电压电流转换电路

电压电流转换电路 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电压电流转换电路 课程设计评定意见 《模拟电子技术》课程设计 学 院: 电气与信息工程学院 学生姓名: 张磊 指导教师: 龙卓珉 职称/学位:讲师/硕士 专 业: 通信工程 班 级: 通信1302班 学 号: 1330440253 完成时间: 2015年6月 《模拟电子技术》课程设计任务书 摘 要 目录 1 绪 论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 2 直流稳压电 源 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.1直流稳压电源的设 计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2 .1.1 整流电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2 .1.2 滤波电 路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2 .1.3 稳压电 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2 .2 直流稳压电源电路参数确 定 „„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2 .2.1 三端集成稳压器的选 择„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2 .2 .2 整流电路参数选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „4 2 .2 .3 确定变压器容量和次级电压„„„„„„„„„„„„„„„ 4 2 .2 .4 滤波电容容量和选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3 制作与调 试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3.1 制 作 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 2.3.2 调试注意事 项 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 2.3.3 调试与测 量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 3.1 论 证 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 3.2 单元电路的原理及元器件参数计算与选 择„„„„„„„„„„„8 3.2.1 LM324组成的电压比较电 路„„„„„„„„„„„„„„„„8 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.2.2 放大电 路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.2.3参数设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.3 电压电流转换设计的仿真与制 作 „„„„„„„„„„„„„„„11 3.3.1仿真电路的建立与测 试 „„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.3.2 0-5V/0-10mA…………………………………………………11 3.3.3 0-10V/0-10mA…………………………………………………12 3.3.4 -10,10V/4,20mA„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.4 制 作 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 4 测试 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.1 调 试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.2 测量结 果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.3 误差分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 5设计总结与体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 参考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 附 录 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 附录A 使用说 明 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 附录B元件清 单 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 附录C 实验电路仿真 图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 附录D 实物图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 1绪论 由于物理学的的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步，电子技术是对电子信号进行处理的技术，电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，它更是是否学好电类专业的关键之一。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理、电子电路的基本组成及方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。 在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号一般是以电压—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 形式输出。但在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。为了避免信号在传输过程中的衰减,可增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,导致传输线路抗干扰性能降低、易受外界干扰、信号传输不稳定，因此在长距离传输模拟信号时,不再采用电压输出方式,而应把电压输出转换成电流输出。另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。电压电流转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输或满足工业仪表中电流配接的要求。 1 2 直流稳压电源 2.1 直流稳压电源的设计 2.1.1 整流电路 整流电路是把变压器变换后的交流电压U1转换成脉动的直流电压U2。此处我们选用单相桥式整流电路，它效率较高，使用比全波整流方便，变压器无需抽头，其原理图见图1。整流二极管承受的最大反向电压为整流二极管承受的最大 反向电压为2(U2为ab端电压的有效值)，整流输出电压的平均值UL?0.9U2。整流二极管是两两轮流导通的，所以流过每只二极管的平均电流为ID?0.45U2/R1,电压电流波形图见图2。 图1 单相桥式整流电路图 2 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图2桥式整流电路的工作波形 2.1.2 滤波电路 滤波电路是用来滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。由于该直流稳压源输出电流不需很大，且负载几乎没什么变化，所以我们选用结构较简单的电容滤波电路，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小。 (3~5)T滤波电容C应满足:(1) C?2R 式中T为输入交流信号周期;R为整流滤波电路的等效负载电阻。整流滤波电路原理图如图3所示。 图3整流滤波电路原理图 3 2.1.3 稳压电路 稳压二极管:稳压电路可以利用稳压二极管的反向击穿特性。利用pn结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。 三端集成稳压器:三端集成稳压器是一种串联式调整式稳压器，内部设有过热、过流和过压保护电路。将整流滤波后的不稳定的直流—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电压接到三端集成稳压器输入端，经三端稳压器后在输出端得到某一值的稳定的直流电压。在本设计只需固定的?12V和+5V电源即可，因此选用固定三端稳压器。 2.2 直流稳压电源电路参数确定 2.2.1 三端集成稳压器的选择 因为要得到?12V和+5V的输出电压，且设计要求输出电流的最大值Iom=500mA，所以选择的三端集成稳压芯片为LM7812、LM7912、LM7805。稳压器的输入电压VL即滤波电路的输出电压。VL太低则稳压器性能将受到影响，甚至不能正常工作;VL太高稳压器功耗增大，会导致电源效率下降。VL最低必须保证输入、输出电压之差大于2-3v。同时考虑电网电压下浮10%时，滤波电容上的电压也会下浮10%。综合考虑以上因素，稳压器输入电压取VL=18V。 2.2.2 确定变压器容量和次级电压 滤波电容上电压的平均值应取变压器次级电压的1.2倍，前面分析中稳压器输入电压取18v，故变压器次级电压应为:18V/1.2?15V (2) 稳压器输出功率12V?500mA?3W(3) 稳压器自身功率(18V?12V)?500mA?3W(4) 小功率变压器效率可达90%，则变压器容量为 (6W?3W)/90%?10W(5) 2.2.3 整流电路参数选择 稳压器LM7812、LM7912所在的电路中,二极管最大反向工作电压: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ Urm?1.414U2?12?1.414?17V 稳压器LM7805所在电路中，二极管最大反向工作电 压:Urm?1.414?U2?15?1.414?21V 4 IN4001的反向击穿电压Urm?50V,额定工作电流I?1A?Iom，故整流二极 管选用IN4001. 2.2.4 滤波电容容量和选择 滤波电容上的峰值电压为变压器上次级电压的峰值。由于变压器次级电压取15V，则其峰值电压约为21.21V。由于电解电容容易损坏，一般应使用其耐压值的80%，故滤波电容上的耐压应大于26.5V。再考虑电网上波动，故滤波电容耐压值取30v。因为 Uo?12V,Ui?15V,?Uop-p?5mV，Sv?0.003 所以滤波电容为C? 解电容作为滤波电容 。 ICtIomax故取4700uF、耐压为25V的电??3846?F，?Ui?Ui 2.3 制作与调试 2.3.1制作 对电路进行组装，按照设计的电路，打印在PCB板上，用钻孔机钻适当大小的孔，在PCB板上插接元器件并焊接。焊接完毕后，对照电路图仔细检查，使用万用表看是否有错接、漏接、虚焊的现象。对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 依据。经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。 2.3.2 调试注意事项 (1)检测电源变压器的绝缘电阻，以防变压器漏电而危及人身及设备安全。 (2)电源变压器的初级和次级绕组不能接反，否则会损坏变压器或带来电源故障。 (3)整流二极管和滤波电容的极性不能接反，否则会损坏。 (4)集成三端稳压器的输入、输出和公共端不能接错，特别是公共端不能开路，否则可能导致负载损坏，若输入端和输出端接反，可能回击穿内部调整管。 (5)电路无短路现象。 2.3.3 调试与测量 (1)静态调试对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象。对照PCB图，检查各元件是否接正确。 (2)输出电压的测量:接通220V的电源，用数字万用表测电源电路输出电压，得到正电源输出电压为?11.85V，负电源输出电压为?12.00V。 2、内阻的测量，在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的?VO，即用开短路法可测得电源内阻。测得数据如下: 5 输出为+12V时:Im??0.23A,?VO??11.85V(6) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 输出为-12V时:I?0.228A,?V??12V(7) m?O? 则电源内阻为: R???Vo?/IA??11.85V/0.23A?51.52?(8) R???V0?/IA??12.00V/0.228A?52.63?(9) 2.3.4 误差分析 误差计算: ?VCC%?(11.85?12.00)/12.00??1.25% ?VCC%?(12.00?12.00)/12.00?0% ?VCC%?(8.95?9.00)/9.00??0.55% ?VCC%?(9.07?9.00)/9.00?0.78% ?VCC%?(5.05?5.00)/5.00?1% ?VCC%?(5.03?5.00)/5.00?0.6% 可能造成误差的主要因素有: a)元件本身存在误差; b)焊接时，焊接点存在微小电阻; c)万用表本身的准确度而造成的系统误差; d)测量方法造成的误差。 3.1 方案论证 方案一: 方案一采用高度集成芯片XTR111进行电压电流的转换， 6 其原理框 图如图6所示。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图6 方案一原理框图 优点:XTR11芯片便于设计输入和输出范围，且非线性度很低，达到了0.002%，且精确度较高。 缺点:XTR11芯片输入电压较高，芯片所要求电压要达到24v，不易人工调控，成本较高。 方案二 方案二采用豪兰德电流源电路进行转换，其基本原理图如图7所示。 图7方案二原理图 优点:通过集成运放构成反相比例运算电路，同相端输入通过R接地，保证输入级差分放大电路的对称性，且负载电流与电压成线性关系。 缺点:结构简单，但变换的输入电压U受运放的最大共模输入电压限制，实用性较低。 方案三 原理框图如图8所示。 输入电压 电流输出 7 图8 方案三原理框图 该电路主要由运算放大器LM324、三极管2N5551以及其它辅助元件构成。该电路中，运算放大器起比较器作用,是将正相端电压输入信号与反相端电压进行比较,电压经运算放大器放大后再经三极管—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 放大。优点:输出电流稳定，一个电路图能实现三种情况，不需要额外接入元件。缺点:在偏置电压与输入电压同为0V时会输出微弱电流，有一定的误差。 在最终的方案选择上，由于方案二结构简单，带变换的输入电压U受运放的最大共模输入电压限制，实用性较低，而方案三输出电流稳定，一个电路图能实现三种情况，不需要额外接入元件，但是在偏置电压与输入电压同为0V时会输出微弱电流，有一定的误差。在综合考虑了电路的性能指标，成本计算，可行性等方面，我们最终确定使用第三种方案。 8 3.2 单元电路的原理及元器件参数计算与选择 3.2.1 LM324组成的电压比较器: 电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。 集成运放我们选用LM324，其引脚及符号如图10所示。 9 图10 集成运放LM324引脚及符号 3.2.2放大电路 放大电路的功能是利用晶体管的控制作用，把输入的微弱电信号不失真的放到所需的数值，实现将直流电源的能量，部分的转化为按—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质是用较小的的能量去控制较大能量转换的一种能量转换装置。本设计根据电路需要的元器件以及功能特点，选用三极管2N5551 和电阻构成的放大电路，如上图9 所示，比较器输出接入2N5551 的基极，由射极输出。 3.2.3 参数设计 由运放性质(虚短虚断)可知: V??V? (10) 其中: V??ICRW?(1??)IBRW (11) 令R1?R2,可得 V??(Uin?Uo)/2 (12) 由(式10)、(式11)及(式12)可得电流表显示的电流为: I?IC?(Uin?Uo)/2Rw (13) 其中，三极管我们选用的型号是2N5551，运算放大器所选的是集成 10 运放LM324。故选取R4?10K?,保证三极管处于放大区间。并取R1?R2?10K?,R7?30?,R5?10K?。 ? 0-5V/0-10mA/: 由(式13)知，UO?0V,RW?250?, 令Uin?Uo?0V,可得输出为0mA的直流电流; —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 令Uin?5V,可得输出为10mA的直流电流。 ? 0-10V/0-10mA: 由(式13)知，UO?0V,RW?500?, 令Uin?Uo?0V,可得输出为0mA的直流电流; 令Uin?10V,可得输出为10mA的直流电流。 ? -10V- +10V/4-20mA: 由(式13)知，UO?15V,RW?625?, 令Uin?-10V,可得输出为4mA的直流电流; 令Uin?10V,可得输出为20mA的直流电流。 3.3 电压电流转换设计的仿真与制作 3.3.1 仿真电路的建立与测试 我们用multisim建立电路模型，设置好电路以后，我们开始仿真。 3.3.2 0-5V/0-10mA: 取偏置电压VDD及输入电压VEE为0V，滑动变阻器R7取250Ω,如图11所示，电流表读数为14.211uA，实际上应为0A。 11 取偏置电压VDD为0V，输入电压VEE为4V，滑动变阻器R7取250Ω,如图12所示，电流表读数为7.962mA，由公式(4)I?IC?(Uin?UO)/2Rw 可知理论值为8mA。 图12 V/I电路仿真2 3.3.3、0-10V/0-10mA: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 取偏置电压VDD为0V，输入电压VEE为4V，滑动变阻器R7取500Ω,如图13所示，电流表读数为3.979mA，由(式4)I?IC?(Uin?UO)/2Rw可知理论值为4mA。 12 图13 V/I仿真3 取偏置电压VDD为0V，输入电压VEE为9V，滑动变阻器R7取500Ω,如图14所示，电流表读数为8.946mA，由公式(4)I?IC?(Uin?UO)/2Rw可知理论值为9mA。 图14 V/I仿真4 3.3.4、,10,10V/4,20mA: 由于在multisim这个软件上滑动变阻器调节范围为1%，不能调至62.5%，所以我们将其调至62%。1)取偏置电压VDD为15V，输入电压VEE为-10V，滑动变阻器R7取625Ω,如图10所示，电流表读数为3.975mA，由(式4)I?IC?(Uin?UO)/2Rw可知理论值为4.032mA。 13 图15 V/I转换电路仿真 取偏置电压Vo为15V，输入电压Vin为-5V，滑动变阻器R7取625Ω,如图15所示，电流表读数为7.951mA，由公式(4)I?IC?(Uin?UO)/2Rw可知理论值为8mA。 图15 V/I转换电路仿真6 3.4 制作 根据原理图先在面包板上连接电路。在面包板上进行合理的整体—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 布局(最大限度的减少线的使用，降低干扰(在连线之前，自己要先在脑海里形成一个大致的整体布局和接线方法，尽量使图美观，并且在有问出现时便于检查。在面包 14 板上电路正常运行后，使用AD将原理图画成PCB图并打印，在PCB电路焊好以后，检查是否有错误，确定无错误以后，接通电源，电路能正常工作。 4 调试 4.1 调试 利用直流稳压电源给U-I转换电路分别输入0V，5V，10V，-10V的电压，通过改变偏置电压，滑动变阻器，观察电流表的变化。并与设计指标进行比较，看是否达到要求。 4.2 测量结果 通过实验测得电压与电流的关系如表3所示: 表3 实验测试数据 4.3 误差分析 误差计算: ?2?(10.01?10)/10?100%?0.1% ?3?(10.02?10)/10?100%?0.2% 15 ?4?(20?20)/20?100%?0 ?5?(4.020?4)/4?100%?0.5% —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: a、元件本身存在误差。 b、焊接时，焊接点存在微小电阻。 c、万用表本身的准确度而造成的系统误差。 d、读数误差。 e、集成运放的自激振荡。 4.4结论 根据实物测试数据和理论值进行误差计算。可得实物数据中最大误差不超过2%证明原理电路正确无误，完全符合设计要求。 5设计总结与体会 在这次课程设计中不仅学习了知识，也发现了许多问题，而这，主要集中于下面几点。首先，我所学的知识不够牢固，对很多比较基础的知识的掌握程度比较低。没有能够切实的落实好基础知识的学习，事后也没有花时间复习。使我们在运用基础知识解决问题的时候总是遇到很多的麻烦，比如在设计参数时没有考虑到三极管中VCE会随着滑动变阻器RW变化，对电流I没 有影响。其二，理论和实践结合的不够好，虽然在multisim上已经仿真出来，但是当把电路转移到面包板上进行测试时仍然出现了很多状况，比如连线错误等问题，有时检查很多遍也没有检查出，虽然这些都是些很小的问题，但是小问题犯多了就会形成习惯。这让我们体会到了实践的重要性，并且要 16 注重细节。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 总的来说，这是一次非常有意义的设计活动。我们自己动手，学会了自主的分析与解决问题。当实物在我们面前展现出来，并达到理想的要求，再回想课程设计中遇到的一切事，明白了知识要学会巩固，不能“三天打鱼，两天晒网”，也懂得了实践的重要，不能把理论与实践相分离。 参考文献 [1]康华光(电子技术基础 (第五版)[M](高等教育出版社. 2006-01 [2]邱关源(电路(第五版)[M](高等教育出版社(2006-05( [3]蔡明生.电子设计[M]，高等教育出版社，2003 [4]彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社，1997 [5]郭培源。电子电路及电子元件[M] 。北京:高等教育出版社，2000 [6]李哲英等.实用电子电路设计[M].北京:电子工业出版社，1997 17 致 谢 这次的课程设计是在龙卓珉龙老师的悉心指导下完成的，从课题的选择到的最终完成，龙老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在我调试中，多次询问我调试进度，为我指点迷津，帮助我顺利完成调试。感谢龙卓珉龙老师在我设计电路时给我的理论指导，建议我查谢自美编篡的《电子电路实验与测试》，对我帮助很大。再次谨向龙老师表示崇高的敬意和衷心的感谢～ —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 在说明书即将完成之际，我的心情无法平静。本说明书的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。 18 附 录 附录A 使用说明此产品的使用步骤比较简单，步骤如下: 1.稳压电源用杜邦线接出，直接输出即可。 2.电压电流在偏置电压一定时，输入一定的电压，调节RW即可在RL处得到相应的电流。 附录B 元件清单 19 附录C 实验电路仿真图: 图16 V/I电路仿真图 20 图17 V/I电路PCB图 图18 稳压电源原理图 21 图19 稳压电源PCB图 附录D 实物图 22 图20 稳压电源实物图 23 ——————————————————————————————————————