电子线路专业课程设计电流变送器.docx

大连海事大学

电子线路课程设计

题目：电流变送器设计
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一. 内容摘要
设某种测温电阻在温度从0℃~1000℃改变时，电阻值从0Ω改变到1kΩ，在试验中因无法提供测温电阻，故用一个1~1kΩ滑动变阻器替换，并设计一个测量电路，将电阻改变经过运算放大器将其转化为4~20mA电流并将其改变并输给负载电阻。因为试验室只提供LM324N，则试验电路及仿真电路使用为运放LM324N。LM324芯片技术资料和使用方法均来自汉字资料相关手册。
二. 设计任务和技术指标
1. 设计要求：
① 熟悉电路工作原理。
② 运放器件指定为LM324，要求经过查阅手册取得器件参数。
③ 负载电阻要求一段接地。电流改变和电阻改变成正比。
④ 依据技术指标经过分析计算确定电路形式和元器件参数。
⑤ 画出电路原理图。
⑥ 计算机仿真。
2. 技术指标：
① 电阻改变量：0.0Ω~1.0kΩ
② 电流输出：4.0~20mA
③ 负载阻抗：≤200Ω
④ 电源电压：DC +(-)12V范围内任选
三. 电路原理及设计方案选择
1.设计方案选择
温度电流变送器及将温感元件因温度改变而产生微弱电流信号变换为工业控制系统中通用标准电流4~20mA信号。而在此次试验设计中，将使用0~1kΩ滑动变阻器来替换试验所用温感电阻。原理图图1-1.

经过查询资料，得到了两个能够得到电压转换为电流方案，其一为上图，及R6，R7成固定等百分比，即可使输出端电流正比于输出电压，而方案二为使用了两个晶体三极管来实现。为了使试验设计简单明了并方便实物连线操作，在此本人选择了第一套方案，及图所表示。
2.电路原理
第一个运算放大器U1A将温度电阻(滑动变阻器)Rt1阻值改变转化为电压改变，且由LM324技术资料中得悉，使其Vo1电压值为1~5V最好。若将输入电压定位-1V，经过公式
Vo1=Vi*(1+Rt/R1) (1)
则能够求得R1阻值为250Ω。第二个运算放大器U1B，则是将U1A得到 输出电压Vo1转换为负载输出电流改变，及组成了一个V-I转换器。而 要使U1B含有电压控制电流目标电路中各个电阻应该满足关系为
R2/R4=(R6+R7)/R5 (2)
至此，U1A在满足上述条件情况下，输出电压Vo1和负载处输出电流Io2成正比，切经过计算简化能够得到
Io2=-(R2*Vo1/R7*R4) (3)
由此得到了由运放U1A和U1B组合实现电阻和电流相互转换关系，从 而完成了电流变送器设计试验要求。
由(1)式和(3)式能够导出电阻Rf1和输出电流Io2之间关系
Io2=-(R2*Vi*(1+Rf1/R1)/R7*R4) (4)
及
Io2=-(R2*Vi/R7*R4)-(R2*Vi/(R1*R7)*R4)*Rf1 (5)
可见，Io2和Rf1成线性相关关系，若Vi输入为负，则为正相关。
又由图1-1可得
Vi1=-1V R1=250Ω R4=R2=10kΩ
R5=500Ω R6=R7=250Ω
总而言之，可得Io2和Rf1实际线性关系为：
Io2=4*(1+Rf1/250) mA (6)
3. 元器件选择
LM324芯片 *1
100Ω电阻 *8
200Ω电阻 *6
520Ω电阻 *2
10kΩ电阻 *2
200kΩ电阻 *1

四. 仿真
将上述原理图利用multisim进行电路仿真，经验证后发觉输入电阻处可用更为简单接线方法，且可用较大电阻使整个电路结构更为稳定，其实际效果图图1-2所表示。
因为实际测量中负载两端电压易测，故采取测量负载两端电压措施进行实际测量。在仿真中，右上方XMM1为万用表，能够直接测量负载电阻处输出电流，但实际上实物操作中要求使用万用表测量负载电阻两端电压，能够经过欧姆定律
Io2=Vo2/R3 (7)
Io2：输出电流
Vo2：输出电压
R3：负载电阻
能够求得所需要输出电流Io2。
注：在仿真中，要注意在运行时不能有操作，但能够观察各点实际电压电流值，方便愈加好地对电路进行调整及修正，使其功效更为完善。测试结果见表1-1，表1-2。

五. 实物连接及调试
1. 实物连接及调试
实物连接图1-3所表示，因为电路中利用了正负12V直流电压及-1V电压，故是用了两个电源，其中一个为LM324N提供直流稳压电源，另一个作为输入电压来使用。
实物连接中将接地端全部统一在了一片区域方便愈加好地检验电路。
在试验过程中，发觉了实际结果和仿真电路出入较大，后经校验发觉，R1使用了错误阻值电阻，使得测得最终负载电阻处电压过大，后经调试，最终得到了比较符合设计要求电流改变值，但因为实物连接和计算机仿真不一样，首先，在实物连接中，导线并不像仿真中那样是理想状态，拥有一定电阻值，使得最终止果出现了差错；其次，因为试验室所配置电阻种类较少，所需要部分电阻如250Ω需要进行拼凑，此次设计中采取为两个100Ω电阻并联后再和一个200Ω电阻串联。
在调试过程中，试验结果一直和理论值有较大出入，后经发觉为面包板有一段点并未串在一起，使得本应并联电路变成了串联，后对此处进行了标识。
调试后最终试验结果如表1-1及表1-2所表示。

2. 试验仿真结果及数据处理

Rf1 (Ω)
0
100
300
510
710
910
1k
I仿(mA)
3.986
5.582
8.773
12.124
15.315
18.506
19.942
U测 (V)
0.384
0.527
0.848
1.197
1.498
1.827
2.077
I测(mA)
3.840
5.270
8.480
11.970
14.980
18.270
20.770
表1-1 R3=100Ω时试验及仿真结果

Rf1 (Ω)
0
100
300
510
710
910
1k
I仿(mA)
4.327
5.610
8.818
12.186
15.393
18.601
20.044
U测 (V)
0.760
1.060
1.652
2.242
2.833
3.270
3.885
I测(mA)
3.800
5.300
8.260
11.210
14.165
16.350
19.425
表1-2 R3=200Ω时试验及仿真结果
六. 试验总结
此次试验中，愈加清楚认识了LM324功效参数及使用方法，有了更为深入了解。同时更为直观了解了运算放大器多种使用原理，学会了仅经过电阻比值百分比来使运算放大器达成电压控制电流方法而不使用晶体三极管。熟练掌握了芯片管脚接法。经过调试步骤明确了各个电阻在实际电路中作用，并经过不停对电路改善，增强了自己动手能力。
试验过程中出现过两次较大失误，其一为接地端选错了相连点，其二为芯片端口一处忘记接导线，但最终没有影响试验结果。
误差分析：部分电阻值和仿真中有差距，导线所带电阻不可忽略，电源开启时间略长后会有热效应影响试验结果。

·参考文件
傅丰林·《低频电子线路（第二版）》·高等教育出版社，1月
蒋立平·《数字逻辑电路和系统设计（第二版）》·电子工业出版社，1月
杨欣 莱·诺克斯 王玉凤 刘湘黔·《电子设计从零开始（第二版）》·清华大学出版社，10月