數(shù)字交流毫伏表的設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)
2024-10-01 13:46 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 個(gè)方向的發(fā)展趨勢：一是向多功能、多參數(shù)、高精度、高速度方面發(fā)展，另一個(gè)是向?qū)嵱没⑿⌒突?、?shù)字化、廉價(jià)的通用或單一用途方面發(fā)展。對(duì)于數(shù)字式電壓表來說，一方面趨向于合并于數(shù)字式萬用表中，另一方面趨向于使用方便、小型廉價(jià)的單一用途電壓表。 本文所研制的數(shù)字式交流毫伏表的顯著特點(diǎn)是測量范圍寬，可測電壓范圍為500V 以下，最大分辨率為 ，且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，操作簡單，使用方便。該電壓表還具有在 — 定的測量范圍內(nèi)將量程自動(dòng)選擇在最佳位 置的功能，從而可以快速、方便、準(zhǔn)確地測量電壓。 6 2 設(shè)計(jì)工具的簡介 PROTEL99 簡介 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是印制電路板（簡稱 PCB 板）的設(shè)計(jì)，采用的是 Protel 99SE。 Protel 軟件以其易學(xué)易用而著稱。 Protel 99 SE 這套電路設(shè)計(jì)軟件，主要包括四部分： Schematic99 SE、 SIM99SE、 PLD99SE、 PCB99SE、 PCB99CE。除了上述四大部分之外， PROTEL99 也提供了一些基本工具，如特別使用與電路設(shè)計(jì)的文字編 輯器的工具，適用于電路數(shù)據(jù)管理的電子表格編輯器和統(tǒng)計(jì)圖編輯器等工具。 繪制 PCB 時(shí)的注意事項(xiàng) 從焊接面看，組件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致布線方向最好與電路圖走線一致。布線方向最好與電路圖走線方向一致，因生產(chǎn)過程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測，故這樣便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試以及檢修。 ，分布要合理和均勻，力求整齊美觀，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆? (1)當(dāng)電路組件數(shù)量不多，而且電路板尺寸較大的情況下，一般是采用平放。 (2)豎放 ：放電路的組件數(shù)較多，而且電路板尺寸不大的情況下，一般上采用豎放。 在穩(wěn)壓器中用來調(diào)輸出電壓，故設(shè)計(jì)電位器應(yīng)滿足順時(shí)針輸出電壓升高，逆時(shí)針調(diào)節(jié)輸出降低，在可調(diào)恒流充電器中電位器用來調(diào)節(jié)充電電流的大小，設(shè)計(jì)電位器是應(yīng)滿足順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)，電流增大。電位器安放應(yīng)當(dāng)滿足整體結(jié)構(gòu)安裝及面板布局的要求。因此應(yīng)盡可能放在邊緣，旋轉(zhuǎn)板朝外。 ，組件腳間距要合理。 ，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求走線合理，少用外接跨線。 圖時(shí)走線盡量少拐彎，力求線條簡單明了。 7 ，導(dǎo)線的寬度要定好尺寸，不能太粗和太細(xì)，導(dǎo)線間距要盡量統(tǒng)一適中，以防短路。 。在不違背原理的前提下可以從元件中調(diào)用其他元件替代本元件。 8 3 工作原理 數(shù)字電壓表是利用模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換原理，將被測電壓 (模擬量 )轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來的一種電壓測量儀器。因此，對(duì)于一臺(tái)數(shù)字電壓表來講，除了供電電源之外，一般均可分為模擬和數(shù)字兩部分。其原理框圖如圖 31所示。 圖 31 數(shù)字電壓表的原理框圖 A／ D 轉(zhuǎn)換是數(shù)字電壓表的核心，它將被測電壓量 (模擬量 )轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù)字量。數(shù)字電壓表常用的 A／ D 轉(zhuǎn)換有兩種方式：一種是將模擬電壓信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字量，這一般通過 A／ D 轉(zhuǎn)換器來完成；另一種是將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成與之成比例的頻率量，然后通過計(jì)數(shù)器測量出頻率值，即可確定其電壓值。 同大多數(shù)數(shù)字式交流電壓表一樣，本表也分為模擬和數(shù)字兩部分。但由于本表具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，所以它又具有不同于一般電壓表的特點(diǎn)。本表的工作原理框 圖如圖 32所示。 輸入電壓信號(hào) ui經(jīng)過輸入通道進(jìn)入放大器部分，經(jīng)過放大之后，由 AC／ DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為與交流電壓有效值相等的直流電壓。該直流電壓經(jīng)過 V／ F 轉(zhuǎn)換輸入電路 A/D 轉(zhuǎn)換 計(jì)數(shù)器 顯示器 邏輯控制 9 電路輸出相應(yīng)的頻率量，然后計(jì)數(shù)器部分在秒脈沖的控制下進(jìn)行計(jì)數(shù)測量，最后顯示出讀數(shù)，從而完成電壓的測量。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路根據(jù) AC／ DC 轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓值決定反相放大器的放大倍數(shù)。這樣，可以根據(jù)輸入電壓 ui 的大小改變放大器的放大倍數(shù)，從而使 AC／ DC 轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓值符合 V／ F 轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍。這也是量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)。 工作原 理框圖中各部分的具體電路及工作原理將在下文中詳細(xì)說明。 圖 32 工作原理框圖 輸入通道的設(shè)計(jì) 本電壓表的輸入通道分為高壓 (500V一 5V)輸入通道和低壓 (5V以下 )輸入通道。通道的切換采用人工手動(dòng)切換，其原理圖如圖 33所示。 由圖可見，輸入通道由衰減器和跟隨器兩部分組成。低壓 (5V 以下 )輸入直接進(jìn)入由運(yùn)算放大器構(gòu)成的跟隨器，而高壓 (500V 一 5V)輸入經(jīng)過衰減器衰減后進(jìn)入跟隨器。衰減器基本分為電阻式和電容式兩種。實(shí)際電路中，為了改善電路的性能，常采用阻容混合式 衰減器，阻容串聯(lián)或阻容并聯(lián)均可。在本儀表中為了輸入通道 反向放大器 AC/DC 轉(zhuǎn)換 V/F 轉(zhuǎn)換 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路 計(jì)數(shù)器 顯示部分 秒脈沖發(fā)生器 10 消除電阻對(duì)地的雜散電容及分布電容的影響，采用了阻容并聯(lián)式衰減器，如圖33所示。為了使衰減器的衰減倍數(shù)不因電壓幅值和頻率的變化而變化．阻容值應(yīng)滿足下列條件： (Cl十 C2)／ C1=(R1十 R2)／ R2；即 C1Rl＝ C2R2。該電壓表需要衰減100 倍的衰減器，故有 (Cl十 C2)／ C1=(R1十 R2)／ R2＝ 100；且 Rl十 R2為高壓輸入通道內(nèi)阻。由此即可確定電阻、電容的值。輸入通道是利用跟隨器來提高輸入阻抗的，信號(hào)從運(yùn)放的同相端輸入，其理想的輸入阻抗為 ∞ ，實(shí)際為幾十 兆歐。跟隨器的輸出與輸入波形相同且相位 — 致，使信號(hào)無畸變地送入測量電路。 圖 33 輸入通道 反相放大器的設(shè)計(jì) 當(dāng)較小的被測電壓信號(hào)送入測量電路時(shí)，為了更精確地測量它，必須將信號(hào)放大。這里用反相放大器，其電路如圖 34 所示。 由反相放大器的放大倍數(shù)的幅值 AU＝ UO/UI=Rf /R 可知，當(dāng) R＝ l kΩ 時(shí)，根據(jù) KA KA2的通斷， Rf分別取 lkΩ 、 10kΩ 、 100kΩ 時(shí)．則放大倍數(shù)分別等于 1 11 倍、 10 倍、 100 倍。 而量程電動(dòng)切換正是利用輸入電壓的值控制繼電器器 KAKA2的通斷，從而調(diào)整放大倍數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的。 圖 34 反相放大器 AC／ DC 轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) 在測量交流信號(hào)時(shí)，交、直流轉(zhuǎn)換是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，交、直流電壓轉(zhuǎn)換一般由整流電路和濾波電路構(gòu)成。整流電路一般有無源和有源兩種。其中無源整流電路由于二極管的非線性飽和區(qū)的存在影響測量精度。而有源整流電路則可以消除二極管的非線性截止區(qū)的影響。因此，本儀表中采 用了有源全波整流，其電路如圖 35所示。 12 圖 35 全波整流電路 當(dāng)輸入信號(hào) ui處于正半周時(shí)， D2 截止， uo1為虛地， uo1≈ 0；當(dāng) ui處于負(fù)半周時(shí)， D1 截止， D 2 導(dǎo)通，形成負(fù)反饋。此時(shí) uo1＝一 (R2u1)／ Rl，且二極管的非線性截止區(qū)不會(huì)影響輸出。 Uo1的波形為半波整流波形。 U2和 R3一 R5構(gòu)成反相加法器，若取 R4＝ 2R3，則輸出 uo2＝一 R5(uo1十 u1／ 2)/R3，即正弦波同半波整流波形相加，形成全波整流輸出。電容 C的作用是濾除高頻干擾。 濾波電路一般也分為有源濾波和無源濾波。為了提高精度，本儀表采用了二階有源低通濾波器，其電路如圖 36所示。 13 圖 36二階有源低通濾波器 對(duì)于輸入的全波整流信號(hào)，低通濾波器的作用是濾除其中的交流成分，只讓直流成分通過。 因此，將低通濾波器的截止頻率定為 2Hz。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)精密儀器自動(dòng)測量的重要組成部分，也是本儀表的核心控制部分。本儀表采用的是模擬比較法量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬比較法量程 自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路是由模擬比較器、量程寄存器、量程開關(guān)和譯碼器組成，其原理框圖如圖37所示。 14 圖 37 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的原理框圖 (1)模擬比較
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