测控电路课程设计.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书

目 录
摘要 ……………………………………………………………………………2
第一章 设计的意义 ……………………………………………………………3
第二章 设计原理………………………………………………………………4
一、电路设计的理论分析………………………………………………………4
二、电路的分模块介绍………………………………………………………5
三、总体电路设计………………………………………………………………8
第三章 仿真结果………………………………………………………………10
第四章 心得体会………………………………………………………………13
参考文献…………………………………………………………………………13

摘 要

本次课程设计主要设计了交直流电流转换电路，对其原理做出较为详尽的说明，并对电路进行了仿真，并对仿真结果进行分析。通过该课程设计，全面系统的理解了交流直流转换器一般原理和基本实现方法。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的电子各个方面的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己的设计表示出来，加深了对理论知识的理解。其次，这次课程设计让我基本掌握了multsim软件的使用，明白了软件仿真对设计的重要性。

关键字：交流直流转换器 multsim软件

第一章 设计的意义
本次课程设计为设计一个交流电流转换器，将幅值为0.1mA-0.5mA，频率为50Hz的交流电流信号放大为4-20mA标准的直流电流信号。通过本次设计，我巩固了巩固了以前所学过的电流—电压转换器、电压—电流转换器和低通滤波器的相关知识，通过查阅资料学习了精密整流电路的相关知识，并应用multisim仿真软件对电路进行了仿真。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

第二章 设计原理
一、电路设计的理论分析
本次课设要求将幅值为0.1mA-0.5mA，频率为50Hz的交流电流信号放大为4-20mA标准的直流电流信号。由于信号均为电流信号，为了便于信号处理，先通过电压—电流转换器将电流信号变为电压信号；再根据要求需要对信号进行整流、滤波、放大处理；最后将电压信号在变回符合要求的电流信号。总体框图如下：
输入交流信号
电流电压转换电路
全波整流电路
低通滤波电路
电压电流转换电路
直流信号

图1 电路设计总体流程图

二、电路的分模块介绍
1、电流—电压转换器

输入信号源为交变电流源，要得到交流电压信号，这里采用最简单的形式，可以用跨阻放大器来实现。在此电路中，使用的是10kΩ放大器的两端接+（-）15V电源，保证其输出的电压信号。
2、全波整流电路
把交流电变为单向脉冲电，称为整流，将微弱的交流电转换成单向脉动电，则称为精密整流，用精密二极管来实现。本次设计的用精密全波整流电路可以达到要求。下面介绍三种精密全波整流电路。

图一为经典全波整流电路，A1用的是半波整流并且放大两倍，A2用的是求和电路，达到精密整流的目的。（R1=R3=R4=R5=2R2）这种电路有两个优点，一个是可以通过改变R5来改变增益；一个是可以在R5上并联电容进行滤波处理，刚好本次设计的符合要求。

图二应用四个二极管，要求R1=R2。A1是半波整流电路，是负半轴有输出，A2的电压跟随器的变形，正半轴有输出，这样分别对正负半轴的交流电进行整流。

图三匹配电阻要求R1=R2，R4=2R3，优点是具有输入高阻抗。如果在R4并联电容，UO将产生直流衰减。
3、低通滤波电路
将一只电阻与反馈电容并联如下如所示，就构成了一个低通滤波器。

则电路的直流增益：H0=-R2/R1
截止频率：w0=1/R2C f0=1/2πR2C
电容值必须足够大，才能使处理后的剩余输出纹波在规定的范围内。这要求fo必须小于最小的工作频率fmin。
4、电流—电压转换器
本次设计可以采用浮动负载或接地负载两种转换电路。下图为浮动负载转换器中的同向输入型，图中电流表测得的电流I0=V/R7。

电流—电压转换器
三、总体电路设计
根据设计要求我设计了三种方案均能达到设计要求，电路图如下：

图1 采用高输入阻抗型电路整流

图2采用经典型电路整流并滤波

图3衰减采用后差分放大器型

经过仿真比较图一方案性能最优，方案二电路更加简洁。下面对方案一进行详细介绍。
峰值0.5mA交流信号经电流电压转换器将交流电流信号转换成交流电压信号，经转换后电压峰值为：
v1=i×R01=0.5×10=5V。
经转换后的交流电压信号经全波整流得到单向脉冲信号（负值）：
v2=-∣v1∣
交流信号进行全波整流后经带增益的低通滤波，就得到一个直流电压，这个电压是已整流信号的均值：
v3=v2×∏×2×(R07+R8)/R06=5×0.6366×255/200=3.58V
电容值必须足够大，才能使处理后的剩余输出纹波在规定的范围内，根据经验公式，当fmin=50Hz时，其中电容应满足：
C》1/2π(R07+R8)fmin=14.14nF
经过电压电流转换器，要使输出电流电压符合要求，电阻R08的取值为：R08=v3/20=3.18/20=0.179kΩ

第三章 仿真结果

通过multisim仿真软件的仿真电路如下图：

峰值0.5mA交流信号经电流电压转换器将交流电流信号转换成交流电压信号，经转换后电压仿真如下图所示，经转换后电压峰值为5v，与计算结果相吻合。

经转换后的交流电压信号经全波整流得到单向脉冲信号如下：

经滤波后，由于加入滤波电容，电路相应发生延迟，电压是已整流信号的均值，此时仿真结果电压为3.61V，与计算结果基本相符，通过滤波得到的波形如下：

最终通过电流表的电流的直流分量为20.004mA，相对误差值为0.02%，电流表的交流分量为0.134mA，相对误差为0.67%，基本完成了从交流电转化为直流电并放大的设计要求，仿真图如下：

第四章 心得体会

在此次的课程设计过程中,我更进一步地熟悉了运算放大器和模拟电路工作原理和其具体的使用方法。在设计全波整流电路部分时，我通过查询相关书籍和资料，按时准确地将系统原理弄清楚，并且找出原始电路图优点和不足。通过自己的计算，将改进后的电路图取得了仿真的成功。这一过程不光增长了自己的知识，而且巩固了自己学习知识、处理问题的能力。
在设计电路过程中,仿真电路与实际的电路有出入，经过老师的指导和与同学的讨论，我对电路进行了进一步的改进。
此次课程设计不光增长了我的知识，锻炼了我的动手能力，而且让我养成了查找资料、发现并解决问题的能力。
最后，由衷的感谢老师在课程设计期间对我的悉心指导和不吝教诲，这些知识和能力会使我终生受益。

参考文献

1、基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；
2、模拟电子技术；
3、电路理论；
4、数字电子技术。

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