模电课设 电压交流有效值测量电路设计

1、课程设计任务手册学生姓名：专业班：讲师：工作单位：题目：电压交流有效值测量电路的设计初始条件：具有模拟电子电路的理论知识；能够设计模拟电路的基本电路；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子设备；它可以用实验室仪器进行调试。需要完成的主要任务：(包括课程设计的工作量及其技术要求，以及编写规范等具体要求)1.输入电压的峰值为0 v 102.允许误差为2%3.采用发光二极管分段显示，分段间隔自行确定4.可以添加音频指示5.安装、调试并完成符合学校要求的设计说明6.设计电源。7.焊接：应使用实验板，不得使用面包板。时间表：21周，包括3天硬件设计和2天硬件调试教员签名：年月日系主任(或责任教师)签字

2、：年月日目录1.整体系统设计21.1设计方案21.2电路流程图22.各模块方案和电路参数22.1交流-dc转换模块22.1.1电路方案22.1.2电路参数32.1.3电路原理图32.2电压比较模块42.2.1电路方案42.2.2电路原理图42.3发光二极管分段显示电路52.3.1电路方案54.multisim仿真54.1交流-dc电路模拟54.2模拟电路整体图75.所需组件86.物理测试97.概要118.附录129.参考书目12摘要模拟电子技术基础是一门实践性很强的专业课程，这门课程的课程设计是为了巩固我们在理论课和实验课中学到的知识。本课程的设计是制作一个交流电压有效值测量电路，并通过发光二

3、极管灯显示电压有效值的范围。众所周知，电压表在工程应用中无处不在。本课程要求我们将理论课程中的知识进行整合，用multisim设计一个简单的缩写交流电压表，并通过安装和调试形成一个能测量交流电压有效值范围的电路。电压有效值测量电路主要由交流/dc转换模块和电压比较及显示模块组成。本课程设计经历了方案论证-电路设计-电路实现-安装调试-系统测试-总结报告等过程。达到了提高电子技术动手能力和实践技能的目的。关键词：电压有效值测量，交流/dc转换，发光二极管分段显示。1.整体系统设计1.1设计方案设计方案：设计电路分为三个模块：电压比较模块和发光二极管分段显示模块，能够满足基本要求。交流-dc转换模

4、块：通过交流/dc转换电路将输入交流电压转换成相对稳定的dc电压。电压比较模块：整流后得到的dc电压可以通过正向输入但mosfet比较器与输入交流电压有效值的近似范围进行比较。发光二极管分段显示模块：当输入电压的有效值大于设定的阈值时，输出直流电压，使电路中的发光二极管灯发光，并通过发光量显示电压有效值的大致范围。1.2电路流程图发光二极管灯显示的电压有效值范围电压比较电路输入交流电压交流-dc转换图1电路系统流程图2.各模块方案和电路参数2.1交流-dc转换模块2.1.1电路方案本发明采用单相桥式全波整流电路，结构相对简单，可以由二极管整流桥和电容滤波组成，安装方便，成本低廉。但是，电路的输

5、出电压有效值相差很大，二极管导通时的电压降使得电路输出电压有效值的误差很大，因此在下一次设计中应该考虑如何消除这种误差。2.1.2电路参数对于整流电路，如果峰峰值电压小于10v，二极管将承受最大反向电压(公式1)因此，1n4001可用作整流二极管。因为无法确定整流桥的型号，所以使用四个1n4001二极管来组装整流桥。对于滤波电路，为了获得更平滑的输出电压，需要放电时间常数(formul由于输入交流电压周期t为0.02秒，为了获得更好的滤波效果，这里可以使用100uf电容。同时，为了保护电路元件，要求输出电流较小，因此负载电阻为200k。2.1.3电路原理图图(a)是整流器和滤波器电路的电路原理

6、图。图2交流-dc转换电路示意图当输入电压波形如图(b)所示时，图(c)所示的波形可以在二极管整流后获得，而脉动小的dc电压可以在电容整流后获得，这必须如图(d)所示。(c)(b)(a)图3整流滤波过程波形图2.2电压比较模块2.2.1电路方案该模块采用单阈值同相输入电压比较电路，其工作原理是：当同相输入端的电压值小于反相输入端的参考电压值时，电压比较器的输出为-vcc(-8v)，否则为vcc(8v)。由于设计任务要求输入电压小于10v，有效值小于7.1v，因此设置了四个不同的mosfet比较器来区分以下输入电压有效值：0-2v、2-4v、4-6v及以上。在整流电路无误差的情况下，阈值可以设置

7、为0v、2v、4v、6v，但输入电压整流后输出的有效值有误差，所以四个电位器串联，每个电位器的分压为(公式3)因此，每个电位计的可调范围(阈值)为0-2v、2-4v、4-6v和6-8v，可以消除误差，使第一电压比较器在输入电压有效值小于2v时输出为正，第二电压比较器在2-4v时输出为正，第三电压比较器在4-6v时输出为正，第四电压比较器在大于6v时输出为正。2.2.2电路原理图电压比较电路和发光二极管显示电路如图所示，电位器调节可以满足如下阈值要求。图4电压比较及发光二极管显示电路示意图2.3发光二极管分段显示电路2.3.1电路方案发光二极管灯连接到运算放大器的输出端。当电压比较器输出端的电压

8、为正时，发光二极管灯会发光，从而可以根据灯的数量来判断输入电压有效值的大致范围。当输入电压的有效值为0-2v时，一个灯点亮，两个灯在2-4v时点亮，三个灯在4-6v时点亮，四个灯在大于6v时点亮。同时，为了保护发光二极管灯不受损坏，使用500的电阻进行保护。4.multisim仿真4.1交流-dc电路模拟下图(a)显示了输入电压有效值为2.01伏时的输入波形和输出波形，图(b)显示了滤波后获得的dc电压纹波波形(a)(b)图5交流/dc转换输入/输出波形和纹波波形下图显示了输入2.01伏均方根电压时测得的纹波电压和dc电压均方根值。图6交流/dc转换后的输出有效值和纹波值通过仿真可以看出，整流

9、后得到的dc电压纹波率较小，整流效果较好，但输入输出电压之间的差距较大，大致可以认为是。为了消除误差，根据表2中的数据，阈值可以依次设置为0 v、2.04 v、4.76 v和7.48 v，以实现预期的功能。表2输入和输出电压有效值的比较输入电压的均方根值(v)输出电压有效值(v)22.03733.37844.75856.08367.47578.8684.2模拟电路总图如下图所示，当输入电压的有效值为2.01伏时，交流/dc转换电压的有效值大于第一和第二电压比较器的阈值，两个发光二极管灯点亮。图7整体电路仿真结果图表3电压交流有效值测量电路模拟显示表峰峰值输入电压(v)理论电压的均方根值(v)打

10、开的灯的数量2.822.0012.852.0225.623.9825.654.0038.465.99410.07.0745.所需组件表4所需组件列表元素量8v dc稳压电源1电位计(2k)4电阻(200k)1电阻器(510)4集成四个运算放大器的lm324芯片1led灯4二极管1n40014电容(如下图(a)所示，当输入有效值电压1.92伏时，大于第一灯阈值，第一灯亮；如下图(b)所示，当输入2.11伏的均方根电压时，第二盏灯在超过第二盏灯阈值时点亮；如下图(c)所示，当输入4.00伏的均方根电压时，第三盏灯在超过第三盏灯阈值时点亮；如下图(d)所示，当输入6.54伏的均方根电压时，第四盏灯将

11、在超过第四盏灯阈值时点亮。(a) (b)(c) (d)图8调试结果图表5物理测试数据表理论有效值(v)理论照明量实际照明量1.92112.06212.11223.99224.00334.79335.85335.89346.5444对于上表测量的数据，设计中输入为2v时点亮两盏灯，实际为2.06v时点亮两盏灯。第二盏灯的误差约为：对于第三个发光二极管灯，当它被错误地设计为4v时，灯点亮，这实际上是相同的，误差很小；对于第四个发光二极管灯，灯在设计为6v时亮起，但实际上在5.89时亮起，误差约为0。实物中的两盏灯超出了允许的误差范围。误差原因是：整流后2v均方根电压变为1.90v时，第二个电位器的

12、实际调节范围为1.95-3.98v，这是电路设置不合理造成的；第四个发光二极管灯的错误主要是由于第四个电位器调试不成功造成的。7.摘要设计缺陷和遇到的问题：1.电位计串联连接，便于电路连接。然而，电位器的可调范围变小，不能满足阈值的要求。此外，这种连接方式提高了输入dc电源的要求。采用并联可以改善电路，将可调范围改为0-vcc，从而消除第二个发光二极管灯的误差。体验：模型电学课程是我们进入大学以来的第一门课程设计。当课程临近时，我们感到无助。本课程的主题是交流电压有效值的测量电路，该电路仅分章节显示。经过一天的数据搜索，终于找到了基本原理和电路模块。现在对我们来说，multisim软件也是一个

13、新事物，我们需要慢慢探索它。然而，模拟中的数据和真实物体中的实际数据之间的差异相当大，所以我们应该学习如何解决或减少真实物体中的误差。一般来说，课程设计是一个用自己的双手和大脑不断改进和成长的过程。仿真软件可以逐步学习使用一些基本功能。尽管许多组件模型尚不清楚，但仍有一个可以加强的开端。同样，在这个过程中，我意识到了自学的重要性，并且意识到每次我们大胆尝试，我们都会获得一些东西。此外，我们所学的理论知识也已用于本实践课程。理论与实践的结合自然会提高我们的综合实践能力，为未来的发展打下一点基础。8.附录1.lm324芯片数据lm324是一款四运放集成电路，采用14引脚双列直插式塑料封装，外观如图所示。它包含四组相同形式的运算放大器，除了功率共享之外，它们相互独立。四路放大器可以在低至3.0伏或高达32