电流电压转换器的制作与调试课案.docx
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电流电压转换器的制作与调试课案
目录
第1章电流/电压(I/V)转换器的制作与调试.............................................................2
1.1设计任务.........................................................................................................................2
1.2总体设计方案.................................................................................................................2
1.3系统分析与设计..............................................................................................................2
1.3.1电路原理.................................................................................................................2
1.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单...................................................................3
1.5系统安装、调试与参数测量.......................................................................................4
1.6改进意见与收获体会...............................................................................................…4
第2章电压/电流(V/I)转换器的制作与调试.............................................................5
2.1设计任务..........................................................................................................................5
2.2总体设计方案..................................................................................................................5
2.3系统分析与设计.............................................................................................................7
2.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单....................................................................7
2.5系统安装、调试与参数测量.......................................................................................8
2.6改进意见与收获体会...................................................................................................8
第3章声控式音乐彩灯控制器的制作与调试..............................................................10
3.1设计任务........................................................................................................................10
3.2总体设计方案.................................................................................................................10
3.3系统分析与设计............................................................................................................10
3.3.1电路原理...............................................................................................................…..10
3.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单...................................................................10
3.5系统安装、调试与参数测量.......................................................................................10
3.6改进意见与收获体会..................................................................................................12
第1章电流/电压(I/V)转换器的制作与调试
1.1设计任务
熟悉有关运放的各类应用电路,按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。
将0~10毫安电流信号转换成0~10伏电压信号。
设计实现这一要求的电流/电压转换电路,误差控制在5%以内。
1.2总体设计方案
(1)无源I/V变换无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现,并加滤波和输出限幅等保护措施。
(2)有源I/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成。
利用运算放大器进行对输入信号的放大。
将输入电流信号转变为电压信号,然后由运算放大器实现电压放大,从而完成电流到电压的转换。
此设计利用运算放大器与电压的并联负反馈制作转换器,使输入的一定量的电流通过电路的作用在输出端输出一定的电压,制作并调试一个电流输入电压输出的电流/电压(I/V)转换器。
1.3系统分析与设计
1.3.1电路原理电路
采用电压并联负反馈和运放的虚短虚断性质,在输入端用一个较小的电阻R采集电流,使输入电流基本完全通过电阻,既而输入电流转化为R两端电压输入,并通过一个比例运算放大电路控制电压增益,得到一个输入电流和输出电压的关系式。
-15V电压那个支路是用来调零的:
当电流Ii=0时,调整电位器使V0=0(设左下角10k电位器电压为Vip)。
输入端电阻R为电流采样电阻,很小(电流表内阻越小越好),且一定满足R<<100k,故Ii在R上产生电压。
设R上端电位为Vi1,R下端电位为Vi2,所以Ii*R=(Vi1-Vi2)。
右边10k负责调整增益的,设右边10k电位器可调端电压为Vop,2个2k电阻与100k电阻的连接节点2电位设为Vn(上面的)和Vp。
输入输出关系推导如下:
由运放虚断,则2个2k电阻上无电流,有:
(Vi1-Vn)/100k=(Vn-Vop)/200k(式1)
(Vi2-Vp)/100k=(Vp-Vip)/200k(式2)
由运放虚短,则Vn=Vp(式3)
联立3个方程,得Vop=Vip-2(Vi1-Vi2)=Vip-2*Ii*R设右边10k电位器上半边电阻为Rup,下半边电阻为Rdown,因为右边10k<<200k(最上边的),故200k的分流可忽略。
则Vop是电位器分压Vo,Vop=Rdown×Vo÷(Rup+Rdown)=Rdown×Vo÷10k
所以
Vo=(10k/Rdown)*Vop=(10k/Rdown)*(Vip-2*Ii*R)
1.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单
电路图如下:
图1.2电压电流转换器
表1.2元器件清单
名称
规格
数量
电阻
100K
3
电阻
2K
2
电阻
200K
2
滑动变阻器
10K
2
运算放大器
op07
1
导线
若干
表1.3仪器仪表清单
名称
数量
直流稳压电源
1
数字万用表
1
电流源
1
电路板
1
1.5系统安装、调试与参数测量
调节调零电阻,使得在零输入时,输出信号也为零。
当输入电流变化时,输出电压也随之改变,说明电路工作正常。
按实验电路图焊接各个元器件,通过仪器仪表输入所需电流,在输出端测试所要测量的电压,正确完成其调试,并记录数据
表格如下:
表1.4参数测量
电流信号(毫安)
0
2
4
6
8
10
电压信号(伏)
0
2.07
4.13
6.18
8.18
10.12
理论电压信号(伏)
0
2
4
6
8
10
1.6改进意见与收获体会
改进意见:
电路板上元件距离分布不是太合理导致焊接路线的导线杂乱很难检测,稍有不注意容易短路造成器件损坏。
收获:
学会了电流电压转换器的设计方法和性能指标测试方法,培养了实践技能,提高了分析和解决实际问题的能力。
第2章电压/电流(V/I)转换器的制作与调试
2.1设计任务
熟悉有关运放的各类应用电路,按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。
将0~10伏电压信号转换成0~10毫安电流信号。
设计实现这一要求的电压/电流转换电路,误差控制在5%以内。
2.2总体设计方案
(1)基本电路
在控制系统中,为了驱动执行机构,如记录仪、续电器等,常需要将电压转换为电流。
一般在放大电路中引入合适的反馈,可以实现上述转换。
如图2.1所示为实现电压/电流转换的基本原理电路。
实际上该电路是一个反相比例运算电路,故输出电压Uo与输入电压Ui反相。
电阻RL跨接在集成运放的输出端和反相输入端,引入了电压并联负反馈。
同相输入端通过电阻R1接地,R1为补偿电阻,以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性;其值为Ui=0(即将输入端接地)时反相输入端总等效电阻,即各支路电阻的并联,所以,R1=R//RL。
由于理想运放的净输入电流均为零,故R1中电流为零,所以Un=Up=0,则负载电流I=IL=UiR(2.3)
式(2.3)表明负载电流IL与Ui成线性关系。
但是此电路设计电路中的负载没有接地,即负载RL处于浮地状态;待变换的输入电压Ui受运放的最大共模输入电压限制,虽然该设计虽然电路结构简单,但不适合用于某些应用场合。
所以在设计中不用此方案。
(2)豪兰德(Howland)电流源电路
在实用电路中,常常需要负载电阻RL有接地端,为此产生了如图2.2所示的豪兰德电流源电路。
由于该电路引入深度负反馈,可以认为集成运放的两个输入端电位Un≈Up,电流In≈Ip≈0,因此在结点N的电流方程为Ui?
UnUn?
U0=R1R2因而N点的电位Un?
((2.4)结点P的电流方程UiU0+)*RnR1R2(Rn=R1//R2)UpR因而P点电位+io=Uo?
UpR3Up=((2.5)Uo?
io)*(R//R3)R3由上推导,P点的电压近似等于N点的电压,即Un≈Up,并假设R2/R1=R3/R,利用式(2.4)和式(2.5)相等的关系,得到Io=-Ui/R,由于输出电流与输入电压反相,不符合设计要求,所以也不采用此方法进行设计。
R1UiNAR3UoPRLRIo图2.2
(3)实用电压/电流转换电路豪兰德电流源电路6结合以上分析,采用图2.3的方案2.3系统分析与设计图
2.1中,Vi是输入电压,经过运算放大器放大信号到输出端,可调电阻W1是调零用的,以消除电路的零点误差,可调电阻W2是调放大倍数用的,Rl是负载电阻,允许在一定范围内变化,Io是输出电流。
运算放大器的引脚接法如下:
2接反向输入端,3接正向输入端,4接反向电压,6接输出端,7接正向电压。
电阻R3引入电压串联负反馈,电阻R4引入电压并联正反馈。
由虚短:
V1=V2,由同相端虚断:
(Vi-V1)/R1=(V1-V4)/R4=>即:
Vi-V1=V1-V4,由反相端虚断:
(Vp-V2)/R2=(V2-V3)/R3=>即:
Vp-V2=V2-V3,所以:
Vi-Vp=V3-V4,由节点V4的KCL关系有:
(V3-V4)/W2+(V1-V4)/R4=Io,所以:
Io=(Vi-Vp)/W2+(V1-V4)/R4,再由于W2< 则总电路图、元器件清单、 2.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单参考电路图如下: 图2.3电压电流转换器 表2.1元器件清单 名称 符号 规格 数量 电阻 R1,R2,R3,R4 100K 4 电阻 3K 1 电阻 Rl 1 滑动变阻器 W1,W2 1K 2 运算放大器 op07 1 导线 若干 表2.2仪器仪表清单 名称 数量 直流稳压电源 2 数字万用表 1 电路板 1 2.5系统安装、调试与参数测量 在整个电路安装完毕后,分别对各个模块电路进行调试。 在这之前,先进行通电前的检查,确定各部分电路是接线正确,电源、地线、信号线、元器件的引脚之间无短路,元器件没有接错,尤其是集成芯片OP-07的安装。 然后进行通电检查,接入电路所要求的电压,电源电压接入±15V,观察电路中各部分的器件有无异常。 尤其观察芯片是否过热,如果过热很有可能会被烧坏,则要降低电源电压。 在调试前,经过仔细而谨慎地检查,确信电路基本正常。 先进行运放电路的调零: 将输入信号接地,调节滑动变阻器使得输出也为零。 改变输入电压的值,观察输出电流随输入的变化而变化,说明电路可以正常工作。 按实验电路图焊接各个元器件,通过仪器仪表输入所需电流,在输出端测试所要测量的电流,正确完成其调试,并记录数据表格如下: 表2.3参数测量 电压信号(伏) 0 2 4 6 8 10 电流信号(毫安) 0.32 1.91 3.92 5.93 7.96 9.12 理论电流信号(毫安) 0 2 4 6 8 10 2.6改进意见与收获体会 改进意见: 电路板上元件距离分布不是太合理导致焊接路线的导线杂乱很难检测,稍有不注意容易短路造成器件损坏。 收获: 学会了电流电压转换器的设计方法和性能指标测试方法,培养了实践技能,提高了分析和解决实际问题的能力。 第3章 3.1设计任务 声控式音乐彩灯控制器的制作与调试熟悉各类电路和相关器件的功能作用,按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。 设计一种声控式音乐彩灯控制电路,通过声音的大小控制灯的亮度; 3.2总体设计方案 本设计由桥式整流电路、压电陶瓷、可控硅等组成一个声控式音乐彩灯控制器的电路 3.3系统分析与设计 3.3.1电路原理由D1~D4组成桥式整流电路,输出直流电压经电阻R1限流电容C滤波使发光管LED点亮发光,指示电路工作。 此时LED两端将得到1.6V左右的直流压降,作为控制回路VT的工作电压。 W和R2作为三极管VT的集电极负载,调整W阻值大小使VT集电极刚好处于饱和导通状态。 此时VT集电极即可控硅SCR的控制端为低电位,SCR阻断,彩灯不亮。 如环境有音乐声波信号,经压电陶瓷片HTD拾取后,即输出相应电信号加到VT的基极和发射极之间,其信号负半周使VT的集电极电流减小,VT退出饱和导通状态而进入放大状态,这时集电极电位变高,SCR控制端获得触发电压而导通,彩灯H点亮。 故彩灯能随HTD输出电信号即声波场强变化而闪烁,调节W可改变控制器的声控灵敏度。 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 3.4总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 参考电路图如下: 图3.1声控式音乐彩灯控制器的制作与调试 表3.1元器件清单: 名称 符号 规格 数量 电阻 R1 82K 1 电阻 R2 4.7K 1 电阻 R3 2M 1 滑动变阻器 W1 18K 1 电容 C 22uF 1 发光管 LED 1 三极管 VT 1 可控硅 SCR 1 二极管 D1,D2,D3,D4 1N4001 4 灯泡 1 导线 若干 表3.2仪器仪表清单: 名称 数量 220V电压源 1 数字万用表 1 电路板 1 3.5系统安装、调试与参数测量 完成制作后,即可通电调试。 接上220V交流电后,LED应发光指示。 将电位器W的阻值由大逐渐调小,当调到某一点时,彩灯H会常亮不闪,此时可把11W往回调,即阻值稍大使彩灯H刚好熄灭,次位置为声控灵敏度最高位置,加大W灵敏度则逐渐减小。 如果调小W,彩灯H始终不能点亮,排除元器件故障和接线错误外,则是由于VT始终处于饱和导通状态,故SCR一直处于关断态。 此时可换用β值稍小的管子或者增大电阻R3的阻值,减小VT的基极电流来解决;如果W无论处于何位置,彩灯H总是常亮不闪,这是由于VT不能进入饱和导通状态,集电极始终为高电位,故SCR一直开通。 这时可换用β值大一些的管子来代换,或将R3阻值减小。 总之要求W应有这样一个调节范围,W调小到某一位置时,灯会亮不闪,W调大则灯熄灭。 使用时,将控制器放置在音响设备喇叭附近,调整W,就可以使彩灯随音乐节奏而闪烁。 3.6改进意见与收获体会 改进意见: 学校提供电路板和元件时是全新的,便于学生自己规划焊接,避免出现某些元件是坏的造成调试时达不到原来预期期望,这样给学生和老师都带来麻烦! 收获体会: 1、了解了元件可控硅的内部结构及引脚的动能,对于该元件的应用有了进一步认识 2、学会了如何处理问题,检查元器件是否损坏。 3、掌握了声控彩灯的工作原理 参考资料: [1]模拟电子技术基础,中国电力出版社,韩学军主编,2008年一月版 [2]电路原理 [3]数字电子技术基础,中国电力出版社,王义军主编,2007年8月版 [4]全国大学生电子设计竞赛培训系列教程—模拟电子线路设计,电子工业出版社,高吉祥主编 [5] [6] [7]《电工学》,高等教育出版社,曹建林主编 [8]《模拟集成电路设计》杨华中,汪蕙,刘润生著,高等教育出版社,1996 课程设计说明书 学生姓名: 曾强 学号: 2013307010630 学院: 自动化工程学院 班级: 自动136 题目: 1电流/电压(I/V)转换器的制作与调试 2电压/电流(V/I)转换器的制作与调试 3声控式音乐彩灯控制器的制作与调试 指导教师: 2015年12月28日
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