【文章內(nèi)容簡介】 整流；當(dāng) 0UIUD1 時 ，二極管截止， 0O?U ，故采用普通二極管整流電路，無法對較小的信號整流 ，整流效果不好。 其輸入輸出波形如圖 34所示，其中實線為輸入波形，虛 線為輸出波形。 UIR1UOD1 tOUUDUIUO 圖 33 二極管整流電路 圖 34 整流電路輸入輸出波形 精密整流電路 精密整流電路可以很好的解決普通二極管整流的不足。 精密整流電路 利用集成運算放大器的放大作用和深度負(fù)反饋作用，克服了普通二極管的非線性伏安特性和死區(qū)電壓帶來的信號誤差 。利用它 可以 將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成單向脈動電壓，整流 電路的 輸出保 持 輸入電壓的形狀，而僅僅改變電壓的相位。精密整流電路如圖 35 所示 A 1A 2R1R2R3UIUOD1D2++ 圖 35 精密整流電路 其工作原理如下： 當(dāng) UI0 時，運放 A1 輸出小于 0，運放 A2 輸出大于 0，二極管 D1 截止、 D2 導(dǎo)通。 這時電路等效成兩個電阻 R R2 串聯(lián)，再與由運放 A2 構(gòu)成的電壓跟隨器并聯(lián) ，則 UO=UI。 當(dāng) UI0 時，運放 A1 輸出大于 0，運放 A2 輸出小于 0，二極管 D1 導(dǎo)通、 D2 截止。這時的電路等效成反向比例電路。 取 R1= R2，則 2O I I1RU U UR? ? ? ? ?。 由上， OIUU? 。因此精密整流電路也稱 為絕對值電路 [11]。 當(dāng)輸入有效值為 5V，頻率為 50Hz 的正弦波信號時，將輸出相對應(yīng)的整流波形，其 波形圖圖 如圖 36 所示。 精密整流電路克服 很好的 二極管 D D2 在信號非常小時的非線性和正向?qū)▔航怠? 7 tOUItOUO 圖 36 輸入輸出波形 濾波電路設(shè)計 經(jīng)整流后的電壓還不能直接作為直流電壓使用，還需要對其進(jìn)行濾波。濾波電路就是將 脈動的直流電壓轉(zhuǎn)化成平滑的直流電壓的過程。一般采用 電容與負(fù)載并聯(lián)，或者電感與負(fù)載串 聯(lián)來構(gòu)成。在此，我們采用電容濾波電路進(jìn)行電壓濾波。其基本電路圖如圖 37 所示。 C1RL整 流UIUO+ 圖 37 濾波電路 電容器具有“通交流，阻直流”的特點 ，它是一個儲能元件，隨著電壓的變化，其儲存和釋放的能量也在不斷變化。對于圖 37， 其 輸出 波形圖如圖 38 所示，它的 工作原理大致如下： （ 1） t1 ~ t2 時刻， UI 上升， UI大于電容上的電壓 UC， UI 對電容充電，此時 UO=UC? UI； （ 2） t2 ~ t3 時刻， UI 下降， UI小于電容上的電壓。二極管兩端電壓為負(fù)， 截止。電容 C 通過 RL 放電， UC 按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù) LRC???， UO= UC。 tUOt 1 t 2Ot 3 圖 38 濾波電路波形圖 8 輸出電壓的平均值，即輸出 直流 電壓通常為 IO )~( UU ? ，它與時間常數(shù) LRC???有關(guān)。 ?越大，電容器放電時間越慢，輸出電壓平均值也就越大 [10]。一般取2)5~3(L TCR ????。 這時經(jīng)濾波后的電壓 已 經(jīng)變得很平滑，但是還是有明顯的脈動信號，特別是當(dāng) RL ? C 很小時。為了進(jìn)一步得 到平整的直流電壓，可以考慮采用 多級濾波的方法，即在電路后再加一級或多級電容濾波電路。 本設(shè)計采用的 RC? 型濾波電路圖如圖 39 所示。 R 1 R 2R3C3C2C1UO+++ 圖 39 RC? 型濾波電路圖 這樣脈動電壓經(jīng)過多級濾波之后， 就 已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了非常平滑的直流電壓。 此外， 由于整 流電路本身輸出 電阻過小，且下一級 V/I 轉(zhuǎn)化電路和 AD 數(shù)模轉(zhuǎn)化電路輸入電阻大。輸出電阻越小，輸入端得到的電壓也越小，信號源電壓衰減的也越大；輸入電阻越大，輸出電壓越不穩(wěn)定。整流電路帶負(fù)載能力因此也降低，輸出的直流電壓無法帶動后面的電路。所以還需要在整流濾波電路后設(shè)計一個 同向比例電路 ，以提高電路帶負(fù)載能力。 設(shè)計合適的同向比例電路可以使整個電路“輸入高阻態(tài)，輸出低阻態(tài)”，使電路 對于前一級電路呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，相當(dāng)于開路；對于后一級電路呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，相當(dāng)于恒壓源。前后級電路不會相互影響。有效地起到了隔離、提高負(fù) 載能力的作用。本設(shè)計的電壓跟隨器電路如圖 310 所示。 這是電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 UIUO+R1RfRb 圖 310 同向比例電路 圖中， 由于 0II?? ??，所以有 IUU ?? ， fRRRU ???11 所以 ???????? ?? 11 RRUU fIO () 上式表明輸出電壓與輸入電壓相位相同，大小 成一定比例關(guān)系。當(dāng) Rf 趨向于 0 或 R1趨向于無窮大時，輸出電壓與輸入電壓近似相等 [10]。同時電路帶負(fù)載的能力也得到了提高。 9 V / I 轉(zhuǎn)化電路設(shè)計 4 ~ 20mA 電流是標(biāo)準(zhǔn)電信號之一。在工業(yè)、電力現(xiàn)場，用一個儀表完成信號的處理并采用電壓進(jìn)行長線傳輸 ，傳輸線會受到噪聲的干擾、傳輸線上的電阻會產(chǎn)生一定的壓降 [12]。采用電流信號進(jìn)行傳輸就可以很好的解決以上問題。 V/I 轉(zhuǎn)化電路就是要將 0~5V 電壓信號轉(zhuǎn)化成4~20mA 電流信號。 將 0 ~ 5V 電壓轉(zhuǎn)化成 4 ~ 20mA 電流，需要由 兩部分電路完成。一是 利用加法電路完成 0~5V電壓的提升，二是利用電壓 —— 電流轉(zhuǎn)化電路完成壓流轉(zhuǎn)化。 （ 1） 加法電路 加法電路 如圖 311 所示，完成兩個電壓的加法運算 [13]。 R1R2RfR3+UI 1UI 2U oi1i2i3NP 圖 311 加法器電路 圖中 節(jié)點 P 的電流方程為 321 iii ?? I1 P I2 P P1 2 3U U U U UR R R???? I 1 I 2P1 2 3 1 21 1 1 UUUR R R R R??? ? ? ????? 所以同向輸入 電 位 I1 I2PP12UUUR RR???????? () 其中 1 2 3|| ||PR R R R? 。 將式 代入式 ，得 f I 1 I 2OP12f f I 1 I 2Pf 1 2P I 1 I 2fN 1 2(1 )R U UURR R RR R R U URR R R RR U URR R R??? ? ? ? ????????? ? ? ? ???????? ? ? ????? () 式中 N 3 f||R R R? 。若 NPRR? ， 則 I1 I2Of12UUUR RR??? ? ????? () 10 （ 2） 電壓 —— 電流轉(zhuǎn)化電路 電壓 —— 電流轉(zhuǎn)化電路 如圖 312 所示，主要完成電壓、電流的線性變換 [13]。 R1R2R0+UII oR3+RUO 2UO 1R4N1P1N2P2A2A1 圖 312 電壓 電流轉(zhuǎn)換電路 圖中 A1 構(gòu)成同向求和運算電路， A2 構(gòu)成電壓跟隨器。圖中 1 2 3 4R R R R R? ? ? ?，因此 O2 P2UU? 34P1 I P2 1 P 23 4 3 4 RRU U U U UR R R R? ? ? ? ? ??? () 2O 1 P 1 P 1112RU U UR??? ? ????? 將式 代入上式， O1 P1 1U U U??， R0 上的電壓 0 O 1 P2 IRU U U U? ? ? 所以 IO 0UI R? () 已知 IO 的輸出范圍為 4~20mA， 根據(jù) 式 列出如下方程 組 ： IMAXIMIN20 k4kUU??? ?? () 根據(jù)式 列出如下方程： N I 1 M I N I2O M I NP 1 2N I 1 M A X I 2O M A XP 1 2ffRU UURR R RR UUURR R R? ??? ? ? ?? ??? ? ????? ? ? ? ???? ??? () 圖 311 中輸出電壓 UO 即為圖 312 中的輸入電壓 UI。 UI1MIN 為 0V， UI1MAX 為 5V。將以上數(shù)據(jù)及方程組 代入方程組 ， 化簡 得出 I2214 5URR? () 根據(jù)上式，在加法電路 311 中，取 124RR? ，則可得 I2 5U? V。即當(dāng) UI1 為 0~5V 電壓、I2 5U? V 時，經(jīng)過加法電路以及電壓 電流轉(zhuǎn)換電路后，即可得到 4~20mA 直流電流。 5V 電壓可 以從 供電電路得到。 11 單片機(jī)及 AD 接口電路 設(shè)計 本設(shè)計采用 AT89C52 的 MCU 平臺，結(jié)合 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ADC0808 對輸入電壓進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，并通過單片機(jī)控制 7SEGMPX4CC 型 LED 進(jìn)行實時 電壓顯示，達(dá)到電壓顯示 的目的。 在使用 LPC2106 作為主控制 器 進(jìn)行實際電路搭建 時，只需將 AT89C52 替換即可。 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 / 輸出端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 3 個 16位可編程定時計數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。 它 將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本 [8]。 下面給出基于 AT89C52 單片機(jī)系統(tǒng)控制平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，硬件框圖如圖 313 所示。 A T 8 9 C 5 2L E DA D C 0 8 0 8晶 振 及 復(fù) 位 串 口 下 載 圖 313 系統(tǒng)控制平臺框圖 晶振及復(fù)位電路 晶振電路用于向 MCU 及其它電路提供工作時鐘。晶振一般分為有源晶振和無源晶振。根據(jù)AT89C52 最高工作頻率以及 ADC 電路的工作方式，本系統(tǒng)使用 12MHz 的無源晶振，電路如圖 314 所示。 復(fù)位電路可以使主機(jī)各部件 恢復(fù) 為出事狀態(tài)。復(fù)位電路如圖 315 所示，電路在上電復(fù)位電路的基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個開關(guān)，既可保證上電復(fù)位，又可手動復(fù)位。 X T A L 1X T A L 21 2 M H z Y 1C1C23 0 p F3 0 p F V C CC3S1R1+ 1 0 k1 0 μ FR S T 圖 314 晶振電路 圖 315 復(fù)位電 路 ADC0808 電路接口 ADC0808 是采樣頻率為 8 位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 其 它由單一 +5V電源供電， 其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 每次轉(zhuǎn)換耗時 100μ s，輸出帶有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與 51 系列單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連 [14]。其 主要特性 如下： （ 1） 8 路 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位 ； （ 2） 具有轉(zhuǎn)換起 、 ?？刂贫?； （ 3） 轉(zhuǎn)換時間為 100μs； （ 4） 單個 +5V 電源供電 ； （ 5） 模擬輸入電壓范圍 0～ +5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn) ； 12 （ 6） 工作溫度范圍為 40～ +85 攝氏度 ； （ 7） 低功耗， 約 15mW。 其片內(nèi)的 38 地址譯碼器， A、 B、 C 為地址入口， 可以選中任一地址線，實現(xiàn) IN0~IN7 的 8 路選一 。 A、 B、 C 三 位的地址輸入與 8 路地址的對應(yīng)關(guān)系如表 31 所示。 本例中， A、 B、 C 三腳分別與地相接，通過譯碼選中 IN0地址，電壓信號通過滑動變阻器器接入 IN0。由于 ADC0808 的模擬輸入電壓范圍為 0~+5V，而考慮到電網(wǎng)電壓的向上浮動，整流得到的直流電壓也會超過 +5V，故將滑動變阻器阻值調(diào)到中央分壓，再通過軟件編