交流电压有效值测量要点.pdf

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1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - I - 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

2、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 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 2 - 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 3 - 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 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

3、+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V10V， 因此要对输入电压进行衰减。 此处采用了电阻分压的方式对电压进行衰减，同时 设

4、计参数， 使模块能输入 200mV2000V 范围内的电压 。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 4 - 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 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/ 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 5 - DC 转换器。美国AD 公司的 AD736 是其中非常典型

5、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(满量程为200mVRMS) 、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0 460kHz) 、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ViVr 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

6、 图 1-3 比较器 由于采用四个运放连线较为复杂，且不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。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 6 - 图 1-4 AC-DC转换模块 本电路中，输入的是 0 200.0mV 的交流信号，输出的是 0 200.0mV 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

7、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。本次设计直接使用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

8、 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 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 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 7 - 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

9、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，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

10、 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 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

11、，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。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 8 - 图 1-5 数字显示模块 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 9 - 2 电路仿真 对系统电路的关键模块AC-DC 用 Multsim 进行仿真，电路图及仿真数据如 下所示。 图 2-1 AD-DA 模块仿真 输入频率为 1KHZ 、幅值分别为 50、10

12、0、150、200mV 的正弦波。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 10 - 图 2-2 输入 200mV 正弦交流信号 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 11 - 图 2-3 输入 150mV 正弦交流信号 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 12 - 图 2-3 输入 100mV 交流正弦信号 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 13 - 图 2-4 输入 50mV 交流正弦信号 表 2-1 仿真数据 输入幅值 (mV) 50 100 150 200 理论有效值 (mV) 35.36 70.71 106.07 141.42 输出值 (m

13、V) 36.493 73.119 108.402 151.37 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。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 14 - 3 焊接与调试 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

14、焊， 应将焊锡线与烙铁头一起接触在 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. 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 15

15、- 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) 0.2V 2V 档20V 档 输入（V）0.2 1 1.5 2 3 4 6 7 输出（V）0.2 0.1 0.14 0.2 0.028 0.041 0.058 0.07 (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）50 100 150 200 输出（ mV）48

16、 97 145 192 (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 输入（ mV）50 100 150 200 500 800 1000 1500 显示（ mV）52.2 102.2 152.5 196.2 50.6 90 108.2 160.2 表 3-4 整体测试结果2 档位20V 档 输入（ V）2 2.5 3 3.5 4 5 6 7 显示（ mV）20.1 27.5 31.2 38.2 43.5 52.2 61.7 74.8 武汉理工大

17、学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 16 - 5 心得体会 本次课程设计题目为交流电压有效值测量，总体设计思路分为四个部分：直 流稳压电路、电压衰减电路、AC-DC 转换电路、数码管显示电路。 在课程设计开始时，我们对交流电压有效值测量几乎没有概念。在完成课程 设计的短短几天内， 我从搜集资料方案、 思路整理、电路图设计制作、 电路仿真， 到元器件的购买、实物的焊接与调试、数据测试，遇到了很多的困难，但在克服 这些困难的同时，也收获了很多。 首先，在相关资料的收集过程中，不同的方案各有其利弊，在设计的过程中 不仅要考虑到方案的可行性， 还要考虑到方案成本等问题。在对比方案上， 我就 花了不少

18、的精力和时间，这是在书本中所体会不到的。 在设计电路的过程中用到了Protel 99SE和 Multsim 软件。电路的仿真对于我 来说也是一门新的学问。 在课程设计之前还不会使用Multsim 仿真软件， 为了对 电路进行仿真， 我上网找了一些Multsim 的使用说明， 大致了解了对一般电路图 的仿真步骤。 Multsim 是一款功能强大而齐全的仿真软件，我现在所学会的不过 是其中的一小部分，在今后的学习过程中，我会更加深入的学习Multsim 。 从本次课程设计中收获的最为重要的一点，是培养了一种工程设计的思想。 从收集资料、对比并确定方案、电路图设计、电路仿真到元器件的配置、实物焊 接

19、与调试、数据的测量收集， 从中所获得的经验对今后的课程设计甚至工作都有 很大的帮助， 而要在短短几天之内学习一门完全不了解的学科、软件，就不能按 照顺序没有重点的学，而应该先整体把握，而后再有侧重点的逐步深入。 汗水预示着结果，也证明着过程，希望在以后的学习生活中能更加深入的学 习专业知识，同时更要注重动手能力的培养。 在此由衷感谢给予我帮助的指导老师和同学们！ 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 17 - 参考文献 1 康华光.电子技术基础（模拟部分）北京：高等教育出版社，2006 2 文艳.protel99SE电子电路设计北京：机械工业出版社，2006 3 何希才.新型集成电路应用实例北京：电子工业出版社，2002 4 臧春华 .电子线路设计与应用 .北京：高等出版社， 2004 5 吴友宇 .模拟电子技术基础 .北京：清华大学出版社， 2009 6 童诗白.模拟电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2001 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 附录：实物图 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 - 19 -