交流電壓有效值測(cè)量要點(diǎn)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書摘要模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是繼 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后 又一重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學(xué)生掌握和具備電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)與 單元電路的設(shè)計(jì)能力之后，讓學(xué)生綜合運(yùn)用模擬電子技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行實(shí)際模擬電 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)測(cè)，利用 multisim 等相關(guān)軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，提高綜 合應(yīng)用知識(shí)的能力、分析解決問題的能力和電子技術(shù)實(shí)踐技能，讓學(xué)生了解模擬電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工 程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。本課程設(shè)計(jì)的思路是將交流信號(hào)經(jīng)過電阻分壓后送至由TL062和電容、電阻組成的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊，將直流

2、信號(hào)送至ICL7107數(shù)碼管顯示，完成交流電壓 有效值的測(cè)量。關(guān)鍵詞：電阻分壓、TL062、ICL7107、交直流轉(zhuǎn)換、有效值測(cè)量武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書1電路方案論證與選擇系統(tǒng)基本方案設(shè)計(jì)電路分為直流穩(wěn)壓電源模塊、電壓衰減模塊、AC-DC模塊、數(shù)碼管顯示模塊，即可完成題目對(duì)交流電壓有效值進(jìn)行測(cè)量，并顯示的設(shè)計(jì)要求。各模塊方案論證與選擇直流穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊設(shè)計(jì)圖1.1為采用7805設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓源。該穩(wěn)壓源可穩(wěn)定輸出 +5V電壓, 電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。該穩(wěn)壓源由以下五部分組成。(1)降壓：通過變壓器將輸入的220V, 50HZ交流電降

3、為+5V輸出。(2)整流：通過橋式整流電路，將輸入的交流電壓信號(hào)變?yōu)槊}動(dòng)信號(hào)。(3)濾波：通過C1及C2等濾波電容將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ胃鼮槠骄?的電壓信號(hào)。(4)穩(wěn)壓：通過集成穩(wěn)壓芯片 7805將不穩(wěn)定的電壓信號(hào)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電 壓。飛二的圖1-1直流穩(wěn)壓電源電路電壓衰減模塊由于AC-DC模塊的輸入電壓為200mV,而題目要求的測(cè)量電壓是 V10V, 因此要對(duì)輸入電壓進(jìn)行衰減。此處采用了電阻分壓的方式對(duì)電壓進(jìn)行衰減， 同時(shí) 設(shè)計(jì)參數(shù)，使模塊能輸入200mV2000V范圍內(nèi)的電壓。武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書采用類似的方法還可改裝成測(cè)量電流和電阻的電路，測(cè)量電流的分流電阻和測(cè)

4、量電壓的分壓電阻以及測(cè)量電阻的基準(zhǔn)電阻往往就是同一組電阻，分別如圖 1-3和1-4,原理此處不再做贅述。圖1-3電阻分流電路圖1-4測(cè)量電阻基準(zhǔn)電阻電路近年來出現(xiàn)了各種真有效值 AC/AC-DC轉(zhuǎn)換模塊方案一：隨著集成電路的迅速發(fā)展武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書DC轉(zhuǎn)換器。美國AD公司的AD736是其中非常典型的一種。AD736是經(jīng)過 激光修正的單片精密真有效值 AC/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性 好（滿量程為200mVRMS）、測(cè)量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá) 0 460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低（最大的電源工作電流為200仙Ao用它

5、來測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過如.3 %。但經(jīng)查詢，AD736集成芯片的成本較高，因此設(shè)計(jì)電路未采取此套方案。方案二：?jiǎn)伍T限比較器由于受正負(fù)電源的限制，輸出電壓為 Vo=Vgc 當(dāng)輸入信號(hào) ViVr輸出高電平 Voh=+Vcc。由于需要多個(gè)電壓比較器，故選用集成運(yùn)放LM324,內(nèi)含四個(gè)理想運(yùn)算放大器圖1-3比較器由于采用四個(gè)運(yùn)放連線較為復(fù)雜，且不能準(zhǔn)確地輸出交流電壓的有效值，故 設(shè)計(jì)電路不采用此套方案。方案三：用TL062和電容電阻構(gòu)成積分運(yùn)算電路。從輸入端輸入交流信號(hào)， 經(jīng)過運(yùn)算電路輸出直流信號(hào)。且該信號(hào)與交流有效值成線性關(guān)系，參數(shù)設(shè)置得當(dāng), 即可得到輸出信號(hào)等于輸入交流信號(hào)的有效值。武漢

6、理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書-WV-T WOkflB4-R3 ：IDOkOC2 4.7uFC3ZOO n F圖1-4 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊flR1kSkfl：R7 ：-AAA-6.8kO ：本電路中，輸入的是0200.0mV的交流信號(hào)，輸出的是 0200.0mV的 直流信號(hào)，從信號(hào)幅度來看，并不要求電路進(jìn)行任何放大，但是，正是電路本 身具有的放大作用，才保證了其幾乎沒有損失地進(jìn)行 AC- DC的信號(hào)轉(zhuǎn)換。因 此，這里使用的是低功耗的高阻輸入運(yùn)算放大器，具不靈敏區(qū)僅僅只有2mV左右，在普通數(shù)字萬用表中大量使用，電路大同小異。數(shù)字顯示模塊ICL7107擁有強(qiáng)大的直流電壓數(shù)字顯示功能，所需外

7、圍電路少，而且顯示穩(wěn)定精確。本次設(shè)計(jì)直接使用 ICL7107,配合四位七段共陽數(shù)碼管構(gòu)成有效值測(cè)量 電路的顯示部分。將經(jīng)過衰減、AC-DC轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電壓輸入到顯示模塊，電 路的數(shù)碼管便會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)值。如果原始輸入電壓經(jīng)過N倍衰減，那么將得到的數(shù)值乘以N（單位為mV）變?yōu)樗鶞y(cè)交流電壓的有效值。顯示模塊使用了 ICL7107集成芯片。ICL7107是美國Intersil公司專為數(shù)字儀 表生產(chǎn)的數(shù)字儀，滿幅輸入電壓一般取 200mV的專用芯片。該芯片集成度高， 轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，輸出積分電容可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管 ，只需要很少的 外部元件，就可以構(gòu)成數(shù)積分。芯片第一腳是供電，正確電壓是 D

8、C+5V。第36腳是基準(zhǔn)電壓，正確數(shù)值 是100mV,第26引腳是負(fù)電源引腳，正確電壓數(shù)值是負(fù)的，在一 3V至一5V都 認(rèn)為正常，但是不能是正電壓，也不能是零電壓。芯片第 31引腳是信號(hào)輸入引武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書腳，可以輸入由99.9mV的電壓。在一開始，可以把它接地，造成“0”信號(hào)輸入， 以方便測(cè)試。芯片27,28,29引腳的元件數(shù)值,它們是0.22uF,47K,0.47uF電容網(wǎng)絡(luò), 這三個(gè)元件屬于芯片工作的積分網(wǎng)絡(luò)，不能使用磁片電容。芯片的 33 和34腳接的104電容也不能使用磁片電容。芯片的電源地是21腳，模擬地是32腳，信號(hào)地是30腳，基準(zhǔn)地是 35腳，通常使

9、用情況下，這4個(gè)引腳都接地，在一些有特殊要求的應(yīng)用 中（例如測(cè)量電阻或者比例測(cè)量），30腳或35腳就可能不接地而是按照 需要接到其他電壓上。負(fù)電壓電源可以從電路外部直接使用 7905等芯片來提供，但是這要 求供電需要正負(fù)電源，通常采用簡(jiǎn)單方法，利用一個(gè)+5V供電就可以解 決問題。比較常用的方法是利用ICL7660或者NE555等電路來得到，這樣需要增加硬件成本。我們常用一只NPN三極管，兩只電阻，一個(gè)電感來進(jìn)行信號(hào)放大，把芯片 38腳的振蕩信號(hào)串接一個(gè) 20K-56K的 電阻連接到三極管“B極，在三極管C極串接一個(gè)電阻（為了保護(hù)）和 一個(gè)電感（提高交流放大倍數(shù)），在正常工作時(shí)，三極管的“C極電

10、壓為 2.4V2.8V為最好。這樣，在三極管的“C極有放大的交流信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)通過2只4u7電容和2支1N4148二極管，構(gòu)成倍壓整流電路， 可以得到負(fù)電壓供給ICL7107的26腳使用。這個(gè)電壓，最好是在一3.2V 到4.2V之間ICL7107也經(jīng)常使用在 M.999V量程，這時(shí)候，芯片 27,28,29弓I腳的元件數(shù)值，更換為0.22uF,470K,0.047uF阻容網(wǎng)絡(luò)，并且 把36腳基準(zhǔn)調(diào)整到1.000V就可以使用在 M.999V量程了。武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書團(tuán)：如印姍gMU5LLLLLLUd ILL 用e f y 3三二E 三百日苕河內(nèi)一 is-i 二白二：匕三

11、三白：QEi三S3H 三% WP3離潟器早 q q 早今 qqqqqqqqq三二 W 左S2WK 其潟咫導(dǎo)：用甚汨昭守守尋圻尊宅-UOOLJOOraV苴說電壓岫人圖1-5數(shù)字顯示模塊武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書2電路仿真對(duì)系統(tǒng)電路的關(guān)鍵模塊 AC-DC用Multsim進(jìn)行仿真，電路圖及仿真數(shù)據(jù)如下所示。XFG1戶一 a I s 1 1ti figiuukn DI1H414H圖2-1 AD-DA 模塊仿真；DZ ：I!15 (Ik+ Ci ZZinuFC3 +2D0nF -p4.7uF：R2 HVW.100k0- 4.7uF AtPSRH1-Wr ：1.8kn：R7 ：W :.kn

12、 :DI1輸入頻率為1KHZ幅值分別為50、100、150、200mV勺正弦波武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書X151 37 mVII Time。刃0。s100 DOO m*100msCharirwIAC.DOO V99.452 pV的一462 pVCham白l_BD ODO V103。伯 mV103.016 mVFmebasef Chaninel AScale 110 ms/Div Sale pDOmXJDivX position 0Y position )0|y7t am| b/a/vb| zc| o dc-圖2-2輸入200mV正弦交流信號(hào)-10 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

13、課程設(shè)計(jì)說明書Signal OptionsFrequencyHeDuty CycleMpIKu 拒Offsa15DSet Rr?e/Fzll TimeCOEEOfit?圖2-3輸入150mV正弦交流信號(hào)-11 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書vje_q i I Function GeneralCommonuFL ft圖2-3輸入100mV交流正弦信號(hào)-12 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書ji236 539 mVOscilloscope-SSC1圖2-4輸入50mV交流正弦信號(hào)表2-1仿真數(shù)據(jù)輸入幅值(mV)50100150200理論后效值(mV)35.3670.711

14、06.07141.42輸出值(mV)36.49373.119108.402151.37由表2-1可以看出，TL062和電容、電阻構(gòu)成的積分運(yùn)算電路可以較為精確地將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，并輸出有效值。-13 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書3焊接與調(diào)試先用萬用表檢測(cè)元件參數(shù)是否符合要求。然后按照原理圖，元件裝配。裝配 完成后焊接該硬件。焊接時(shí)，以 45度靠緊焊接面進(jìn)行預(yù)熱；然后將焊錫絲同時(shí) 伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處；當(dāng)焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫 絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當(dāng)焊點(diǎn)上的焊錫成圓錐形時(shí)即抽離焊錫絲。在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如果焊點(diǎn)有連焊，應(yīng)將焊錫線

15、與烙鐵頭一起接觸在 連焊的焊點(diǎn)之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側(cè)放 著向下移走，吸去多余的焊錫；焊點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)是：焊點(diǎn)呈錐形，焊錫要適量，表面 有光澤，光滑，清潔等。焊接完成后調(diào)試制作的硬件。(1)按下自鎖開關(guān)，將測(cè)試腳37腳接高電平，數(shù)碼管顯示-1888,說明顯電壓 數(shù)字顯示部分焊接無誤。(2)將測(cè)試電壓輸入口短接，數(shù)碼管顯示為 0,說明測(cè)試無零點(diǎn)誤差。(3)將測(cè)量檔位調(diào)到100倍衰減，即量程為20V檔位，輸入接上有效值為6V, 頻率為50Hz的正弦交流電壓，顯示數(shù)字為 60.0.-14 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書4參數(shù)測(cè)量及驗(yàn)證（1）電壓衰減模塊測(cè)試結(jié)

16、果如表4-1表4-1電壓衰減模塊測(cè)試電壓（V）0.2V2V檔20V檔輸入（V）0.211.523467輸出（V）0.20.10.140.20.0280.0410.0580.07（2） AC-DC模塊測(cè)試結(jié)果如表4-2用信號(hào)發(fā)生器直接在AC-DC模塊輸入有效值已知，頻率可調(diào)的正弦交流電，在 輸出端測(cè)量其直流電壓。與輸入的有效值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值相接近，基本滿足后面 的進(jìn)一步連接要求。表4-2 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試輸入后效值（mV）50100150200輸出（mV）4897145192（3）整體調(diào)試參數(shù)如表3-3將完整的電路全部連接好后，接入 50Hz交流信號(hào)，改變信號(hào)有效值的同時(shí)也要 相應(yīng)的改變檔

17、位，以免將電路燒毀。表3-3整體測(cè)試結(jié)果1檔位0.2V 檔2V檔輸入（mV）5010015020050080010001500顯示（mV）52.2102.2152.5196.250.690108.2160.2表3-4整體測(cè)試結(jié)果2檔位20V檔輸入（V）22.533.54567顯示（mV）20.127.531.238.243.552.261.774.8-15 -武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書5心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)題目為交流電壓有效值測(cè)量，總體設(shè)計(jì)思路分為四個(gè)部分：直 流穩(wěn)壓電路、電壓衰減電路、AC-DC轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路。在課程設(shè)計(jì)開始時(shí)，我們對(duì)交流電壓有效值測(cè)量幾乎沒有概念。

18、在完成課程 設(shè)計(jì)的短短幾天內(nèi)，我從搜集資料方案、思路整理、電路圖設(shè)計(jì)制作、電路仿真， 到元器件的購買、實(shí)物的焊接與調(diào)試、數(shù)據(jù)測(cè)試，遇到了很多的困難，但在克服 這些困難的同時(shí)，也收獲了很多。首先，在相關(guān)資料的收集過程中，不同的方案各有其利弊，在設(shè)計(jì)的過程中 不僅要考慮到方案的可行性，還要考慮到方案成本等問題。在對(duì)比方案上，我就 花了不少的精力和時(shí)間，這是在書本中所體會(huì)不到的。在設(shè)計(jì)電路的過程中用到了 Protel 99SE和Multsim軟件。電路的仿真對(duì)于我 來說也是一門新的學(xué)問。在課程設(shè)計(jì)之前還不會(huì)使用 Multsim仿真軟件，為了對(duì) 電路進(jìn)行仿真，我上網(wǎng)找了一些Multsim的使用說明，大致了解了對(duì)一般電路圖 的