模電課設(shè) 電壓交流有效值測量電路設(shè)計

1、 武漢理工大學模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計課程設(shè)計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目：電壓交流有效值測量電路設(shè)計初始條件：具備模擬電子電路的理論知識；具備模擬電路基本電路的設(shè)計能力；具備模擬電路的基本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實驗室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、輸入電壓峰值0v 102、允許誤差為±23、采用LED分段顯示，分段區(qū)間自定4、可加入音響指示5、安裝調(diào)試并完成符合學校要求的設(shè)計說明書6、設(shè)計電源；7、焊接：采用實驗板完成，不得使用面包板。時間安排： 二十一周一周，其中3天硬件設(shè)

2、計，2天硬件調(diào)試指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄1. 系統(tǒng)總體設(shè)計21.1 設(shè)計方案21.2 電路流程圖22.各模塊方案及電路參數(shù)22.1 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊22.1.1電路方案22.1.2電路參數(shù)32.1.3電路原理圖32.2電壓比較模塊42.2.1電路方案42.2.2電路原理圖42.3 LED分段顯示電路52.3.1電路方案54. Multisim仿真54.1 AC-DC電路仿真54.2仿真電路整體圖75.所需元件86.實物測試97.總結(jié)118.附錄129.參考書目1213摘要模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是一門實用的專業(yè)課，而該課程的課程設(shè)計就是為了讓我們鞏固

3、在理論課和實驗課程中學習到的知識。本次課程設(shè)計是做一個電壓交流有效值測量電路，并通過LED燈分段顯示電壓有效值的范圍。 眾所周知，電壓表在工程運用中無處不在，本次課設(shè)就是要求我們綜合理論課程中的知識，運用Multisim來設(shè)計一個簡單縮略的交流電壓表，并通過安裝調(diào)試組成一個可以測量電壓交流有效值范圍的電路。該電壓有效值測量電路主要由交直流轉(zhuǎn)換模塊和電壓比較和顯示模塊組成。本次課程設(shè)計經(jīng)過方案論證-電路設(shè)計-電路實現(xiàn)-安裝調(diào)試-系統(tǒng)測試-總結(jié)報告等過程，達到了提高動手能力和電子技術(shù)實踐技能的目的。關(guān)鍵詞：電壓有效值測量，交直流轉(zhuǎn)換，LED分段顯示。1. 系統(tǒng)總體設(shè)計1.1 設(shè)計方案設(shè)計方案：將設(shè)

4、計電路分為，電壓比較模塊，LED分段顯示模塊共三塊可達到基本要求。AC-DC轉(zhuǎn)換模塊：通過交直流轉(zhuǎn)換電路將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成相對較穩(wěn)定的直流電壓。電壓比較模塊：將整流后得到的直流電壓通過正向輸入但門限電壓比較器，可比較輸入交流電壓有效值的大致范圍。 LED分段顯示模塊：當輸入電壓有效值大于設(shè)定的門限值時，輸出正向電壓，可使電路中的LED燈發(fā)光，并通過發(fā)光數(shù)量來顯示電壓有效值的大致范圍。1.2 電路流程圖LED燈顯示電壓有效值范圍電壓比較電路輸入交流電壓AC-DC轉(zhuǎn)換 圖1 電路系統(tǒng)流程圖2.各模塊方案及電路參數(shù)2.1 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊2.1.1電路方案 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊采用單相橋式全波整

5、流電路，該電路結(jié)構(gòu)相對簡單，用二極管整流橋，電容濾波就可以組成，方便安裝，而且成本較低。但該電路輸出電壓的有效值有較大的差距，再加上二極管導通時存在的壓降，使該電路輸出的電壓有效值誤差非常大，因而在接下來的設(shè)計中要考慮如何消除此誤差。2.1.2電路參數(shù)對于整流電路，要求電壓峰峰值小于10V，則二極管所承受最大反壓 (式1)因此，選用1N4001為整流二極管即可。由于整流橋型號無法確定，所以采用4個1N4001二極管自行組裝成整流橋。對于濾波電路，為得到較為平滑的輸出電壓，要求放電時間常數(shù) （式2）由于輸入交流電壓周期T為0.02s，而為了較好的濾波效果，此處采用100uF電容即可。同時為保護電

6、路各元件，要求輸出電流要小一點，故負載選用200k電阻。2.1.3電路原理圖 如圖（a）為整流濾波電路的電路原理圖。圖2 AC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖當輸入電壓波形如圖（b）是，經(jīng)過二極管整流后可得到（c）圖所示波形，在經(jīng)過電容整流后可以得到脈動小的直流電壓，必行如圖（d）所示。 （c）（b）（a） 圖3 整流濾波過程波形圖2.2電壓比較模塊2.2.1電路方案該模塊采用單門限同相輸入電壓比較電路，其工作原理：當同向輸入端的電壓值小于反向輸入端的基準電壓值時，電壓比較器輸出為-VCC(-8V)，反之則為VCC(+8V)。由于此次設(shè)計任務要求輸入電壓小于10V，則有效值為小于7.1V，故而設(shè)置4個不同

7、的門限電壓比較器來區(qū)分以下幾個輸入電壓有效值范圍0-2V,2-4V,4-6V,6V以上。在整流電路無誤差的情況下，門限值可設(shè)為0V、2V、4V、6V，但是輸入電壓進過整流后輸出的有效值是有誤差的，用串聯(lián)方式接入4個電位器，每個電位器的分壓為 (式3) 故每個電位器(門限值)可調(diào)范圍為0-2V,2-4V,4-6V,6-8V，這樣可以消除誤差，使當輸入電壓有效值小于2V時，第一個電壓比較器輸出為正，2-4V時第二個電壓比較器輸出為正，4-6V時第三個電壓比較器輸出為正，大于6V時第四個電壓比較器輸出為正。2.2.2電路原理圖如圖為電壓比較電路和LED顯示電路，電位器調(diào)整如下可符合門限值要求。 圖4

8、 電壓比較及LED顯示電路原理圖2.3 LED分段顯示電路2.3.1電路方案在運放輸出端接上一個LED燈，當電壓比較器輸出端的電壓為正時，可使LED燈發(fā)光，這樣就可以根據(jù)燈亮的個數(shù)來判斷輸入電壓的有效值大致范圍。當輸入電壓有效值為0-2V時，亮1盞燈，2-4V時亮2盞燈，4-6V時亮3盞燈，大于6V時亮4盞燈。同時，為了保護LED燈不被損壞，采用500的電阻進行保護。4. Multisim仿真4.1 AC-DC電路仿真如下圖所（a）示，為當輸入電壓有效值為2.01V時的輸入波形和輸出波形，圖（b）為濾波后得到的直流電壓紋波波形（a）（b）圖5 交直流轉(zhuǎn)換輸入輸出波形以及紋波波形 如下圖所示為輸

9、入2.01V有效值電壓時測得的紋波電壓和直流電壓有效值。圖6 交直流轉(zhuǎn)換后的輸出有效值以及紋波值 通過仿真可以看出，經(jīng)過整流后得到的直流電壓紋波比較小，整流效果比較好，但是輸入與輸出電壓之間的差距比較大,大致可看成。為了消除誤差，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可將門限值依次設(shè)為0V,2.04V,4.76V,7.48V來達到預期功能。表2 輸入與輸出電壓有效值對比表輸入電壓有效值(V)輸出電壓有效值(V)22.03733.37844.75856.08367.47578.8684.2仿真電路整體圖 如下圖所示，當輸入電壓有效值為2.01V時，交直流轉(zhuǎn)換后的電壓有效值大于第一個和第二個電壓比較器的門限值，LED燈亮兩

10、盞。圖7 整體電路仿真結(jié)果圖表3 電壓交流有效值測量電路仿真顯示表輸入電壓峰峰值(V)理論電壓有效值(V)燈亮個數(shù)2.822.0012.852.0225.623.9825.654.0038.465.99410.07.0745.所需元件表4 所需元件表 元件 數(shù)量+8V直流穩(wěn)壓電源 1電位器（2K） 4電阻（200k） 1電阻（510） 4LM324四運放集成芯片 1LED燈 4二極管1N4001 4電容（100uF）1 6.實物測試 通過測量2V,4V,6V的輸入電壓有效值經(jīng)過整流后得到的有效值，依次將實際門限值設(shè)為0,1.95V，4.53V，7.28V。 如下圖（a）所示，當輸入1.92V有

11、效值電壓時，大于第一個燈門限，亮第一燈；如下圖（b）所示，當輸入2.11V有效值電壓時，大于第2個燈門限，第2燈亮；如下圖（c）所示，當輸入4.00V有效值電壓時，大于第3個燈門限，第3燈亮；如下圖（d）所示，當輸入6.54V有效值電壓時，大于第4個燈門限，第4燈亮。 （a） （b） （c） （d）圖8 調(diào)試結(jié)果圖表5 實物測試數(shù)據(jù)表理論有效值（V）理論亮燈數(shù)量實際亮燈數(shù)量1.92112.06212.11223.99224.00334.79335.85335.89346.5444對于上表所測數(shù)據(jù)，設(shè)計中的輸入2V時亮兩盞，實際2.06V亮兩盞，第二個燈誤差約為；對于第三的LED燈誤設(shè)計4V時燈

12、亮，實際與之相同，誤差非常?。欢鴮τ诘谒膫€LED燈設(shè)計6V時燈亮，實際在5.89時便燈亮，誤差約為。實物中兩盞燈超出誤差允許范圍，誤差原因：當2v有效值電壓經(jīng)過整流后變成1.90v，而第二個電位器實際調(diào)整范圍在1.95-3.98v,此誤差為電路設(shè)置不太合理造成；第四個LED燈的誤差主要是第四個電位器調(diào)試不成功造成的。7.總結(jié)設(shè)計中的不足以及遇到的問題：1、電位器采用串聯(lián)形式的接法，方便了電路的連接，但卻是電位器可調(diào)范圍變小，有點達不到門限值的要求，而且該連接方式使輸入的直流電源的要求提高。改用并聯(lián)形式可改善該電路，將可調(diào)范圍變成0-VCC,從而消除第二個LED燈顯示的誤差。心得體會：模電課設(shè)是

13、我們進入大學以來的第一次課程設(shè)計，在臨近課設(shè)時，感覺是束手無策。這次的課設(shè)題目是電壓交流有效值的測量電路，只是分段顯示，在經(jīng)過一天的資料查找后終于搞清楚了基本原理和電路模塊了。對于現(xiàn)在的我們來說，Multisim軟件也是一個新事物，需要自己慢慢摸索。而在仿真中的數(shù)據(jù)和實物的實際數(shù)據(jù)相差還是比較打的，我們應該學會如何去解決或者減小實物中出現(xiàn)的誤差?？偟膩碚f，課設(shè)是一個在自己動手動腦中不斷提高成長的過程，仿真軟件可以一步一步學會使用一些基本功能，雖然好多元器件型號都分不清楚，但有一個起步還是可以加強的。還有就是在這次課設(shè)中，我意識到了自我學習的重要性，也意識到我們每一次大膽去嘗試，就會有一定的收獲。另外，我們學習到的理論知識在這次實踐課程中也用上去了，理論和實踐結(jié)合，自然而然地提高我們的綜合實踐能力，在未來的發(fā)展上打下一個小基礎(chǔ)。8.附錄1.LM324芯片資料LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的