模電課設(shè)電壓交流有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)

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1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名： 專(zhuān)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(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求） 1、輸入電壓峰值0＜v ＜10 2、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(shuō)明書(shū) 6、設(shè)計(jì)電源； 7、焊

2、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) 2 1.1 設(shè)計(jì)方案 2 1.2 電路流程圖 2 2.各模塊方案及電路參數(shù) 2 2.1 AC-DC轉(zhuǎn)換模塊 2 2.1.1電路方案 2 2.1.2電路參數(shù) 3 2.1.3電路原理圖 3 2.2電壓比較模塊 4 2.2.1電路方案 4 2.2.2電路原理圖 4 2.3

3、 LED分段顯示電路 5 2.3.1電路方案 5 4. Multisim仿真 5 4.1 AC-DC電路仿真 5 4.2仿真電路整體圖 7 5.所需元件 8 6.實(shí)物測(cè)試 9 7.總結(jié) 11 8.附錄 12 9.參考書(shū)目 12 摘要 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程是一門(mén)實(shí)用的專(zhuān)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(guò)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(wú)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(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單縮

4、略的交流電壓表，并通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

5、：將整流后得到的直流電壓通過(guò)正向輸入但門(mén)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(mén)限值時(shí)，輸出正向電壓，可使電路中的LED燈發(fā)光，并通過(guò)發(fā)光數(shù)量來(lái)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

6、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(lái)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(wú)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)

7、 （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2 AC-DC轉(zhuǎn)換電路原理圖 當(dāng)輸入電壓波形如圖（b）是，經(jīng)過(guò)二極管整流后可得到（c）圖所示波形，在經(jīng)過(guò)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） （b） （a） 圖3 整流濾波過(guò)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(mén)限同相輸入電壓比較電路，其工作原理：當(dāng)同向輸入

8、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(mén)限電壓比較器來(lái)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(wú)誤差的情況下，門(mén)限值可設(shè)為0V、2V、4V、6V，但是輸入電壓進(jìn)過(guò)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(mén)限值)可調(diào)范圍為0-2V,2-4V,4-6V,6-8

9、V，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(mén)限值要求。 圖4 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(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(lái)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

10、-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)。 4. Multisim仿真 4.1 AC-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） 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(guò)仿真可以看出，經(jīng)過(guò)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

11、看成。為了消除誤差，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可將門(mén)限值依次設(shè)為0V,2.04V,4.76V,7.48V來(lái)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) 2 2.037 3 3.378 4 4.758 5 6.083 6 7.475 7 8.868 4.2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(mén)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

12、) 理論電壓有效值(V) 燈亮個(gè)數(shù) 2.82 2.00 1 2.85 2.02 2 5.62 3.98 2 5.65 4.00 3 8.46 5.99 4 10.0 7.07 4 5.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） 4 LM324四運(yùn)放集成芯片 1 LED燈 4 二極管1N4

13、001 4 電容（100uF） 1 6.實(shí)物測(cè)試 通過(guò)測(cè)量2V,4V,6V的輸入電壓有效值經(jīng)過(guò)整流后得到的有效值，依次將實(shí)際門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)限，第4燈亮。

14、 （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 1.92 1 1 2.06 2 1 2.11 2 2 3.99 2 2 4.00 3 3 4.79 3 3 5.85 3 3 5.89 3 4

15、 6.54 4 4 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(guò)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(wèn)題： 1、電位器采用串聯(lián)

16、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(mén)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(lái)的第一次課程設(shè)計(jì)，在臨近課設(shè)時(shí)，感覺(jué)是束手無(wú)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(guò)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(lái)說(shuō)，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?lái)說(shuō)，課

17、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(guò)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(lái)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9 LM324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(shū)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. Multisim 12仿真設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社. 2012