模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)-電壓交流有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：電壓交流有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)初始條件： 具備模擬電子電路的理論知識(shí)；具備模擬電路基本電路的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)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0＜v＜102、允許誤差為±2％3、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(xué)校要求的設(shè)計(jì)說明書6、設(shè)計(jì)電源；7、焊接：采用實(shí)驗(yàn)板完成，不得使用面包板。時(shí)間安排：二十一周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名：年月日 系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日

目錄1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 21.1設(shè)計(jì)方案 21.2電路流程圖 22.各模塊方案及電路參數(shù) 22.1AC-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 42.3LED分段顯示電路 52.3.1電路方案 54.Multisim仿真 54.1AC-DC電路仿真 54.2仿真電路整體圖 75.所需元件 86.實(shí)物測(cè)試 97.總結(jié) 118.附錄 129.參考書目 121摘要《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程是一門實(shí)用的專業(yè)課，而該課程的課程設(shè)計(jì)就是為了讓我們鞏固在理論課和實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)習(xí)到的知識(shí)。本次課程設(shè)計(jì)是做一個(gè)電壓交流有效值測(cè)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(yùn)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(shí)，運(yùn)用Multisim來設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單縮略的交流電壓表，并通過安裝調(diào)試組成一個(gè)可以測(cè)量電壓交流有效值范圍的電路。該電壓有效值測(cè)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(jì)經(jīng)過方案論證-電路設(shè)計(jì)-電路實(shí)現(xiàn)-安裝調(diào)試-系統(tǒng)測(cè)試-總結(jié)報(bào)告等過程，達(dá)到了提高動(dòng)手能力和電子技術(shù)實(shí)踐技能的目的。關(guān)鍵詞：電壓有效值測(cè)量，交直流轉(zhuǎn)換，LED分段顯示。1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案：將設(shè)計(jì)電路分為，電壓比較模塊，LED分段顯示模塊共三塊可達(dá)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(duì)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(dāng)輸入電壓有效值大于設(shè)定的門限值時(shí)，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)2.1AC-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流電路，該電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(dǎo)通時(shí)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(jì)中要考慮如何消除此誤差。2.1.2電路參數(shù)對(duì)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(hào)無法確定，所以采用4個(gè)1N4001二極管自行組裝成整流橋。對(duì)于濾波電路，為得到較為平滑的輸出電壓，要求放電時(shí)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(shí)為保護(hù)電路各元件，要求輸出電流要小一點(diǎn)，故負(fù)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2AC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖當(dāng)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(dòng)小的直流電壓，必行如圖（d）所示。（c）（（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(dāng)同向輸入端的電壓值小于反向輸入端的基準(zhǔn)電壓值時(shí)，電壓比較器輸出為-VCC(-8V)，反之則為VCC(+8V)。由于此次設(shè)計(jì)任務(wù)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(gè)不同的門限電壓比較器來區(qū)分以下幾個(gè)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(jìn)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(gè)電位器，每個(gè)電位器的分壓為(式3)故每個(gè)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(dāng)輸入電壓有效值小于2V時(shí)，第一個(gè)電壓比較器輸出為正，2-4V時(shí)第二個(gè)電壓比較器輸出為正，4-6V時(shí)第三個(gè)電壓比較器輸出為正，大于6V時(shí)第四個(gè)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電壓比較及LED顯示電路原理圖2.3LED分段顯示電路2.3.1電路方案在運(yùn)放輸出端接上一個(gè)LED燈，當(dāng)電壓比較器輸出端的電壓為正時(shí)，可使LED燈發(fā)光，這樣就可以根據(jù)燈亮的個(gè)數(shù)來判斷輸入電壓的有效值大致范圍。當(dāng)輸入電壓有效值為0-2V時(shí)，亮1盞燈，2-4V時(shí)亮2盞燈，4-6V時(shí)亮3盞燈，大于6V時(shí)亮4盞燈。同時(shí)，為了保護(hù)LED燈不被損壞，采用500的電阻進(jìn)行保護(hù)。Multisim仿真4.1AC-DC電路仿真如下圖所（a）示，為當(dāng)輸入電壓有效值為2.01V時(shí)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）（a）（b（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入2.01V有效值電壓時(shí)測(cè)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(dá)到預(yù)期功能。表2輸入與輸出電壓有效值對(duì)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(dāng)輸入電壓有效值為2.01V時(shí)，交直流轉(zhuǎn)換后的電壓有效值大于第一個(gè)和第二個(gè)電壓比較器的門限值，LED燈亮兩盞。圖7整體電路仿真結(jié)果圖表3電壓交流有效值測(cè)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(gè)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(yùn)放集成芯片1LED燈4二極管1N40014電容（100uF）16.實(shí)物測(cè)試通過測(cè)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(shí)際門限值設(shè)為0,1.95V，4.53V，7.28V。如下圖（a）所示，當(dāng)輸入1.92V有效值電壓時(shí)，大于第一個(gè)燈門限，亮第一燈；如下圖（b）所示，當(dāng)輸入2.11V有效值電壓時(shí)，大于第2個(gè)燈門限，第2燈亮；如下圖（c）所示，當(dāng)輸入4.00V有效值電壓時(shí)，大于第3個(gè)燈門限，第3燈亮；如下圖（d）所示，當(dāng)輸入6.54V有效值電壓時(shí)，大于第4個(gè)燈門限，第4燈亮。 （a）（b）（c）（d）圖8調(diào)試結(jié)果圖表5實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)表理論有效值（V）理論亮燈數(shù)量實(shí)際亮燈數(shù)量1.92112.06212.11223.99224.00334.79335.85335.89346.5444對(duì)于上表所測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中的輸入2V時(shí)亮兩盞，實(shí)際2.06V亮兩盞，第二個(gè)燈誤差約為；對(duì)于第三的LED燈誤設(shè)計(jì)4V時(shí)燈亮，實(shí)際與之相同，誤差非常小；而對(duì)于第四個(gè)LED燈設(shè)計(jì)6V時(shí)燈亮，實(shí)際在5.89時(shí)便燈亮，誤差約為。實(shí)物中兩盞燈超出誤差允許范圍，誤差原因：當(dāng)2v有效值電壓經(jīng)過整流后變成1.90v，而第二個(gè)電位器實(shí)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(gè)LED燈的誤差主要是第四個(gè)電位器調(diào)試不成功造成的。7.總結(jié)設(shè)計(jì)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(diǎn)達(dá)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(gè)LED燈顯示的誤差。心得體會(huì)：模電課設(shè)是我們進(jìn)入大學(xué)以來的第一次課程設(shè)計(jì)，在臨近課設(shè)時(shí)，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(cè)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(duì)于現(xiàn)在的我們來說，Multisim軟件也是一個(gè)新事物，需要自己慢慢摸索。而在仿真中的數(shù)據(jù)和實(shí)物的實(shí)際數(shù)據(jù)相差還是比較打的，我們應(yīng)該學(xué)會(huì)如何去解決或者減小實(shí)物中出現(xiàn)的誤差?？偟膩碚f，課設(shè)是一個(gè)在自己動(dòng)手動(dòng)腦中不斷提高成長(zhǎng)的過程，仿真軟件可以一步一步學(xué)會(huì)使用一些基本功能，雖然好多元器件型號(hào)都分不清楚，但有一個(gè)起步還是可以加強(qiáng)的。還有就是在這次課設(shè)中，我意識(shí)到了自我學(xué)習(xí)的重要性，也意識(shí)到我們每一次大膽去嘗試，就會(huì)有一定的收獲。另外，我們學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)在這次實(shí)踐課程中也用上去了，理論和實(shí)踐結(jié)合，自然而然地提高我們的綜合實(shí)踐能力，在未來的發(fā)展上打下一個(gè)小基礎(chǔ)。8.附錄1.LM324芯片資料LM324是四運(yùn)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(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下。圖9LM324芯片內(nèi)部電路圖2.IN400二極管參數(shù)該二極管為整流二極管，最大周期性方向峰值電壓為50V，最大有效值電壓為35V，最大直流閉鎖電壓：50V，最大正向整流電流：1.0A，操作和存儲(chǔ)溫度范圍：-65~175℃。9.參考書目[1]吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).科學(xué)出版社.2014[2]周新民.工程實(shí)踐及訓(xùn)練教程.武漢理工大學(xué)出版社.2009[2]聶典.Multisim12仿真設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社.2012基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能