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標題: 交流電壓有效值測量電路設計仿真與實現 [打印本頁]
作者: SimonJee    時間: 2018-1-12 15:33
標題: 交流電壓有效值測量電路設計仿真與實現
7.實物圖
圖7-1 AC-DC轉換模塊正面
圖7-2 AC-DC轉換模塊背面
圖7-3 輸入信號
圖7-4 輸入信號波形
圖7-5 輸出信號波形

《模擬電子技術基礎》課程設計目錄
摘要
1.電路方案論證與選擇
1.1系統基本方案
1.2各模塊方案論證與選擇
1.2.1可調直流穩壓源
1.2.2 正弦信號發生器
1.2.3 AC-DC轉換模塊
          1.2.4 LED分段顯示模塊
2.電路仿真
3.焊接與調試
3.1材料清單
3.2過程描述
5.心得體會
6.參考文獻
7.實物圖

課程設計任務書


學生姓名：邱*專業班級：電信1602

指導教師：孟*工作單位：信息工程學院

題目: 電壓交流有效值測量電路設計仿真與實現

初始條件：

可選元件：集成運算放大器、電阻、電位器、電容若干，或自備元器件。

可用儀器：示波器，萬用表，函數發生器


要求完成的主要任務:

（1）設計任務

根據要求，完成電壓交流有效值測量電路的設計、仿真、裝配與調試，并自制直流電源。

（2）設計要求

① 自制正弦信號發生器，測量輸入電壓峰值＜10v ，允許誤差為±2％，采用LED分段顯示，分段區間自定，可加入音響指示；

② 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。

③ 利用Proteus或Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數、掌握電路工作原理并仿真實現系統功能。

④ 安裝調試并按規范要求格式完成課程設計報告書。

⑤ 選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。

時間安排：

1、 前半周，完成仿真設計調試；并制作實物。

2、 后半周，硬件調試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。





指導教師簽名：年月日


系主任（或責任教師）簽名：年月日

摘 要
模擬電子技術課程設計是繼《模擬電子技術基礎》理論學習和實驗教學之后又一重要的實踐性教學環節。它的任務是在學生掌握和具備電子技術基礎知識與單元電路的設計能力之后，讓學生綜合運用模擬電子技術知識，進行實際模擬電子系統的設計、安裝和調測，利用Multisim等相關軟件進行電路設計，提高綜合應用知識的能力、分析解決問題的能力和電子技術實踐技能，讓學生了解模擬電子技術在工業生產領域的應用現狀和發展趨勢。為今后從事電子技術領域的工程設計打好基礎。
本課程設計的思路是將交流信號經過AC-DC模塊后，通過LED分段顯示電路確定有效值范圍來減小誤差，完成交流電壓有效值的測量。
關鍵詞：AC-DC轉換模塊、LED區間分段、有效值測量、減小誤差
電子技術課程設計進度要求
序號
設計內容
所用時間
1
布置任務及調研
1天
2
方案確定
0.5天
3
制作與調試
2天
4
撰寫設計報告書
1天
5
答辯
0.5天

合  計
5天

1.電路方案論證與選擇
1.1 系統基本方案
設計電路分為直流穩壓電源模塊、正弦信號發生器、AC-DC轉換模塊、LED分段顯示電路，即可完成題目對交流電壓有效值進行測量，并顯示的設計要求。
1.2 各模塊方案論證與選擇
1.2.1 可調直流穩壓源
設計圖1.1為采用CW設計的直流穩壓源。該穩壓源可穩定輸出電壓，電路簡單，應用廣泛。該穩壓源由以下五部分組成。
(1)降壓：通過變壓器將輸入的220V，50HZ交流電降為14V輸出。
(2)整流：通過整流電路，將輸入的交流電壓信號變為脈動信號。
(3)濾波：通過C1及C2等濾波電容將輸入的電壓信號轉變為波形更為平緩的電壓信號。
(4)穩壓：通過穩壓芯片將不穩定的電壓信號變為穩定的直流電壓。
圖1-1 直流穩壓電源電路
1.2.2 正弦信號發生器

圖1-2 正弦信號發生器
1.2.3 AC-DC轉換模塊


                                圖1-3  AC-DC轉換模塊

1.2.4 LED分段顯示電路
方案一：采用電壓跟隨器隔絕前后電路，再用分壓的辦法使得二極管能夠在不同的電壓時能夠亮起。
缺點：電壓跟隨器是在理想情況下，實際中實現較為復雜，故不采用。

圖1-5LED分段顯示電路
方案二：采用電壓比較器，通過改變LED導通所需的初始電壓來達到分段顯示的目的。較易實現，故采用此方案。

圖1-6LED分段顯示電路
2.電路仿真
一：對系統電路的關鍵模塊AC-DC用Multisim進行仿真，電路圖及仿真數據如下。


圖2-1 AD-DC模塊仿真
輸入頻率為50HZ、幅值分別為2、4、6、8、10的正弦波。
①輸入50HZ，幅值2Vpp的正弦波


②輸入50HZ，幅值4Vpp的正弦波



③輸入50HZ，幅值6Vpp的正弦波

④輸入50HZ，幅值8Vpp的正弦波


⑤輸入50HZ，幅值10Vpp的正弦波



表2-1 仿真數據
輸入幅值(V)
2
4
6
8
10
理論有效(V)
1.414
2.828
4.242
6.656
7.071
輸出值(V)
1.573
3.514
5.485
7.456
9.429
Vo/Vc
1.112
1.242
1.293
1.120
1.333

由表2-1可以看出，精確地將交流信號轉換為直流信號，輸出其有效值，大約能輸出有效值的1.1—1.2倍。故需要更進一步消除誤差，方案為通過外加電源和比較器的方式將輸出的有效值與理論有效值的差值部分抵消，從而使LED分段顯示有效值。
一：對系統電路的關鍵模塊AC-DC和LED電路用Multisim進行仿真，電路圖及仿真數據如下。
3.焊接與調試
3.1材料清單
器件類型
規格
數量
電阻R1
2kΩ
1
電阻R2
100kΩ
1
電阻R3
100kΩ
1
電阻R4
100kΩ
1
電阻R5
3kΩ
1
電位器R6
500Ω
1
電阻R7
6.8kΩ
1
電容C1
15pF
1
電容C2
4.7μF
1
電容C3
220nF
1
電容C4
10μF
1
電容C5
4.7μF
1
二極管
1N4148
3
芯片
TL062
1

3.2過程描述
先用萬用表檢測元件參數是否符合要求。然后按照原理圖，元件裝配。裝配完成后焊接該硬件。焊接時，以45度靠緊焊接面進行預熱；然后將焊錫絲同時伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處；當焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當焊點上的焊錫成圓錐形時即抽離焊錫絲。在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如果焊點有連焊，應將焊錫線與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側放著向下移走，吸去多余的焊錫；焊點的標準是：焊點呈錐形，焊錫要適量，表面有光澤，光滑，清潔等。焊接完成后調試制作的硬件。
(1)按下自鎖開關，將測試腳37腳接高電平，數碼管顯示-1888，說明顯電壓數字顯示部分焊接無誤。
(2)將測試電壓輸入口短接，數碼管顯示為0，說明測試無零點誤差。
(3)將測量檔位調到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，顯示數字為60.0。
4.參數測量及驗證
(1)電壓衰減模塊測試結果如表4-1
表4-1 電壓衰減模塊測試
電壓（V）
<0.2V
2V檔
20V檔
輸入（V）
0.2
1
1.5
2
3
4
6
7
輸出（V）
0.2
0.1
0.14
0.2
0.028
0.041
0.058
0.07
(2)AC-DC模塊測試結果如表4-2
用信號發生器直接在AC-DC模塊輸入有效值已知，頻率可調的正弦交流電，在輸出端測量其直流電壓。與輸入的有效值對比，發現數值相接近，基本滿足后面的進一步連接要求。
表4-2 AC-DC轉換模塊測試
輸入有效值（mV）
50
100
150
200
實際輸出值（mV）
48
97
145
192
(3)整體調試參數如表3-3
將完整的電路全部連接好后，接入50Hz交流信號，改變信號有效值的同時也要相應的改變檔位，以免將電路燒毀。
表3-3 整體測試結果1
檔位
0.2V檔
2V檔
輸入（mV）
50
100
150
200
500
800
1000
1500
顯示（mV）
52.2
102.2
152.5
196.2
50.6
90
108.2
160.2
表3-4 整體測試結果2
檔位
20V檔
輸入（V）
2
2.5
3
3.5
4
5
6
7
顯示（mV）
20.1
27.5
31.2
38.2
43.5
52.2
61.7
74.8
5.心得體會
課程設計之初，我對交流電壓有效值測量完全沒有想法和方案。在完成課程設計的短短幾天內，我不斷搜集資料、設計方案、整理思路、制作電路圖、電路仿真，最終得到了理想的電路設計方案與仿真結果，然后又開始著手元器件的購買、實物的焊接與調試、數據測試。這其中我遇到了很多的困難，在克服這些困難的同時，也學到了很多課本里學不到的知識，收獲了很多課堂上講不到的方法。
在收集資料的過程中我遇到了各種各樣的方案，每種方案都有其利弊。我仔細對比了各種方案的可行性，考慮了成本、可操作性、繁簡程度等諸多問題。在這個過程中我學到了很多書本中沒有的知識。
在設計電路的過程中用到了Multisim軟件。我之前一直使用Proteus軟件進行設計電路與仿真，但是Proteus軟件較Multisim軟件來說在實用性與操作性上略遜。所以在此次在課程設計中我選用了Multisim軟件進行電路仿真，在使用Multisim軟件軟件之前我上網看了一些教程，大致了解了Multisim軟件的使用方法。我在以后的學習中會更加深入地研究與學習Multisim軟件，用它的強大的功能來幫助我解決實際問題。
本次課程設計培養了我的工程設計思想。從收集資料、對比選擇、確定方案、電路圖設計、電路仿真到元器件的配置、實物焊接與調試、數據的測量收集，從中所獲得的經驗對今后的學習與工作都有很大的幫助，同時我也學會了如何在短時間之內對知識進行取舍與進行重點學習和突破。
雖然課程設計的過程是辛苦的，但結果確是令人振奮的。我從中學到的知識、方法與積累的自信、經驗都會在今后的學習和工作中對我有很大的幫助。
6.參考文獻
[1] 康華光.電子技術基礎（模擬部分）北京：高等教育出版社，2006
[2] 文艷.protel99SE電子電路設計 北京：機械工業出版社，2006
[3] 何希才.新型集成電路應用實例 北京：電子工業出版社，2002
[4] 臧春華.電子線路設計與應用 北京：高等出版社，2004
[5] 吳友宇.模擬電子技術基礎 北京：清華大學出版社，2009
[6] 童詩白.模擬電子技術基礎（第五版）北京：高等教育出版社，2001

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