C24.7F1电容C3220nF1电容C410F1电容C54.7F1二极管1N41483芯片TL06213.2过程描述先用万用表检测元件参数是否符合要求。然后按照原理图，元件装配。装配完成后焊接该硬件。焊接时，以45度靠紧焊接面进行预热；然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；当焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝。在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。如果焊点有连焊，应将焊锡线与烙铁

15、头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡；焊点的标准是：焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。焊接完成后调试制作的硬件。(1)按下自锁开关，将测试脚37脚接高电平，数码管显示-1888，说明显电压数字显示部分焊接无误。(2)将测试电压输入口短接，数码管显示为0，说明测试无零点误差。(3)将测量档位调到100倍衰减，即量程为20V档位，输入接上有效值为6V，频率为50Hz的正弦交流电压，显示数字为60.0。4.参数测量及验证(1)电压衰减模块测试结果如表4-1表4-1 电压衰减模块测试电压（V）<0.2V2V档

16、20V档输入（V）0.211.523467输出（V）0.20.10.140.20.0280.0410.0580.07(2)AC-DC模块测试结果如表4-2用信号发生器直接在AC-DC模块输入有效值已知，频率可调的正弦交流电，在输出端测量其直流电压。与输入的有效值对比，发现数值相接近，基本满足后面的进一步连接要求。表4-2 AC-DC转换模块测试输入有效值（mV）50100150200实际输出值（mV）4897145192(3)整体调试参数如表3-3将完整的电路全部连接好后，接入50Hz交流信号，改变信号有效值的同时也要相应的改变档位，以免将电路烧毁。表3-3 整体测试结果1档位0.2V档2V档

17、输入（mV）5010015020050080010001500显示（mV）52.2102.2152.5196.250.690108.2160.2表3-4 整体测试结果2档位20V档输入（V）22.533.54567显示（mV）20.127.531.238.243.552.261.774.85.心得体会课程设计之初，我对交流电压有效值测量完全没有想法和方案。在完成课程设计的短短几天内，我不断搜集资料、设计方案、整理思路、制作电路图、电路仿真，最终得到了理想的电路设计方案与仿真结果，然后又开始着手元器件的购买、实物的焊接与调试、数据测试。这其中我遇到了很多的困难，在克服这些困难的同时，也学到了很多

18、课本里学不到的知识，收获了很多课堂上讲不到的方法。在收集资料的过程中我遇到了各种各样的方案，每种方案都有其利弊。我仔细对比了各种方案的可行性，考虑了成本、可操作性、繁简程度等诸多问题。在这个过程中我学到了很多书本中没有的知识。在设计电路的过程中用到了Multisim软件。我之前一直使用Proteus软件进行设计电路与仿真，但是Proteus软件较Multisim软件来说在实用性与操作性上略逊。所以在此次在课程设计中我选用了Multisim软件进行电路仿真，在使用Multisim软件软件之前我上网看了一些教程，大致了解了Multisim软件的使用方法。我在以后的学习中会更加深入地研究与学习Multisim软件，用它的强大的功能来帮助我解决实际问题。本次课程设计培养了我的工程设计思想。从收集资料、对比选择、确定方案、电路图设计、电路仿真到元器件的配置、实物焊接与调试、数据的测量收集，从中所获得的经验对今后的学习与工作都有很大的帮助，同时我也学会了如何在短时间之内对知识进行取舍与进行重点学习和突破。虽然课程设计的过程是辛苦的，但结果确是令人振奋的。我从中学到的知识、方法与积累的自信、