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1、 本科生课程设计（论文） 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：电子信息工程学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）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
2、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。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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算I本科生课程设计（论文）摘要所谓电压电流变换器，也称电压电流变送器，就是将原边高电压信号转变为与原边高电压成比例的副边低电压信号（或小电流信号），将原边大电流信号转变为与原边大电流信号成比例的副边小电流信号（或低电压信号）的电路。为了精确测量没有直接接地端的电路中的直流电流,应用电流
3、电压变换器电路是非常合适的。电路转换精度达千分之一左右。当被测电流流过取样电阻R时,其上便产生正比于电流的电压,经运算放大器放大变换,输出正比于被测电流的线性良好的电压,然后用适当精度的电压表,或是数字电压表读出即可。电路设置一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。通过电压电流变换器可以实现电压0-10V转换4-20MA的电流。关键字：电压；电流；变换器；运放；三极管；目录第1章 高精度电压电流变换器设计方案论证11.1 高精度电压电流变换器的设计意义
4、11.2 高精度电压电流变换器设计的要求及技术指标11.3 总体设计方案2第2章 高精度电压电流变换器各单元电路设计42.1 直流稳压电源的设计及分析42.2 电压比较器的设计42.3 电流放大电路52.4 电压跟随器6第3章 高精度电压电流变换器整体电路设计73.1 整体电路图及工作原理73.2 电路参数计算及选择73.3 电路的仿真结果8第4章 设计的总结9参考文献10附录I 总体电路图11附录II 元器件清单12II 第1章 高精度电压电流变换器设计方案论证1.1 高精度电压电流变换器的设计意义所谓电压电流变换器，也称电压电流变送器，就是将原边高电压信号转变为与原边高电压成比例的副边低电
5、压信号（或小电流信号），将原边大电流信号转变为与原边大电流信号成比例的副边小电流信号（或低电压信号）的电路。高精度电压电流变换器一般应用于测量位置，主要是电路的能耗测量（千瓦时）中等精度一般用于系统检测，控制上使用一般精度用于电流电压表。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发顺丰源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号放松放松端的输入电阻越低,电压衰减越大。为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接发顺丰放松定,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。VI转换器就是把电压输出信号转换成电
6、流输出信号,有利于信号长距离传输。另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要放松放松端将电压输出转换成电流输出。1.2 高精度电压电流变换器设计的要求及技术指标设计任务：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，
7、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。1.3 总体设计方案 （一）图1.3.1是由运放和阻容等元件组成的V/I变换电路，能将010V的直流电压信号线性地转换成420mA的电流信号，U1是比较器U3是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器U1的输出端得到输出电压VL，V1控制运放U1的输出电压V2，从而改变晶体管T1的输出电流IL而输出电流IL又影响反馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的大小可通过下式计算：ILVf/(Rw+R7)，由于负反
8、馈的作用使Vi=Vf，因此ILVi/(Rw+R7)，当Rw+R7取值为6K时,可实现010V/420mA的V/I转换，如果所选用器件的性能参数比较稳定，运故U1、U2的放大倍数较大，那么这种电路的转换精度，一般能够达到较高的要求。 图1.3.1 高精度电压电流交换器（方案一）图1.3.2为方案二的高精度电压电流交换器，此电路运用了一个运放和多个电阻以及一个二极管，而且还加了一个24V的直流电源，所选运放的放大倍数与电路的稳定性成反比，电压只经一次放大作用到右侧，不够精确。 图1.3.2 高精度电压电流交换器（方案二）综上，通过比较，选择方案一（二）总体设计方案框图电路输入端输入电路所需的直流稳
9、压电源,这里取0-10V. 输出电流4-20mA调整电路集成运算放大器输入所需电压0-10V 图1.3.3 高精度电压电流交换器框图第2章 高精度电压电流变换器各单元电路设计2.1 直流稳压电源的设计及分析本次课设首先需要设计电路所需的直流稳压电源,目的在于从50HZ、220V的交流电压中得到直流电压。电路如图2.1所示。当输入为220V交流电压时，首先通过变压器得到交流电压。整流部分选用了全波桥式整流电路，输出为10V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，最终达到题目的指标要求。 图2.1 直流稳压电源设计图 2.2 电压比较器的设计电
10、压比较器是一类在电子电路中应用很广的电路，本实验也运用了此电路，其将某一电压信号与某参考电压信号相比较，当它们的大小关系不同时，电压有不同的输出状态。 图2.2 电压比较器2.3 电流放大电路设计中的电流放大电路是根据其输入信号的条件和对输出信号的要求，只考虑电路的输出电流和输入电流.图如下图：图2.3 电流放大电路2.4 电压跟随器本设计同样应用到了电压跟随器，其输出电压Vo与输入电压Vi大小相等，相位相同，电压增益等于1，它的输入电阻Ri,输出电阻Ro0，故它在电路中常作为阻抗变换器或缓冲器。图如下图：图2.4 电压跟随器第3章 高精度电压电流变换器整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理
11、由于本次课设主要设计的是高精度电压电流变换器,所以在总电路图中只画出了除直流稳压电源的其他部分,如图3.1是电压电流变换器的原理图. 由运放和阻容等元件组成的V/I变换电路，能将010V的直流电压信号线性地转换成420mA的电流信号，U1是比较器U3是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器U1的输出端得到输出电压VL，V1控制运放U1的输出电压V2，从而改变晶体管T1的输出电流IL而输出电流IL又影响反馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的大小可通过下式计算：ILVf/(Rw+R7)，由于负反馈的作用使Vi=Vf，因此ILVi/(Rw+R7)，当R
12、w+R7取值为6K时,可实现010V/420mA的V/I转换，如果所选用器件的性能参数比较稳定，运故U1、U2的放大倍数较大，那么这种电路的转换精度，一般能够达到较高的要求,使仪表的精度得到保证。图3.1 高精度电压电流交换器3.2 电路参数计算及选择因为本设计要求输入电压0-10V输出电流4-20mA,第一级电压比较器，可选1K欧的电阻和1K欧电阻串联。此元件必须精密稳定且具有很小的温度系数。第二级电流放大电路，将第一级的输出电流经放大输出一部分，另一部分反馈到运放的正极,反馈电阻Rf=Rl+R7+Rw=1K+1K+2.5K=4.5K,第三级电压跟随器输出电跟随了第二级的输出电压。当Vi=0
13、时，我们让电流表仍有一定的微弱电流（例如4mA左右），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。3.3 电路的仿真结果A1、A3组成第一级反向迟滞比较器，采用双端输出，以抑制零漂。A2组成第二级电流放大电路，它以单端输入的形式接到末级放大三级管T1的基极，再从它的发射极反馈到运放的正极。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,输入电压为8.727V时，输出电流值为5.052mA。第4章 设计的总结本设计通过方案比较，选择如下方案：由运放和阻容等元件组成的V/I变换电路，将010V的直
14、流电压信号线性地转换成420mA的电流信号，U1是比较器U3是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器U1的输出端得到输出电压VL，V1控制运放U1的输出电压V2，从而改变晶体管T1的输出电流IL而输出电流IL又影响反馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的大小可通过下式计算：ILVf/(Rw+R7)，由于负反馈的作用使Vi=Vf，因此ILVi/(Rw+R7)，当Rw+R7取值为6K时,可实现010V/420mA的V/I转换，如果所选用器件的性能参数比较稳定，运故U1、U2的放大倍数较大，那么这种电路的转换精度，一般能够达到较高的要求,使仪表的精度得到
15、保证。通过Multisim10仿真软件对电路仿真后，结果满足要求，完成了本设计。参考文献1 康华光 主编 电子技术基础（第五版）高等教育出版社2006.1 :4542 南寿松等 主编 电子实验与电子实践（第一版本） 中国标准出版社2004.11 :743 彭介华 主编 电子技术课程设计指导 （第一版本） 高等教育出版社 2000.5 :76 4 肖景和 主编 集成运算放大器应用精粹（第一版） 人民邮电出版社 2006.5 :355 王斌 主编 模拟电子技术实验与课程设计（第一版）西北工业大学出版社 2006.10 :54 6 杨振江等 编著 新颖实用电子设计与制作 西安电子科大出版社 2000.4 :887 郭永贞 编著 电子技术实验与课程设计指导（第一版） 东南大学出版社 2004.10 :1848 王松武 编著 电子创新设计与实践 （第二版） 国防工业出版社 2010.5 :44附录I 总体电路图直流稳压电源设计图高精度电压电流交换器附录II 元器件清单序号编号名称参数个数1R1,R3,R4,R6,R7,Rl电阻1K52R2电阻5K23R5电阻50012A1，A2,A3运放33C1电容1uf14Rw滑动变阻器5K15T1三极管16U电压表17A电流表112