电压采样电路设计总结报告_电压采集电路设计
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电压采样电路设计总结报告
专业班级： 电气工程及其自动化
实习日期：2013年7月22日---7月26日
2013年7月26日
目录
一、设计要求及目的：................................................2
二、所用元件：......................................................2
三、设计思路：......................................................21、电源部分电路.................................................32、电流-电压转化电路............................................43、电压抬升电路：...............................................54、二阶滤波电路.................................................65、方波转换电路.................................................7
四、课程设计中出现的问题及解决方案..................................9
五、设计总结........................................................9
一、设计要求及目的：
1、设计目标：设计一个电压采样电路，对220v交流信号进行采样，并利用运放对其进行处理，使其成为数模转换器（A/D）能够处理的信号。
2、基本要求：根据元件列表设计采样电路及其工作电源回路，将220v交流输入信号变为0-3v信号，并对其进行二阶有源滤波，滤除高频干扰信号，滤波后的信号平滑无畸变。
3、扩展：设计电路，将交流信号变为方波，过零点处干净无毛刺信号。
4、设计目的：
1）加强自主性学习、研究性学习，加强团队合作，提高创新意识； 2）通过该设计学会并掌握常用电子元器件的选择和使用方法； 3）结合所学的电子电路的理论知识完成电压采样课程设计。
二、所用元件：
变压器
1个、1N4007单向二极管
5个、470uF电解电容
4个 芯片7815和7915、紧密电流型电压互感器
1个、LM324芯片 10K电位器
1个、201pF电容
2个
电阻：110KΩ1个、10KΩ5个、1Ω1个、1KΩ2个、470Ω1个、200Ω1个
三、设计思路：
电压采样电路基础模块的设计思路首先是220v交流电源经过电流型电压互感器使强电转换为弱电，再通过电流/电压变换电路使其输出电压为-1.5v~+1.5v，接着通过一个反相加法运算电路使其输出电压抬升为0~3v，最后经过一个二阶有源低通滤波电路对其进行滤波，滤除高频干扰信号，滤波后的信号平滑无畸变，最后用一迟滞比较器将正弦波变成方波信号。
总电路图为：
1、电源部分电路
电路图为：
分析：通过电路图中三个万用表的示数可知，变压器输出交流电的有效值为15.078V，输出的直流电压为+15.517V和-15.633V，符合要求。
此电压用于给给芯片LM324提供直流电源，以及提升电压用。
1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。2）整流电路：利用4个单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
3）滤波电路：由于经过整流的直流脉冲电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压，用两个470uF的电解电容。
4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压、负载的变化而变化，用7815和7915芯片。
2、电流-电压转化电路
思路：220V（有效值）交流电源经过110K欧姆的电阻后电流变为2mA（有效值），经过2mA/2mA的精密电流型的电压互感器后电流仍未2mA,根据运放的虚短虚断的原理可知，运放输出的电压峰峰值为-1.5V到+1.5V。
计算过程为：1.8mA*580Ω*√2=1.47V(由于给的功率电阻是121K的，所以电流为1.8mA)电路图为：
输出波形图为：
3、电压抬升电路：
思路：利用反向加法器的原理将正负1.5V的电压提升到0-3V,所用提升电压为直流电源提供的-15.633V电压，通过参数选择可以实现此模块。
电路图为：
计算公式为：U02=-[U01*1KΩ/1KΩ+(-15)*1KΩ/10KΩ],U02为0-3V的正弦波。其中470欧姆的电阻是平衡电阻，其计算过程为1K//1K//10K，三个电阻并联的阻值。
输出波形为：
经测试后在示波器上得到的波形与仿真波形相似，但稍有毛刺。
4、二阶滤波电路
思路：利用所学的二阶低通滤波电路可以设计出符合要求的滤波电路
电路图为：
根据其要求对0-3V电压进行二阶有源滤波，滤除高频干扰信号，滤波后的信号平滑无畸变。
根据二阶低通有源滤波的公式得：f0=1/(2*3.14*R*C),我们选择电阻值为1MΩ，电容值为201pF，故 f0=1/（2*3.14*1*10*201*10）=792.2Hz，近似为800Hz,符合要求。由“虚短”和“虚断”的特点可得方程：
U+=U-=U03*R8/(R7+R8)=U03/(1+R8/R7)=U03/Aup，应使U+=U-=U03 得Aup =1，则取R7=2MΩ，R8=1Ω，目的是使滤波的低通增益为1，不会改变之前0—3v电压的波形。经滤波后的U03的波形为0-3V正弦波。
输出波形图为： 6
2从示波器上测试的结果稍微有点相位差，两个波形并不是完全的重合，但是误差不大，分析原因为电阻有一定的误差。
5、方波转换电路
思路：利用迟滞比较器，不用过零比较器的原因是，过零比较器是输入信号与零点相比较，但正弦波的零点会有抖动，所以方波会出现脉冲，用迟滞比较器可以将零点越过去。然后后面加一单向导通的二极管，只留下方波的上半部分。
电路图为：
分析过程为：
R11之前接的是第一个运放的输出U01即峰值1.5V的正弦波，设计要求中，需要将输出波形的毛刺去除，所以所用电路为迟滞比较器。为运放的正输入端电压近似为0，有公式得：
U+=U04*R14/(R14+R11),则应使R14远小于R11。经多次的仿真调试，我们选择R14=150Ω,R11=10KΩ.波形图为：
所焊的电路在示波器上检测的波形虽有一定的相位差，但总体上符合要求，分析产生相移的原因为，用的是迟滞比较器，不可能严格过零点只能尽量去接近零点。
四、课程设计中出现的问题及解决方案
1、设计电路首先在电脑上用软件仿真，以此来选取参数，不同的仿真软件可能有不同的结果，运放也会出现问题，不过通过不断的更改参数，不断的理论计算在仿真，最终出现了各部分波形图。
2、这次所用的芯片是LM324，是四个运放集合在一个芯片上，所以布局很重要，通过组内讨论，将绕线最少，电路最简单为目的。
3、刚开始输出的方波和正弦波有一定的相位差，分析其原因是电阻参数选取的不合适，运放是用作电压比较器用，所以输入端电压越接近零越好。通过改变参数，最终在老师那检测的结果基本符合要求。
五、设计总结
1、通过近几天的实习，我们学习了采样电路设计的相关知识，遇到问题互相讨论最终解决；
2、实践出真知，无论课本上讲的内容如何，只有通过实践才能获得真正的真理，所以在以后的学习生活中要理论联系实际，多动手动脑；
3、团队的力量大于个人，我们三人分工明确并将遇到的各种问题讨论后一一解决，所以只有团队合作，才能把事情做好；
4、这次实习进一步的提高了我们的焊接与整体布局能力，对于电路的焊接在技术上更加熟练，在布局上更加美观，让学长检查电路时，学长建议能走锡的话尽量少走线；
5、我们对于Multism软件有了更深一层次的掌握与运用，在今后的学习中会有很大的帮助。
下面是我们的电路实物图和布局图
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