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    交流电压_直流电压转换电路(课程设计)

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    电子技术课程设计
    课题名称姓名
    交流电压/直流电压转换电路

    难度学号



    R6
    R3
    15kΩ
    150kΩ
    C3
    1μF
    R5150kΩ
    +15V
    +15V
    C2
    D1
    R4
    R7
    75kΩ
    150kΩ
    R8+15V
    ∞-u
    i
    N1
    ∞-N2
    ∞-+
    +
    D2
    N3
    +
    10μF
    150kΩ
    +
    R1
    100kΩ
    +
    Uo
    R2
    10kΩ
    +
    -15V
    -15V
    C1
    10μF
    -15V


    简要说明：
    该电路将微小的输入交流信号ui的有效值精确地转换成为直流电压输出Uo，以便于用直流电表进行测量。
    思考题：
    1．直接用二极管整流电路能否实现上述电路功能？为什么？2．该电路能够测量的信号的频率范围是多少？
    参考文献：
    施良驹《集成电路应用集锦》电子工业出版社，1988，6
    何希才，白广存《最新集成电路应用300例》科学技术文献出版社，1995
    庄效恒，李燕民《模拟电子技术》机械工业出版社，1998，2



    1


    一、课题名称：交流电压/直流电压转换电路
    二、课题摘要：该电路将微小的输入交流信号ui的有效值精确地转换成为直流电压输出Uo，以便于用直流电表进行测量。三、电路原理图：
    R6
    R315kΩ
    150kΩ
    C31μF
    R5150kΩ
    +15V
    +15V
    C2
    D1
    R4
    R775kΩ
    150kΩ
    R8+15V
    ∞-u
    i
    N1
    ∞-N2
    ∞-+
    +
    D2
    N3
    +
    10μF
    150kΩ
    +
    R1
    100kΩ
    R210kΩC110μF
    -15V
    +
    Uo
    +
    -15V
    -15V

    四、工作原理分析：（一）、电路原理分析
    本电路依次运用微分运算放大电路、半波整流电路和积分电路将微小的交流信号ui的有效值精确的转换为直流电压输出Uo。
    第一部分：同向比例运算电路。
    ··
    此电路为同向比例运算电路。由[1]P129，根据虚断路原则，ii0，R1上的压降为0。uiu。
    电阻R2上的电压

    2


    ufu
    R2Ruo

    2R3
    由虚断路原则uu，有
    uR2
    R2Ruo
    3
    代入uiu，得
    uR3o(1
    Rui
    2
    放大倍数
    Auf1
    R3R1
    152
    10
    2.5
    （2）

    当ui2在正半周期时D1导通，D2截止。
    由虚断路原则，流入运放输入端的净输入电流id0，由虚短路原则uu0，所以反向输入端为虚地，故有：
    iuuo1
    ui2R，if
    4
    Ru
    o；5R5
    u0。3


    因为：
    i1idifif；
    代入
    ui2R4

    uo
    ；R5
    所以放大倍数
    Auf
    R5R4

    150150
    1
    当ui2在负半周期时，D2导通，D1截止。此时闭环的放大倍数
    Auf0。
    所以此电路的作用相当于半波整流器。交流信号经过此电路后正半周期按等大小翻折为负；而负半周期波形则被削去。（3）

    此电路为一阶低通有源滤波器中的反向输入低通滤波器。由[1]P174，信号输入在反向输入端，RC滤波网接在反馈支路中。输出与输入间的向量关系式为：
    Ajw其中:Z
    f
    UoUi

    Z
    f
    Z1
    ;
    R8//(jXCF
    R8
    1jwR8C3

    Z1RxR7//R650k

    4


    代入，整理得：
    A(jw式中:w0
    1R8C8w02
    6666.6667;R8
    1
    ;
    Rx1jw/w0

    因为:f0
    1061.57Hz
    所以,上限截止频率f0为1061.57Hz
    当w=0时，
    A(o
    R8Rx
    15050
    3;
    当ww0时，有：
    A(w0
    A(02
    ；
    当w时，A(0当ff0时，A(w
    A(o2
    ，信号衰减很小，可以认为全部通过滤波器。
    当ff0时，输出信号衰减很大，认为不能通过滤波器，所以称这种电路为低通滤波器。其通频带为
    0~f0
    ，即0~1061.57Hz。
    （二）、对于电路的改进建议。
    按照原理，通过计算得知输出电压应为输入电压的
    32
    2.122
    倍。经过电脑仿
    真和实际测量都证明了计算结果的正确性。由于输出电压与输入电压之比为2.122，那么在实际测量中，需要将结果除以2.122才能得出正确的结论，不光存在误差，而且比较繁琐。如果让输出电压等于输入电压的有效值，则需让
    5


    AUojwU
    Z
    f
    1;
    i
    Z1
    其中:
    Z
    f
    R8//(jXCF
    R8
    1jwR8C3
    Z1RxR7//R650k
    所以：
    R850270.7k
    经过电脑仿真和实际测量，证明改进后的电路比之前的更加准确。1、修改前的波形图

    2、修改后的波形图


    6


    （三）、思考题：
    1、直接用二极管整流电路能否实现上述电路功能？为什么？
    答：不可以。因为二极管导通电压为0.5V，截至电压为0.1V，不能测量微小电压。
    2、该电路能够测量的信号的频率范围是多少？
    答：由一阶系统不失真测试条件得：
    G'(s
    C1C2(1k2R8
    C1C2k2R3(R6R6R8C3S
    5
    2R3(1R8C3S



    假定幅值放大倍数不超过1.5%，认为是恒流，则：
    G(jw
    5
    2R3(1R8C3jw

    A(w
    R
    2R31(R8C3w
    2

    令A(w1.5%w300rad/s
    即：f
    3002
    48Hz

    根据上面对于低通滤波器原理的分析，通过计算得到最小频率大约是48Hz。经过实际电路测量，此结果也基本符合实际情况。三、仿真电路图及仿真结果1、电路原理图


    7


    2、调试
    （1）当ui=17.1mV，f10Hz时，输入电压ui与输出电压uo波形为：
    显然，输出电压uo并非为直流电压，波动较大。
    （2）当ui=17.1mV，f40Hz时，输入电压ui与输出电压uo波形为：
    输出电压uo并非为直流电压，但波动已经较小。
    （3）当ui=17.1mV，f50Hz时，输入电压ui与输出电压uo波形为：
    8





    输出电压uo已经非常接近直流电压，经过直流电压表测量，uo=17.1mV，已经实现课程题目的要求。
    在f50Hz时，改变输入电压ui的值，输入电压ui与输出电压uo的关系如下表所示（单位：mV）：
    输入
    ui
    14.58.711.517.136.255.675
    输出
    uo
    2.75.39.111.717.135.855.474
    输入
    ui
    106.7282397742113521303630
    输出
    uo
    107.2297415708109120603770
    下面将数值方形图分析如下：
    9


    8007006005004003002001000
    1
    35.8
    2.75.39.111.717.12
    3
    4
    5
    6输入
    55.4
    107.274
    297
    415
    708
    78输出
    9101112

    uoui
    ui
    %
    2.711
    %170%
    输入ui=1mV时，输出uo=2.7mV，误差1=
    ；
    输入ui=4.5mV时，输出uo=5.3mV，误差2=
    uoui
    uiuoui
    ui
    %
    5.34.54.59.18.78.7
    %17.8%
    ；
    输入ui=8.7mV时，输出uo=9.1mV，误差3=
    %%4.6%
    ；
    输入ui=11.5mV时，输出uo=11.7mV，误差4=
    uoui
    uiuoui
    ui
    %
    11.511.7
    11.5
    %1.74%
    ；
    输入ui=36.2mV时，输出uo=35.8mV，误差5=
    %
    36.235.8
    35.8
    %1.11%
    ；
    输入ui=397mV时，输出uo=415mV，误差11=
    uoui
    uiuoui
    ui
    %
    397415415742708742
    %4.53%
    ；
    输入ui=742mV时，输出uo=708mV，误差12=
    %%4.58%
    ；
    输入ui=1135mV时，输出uo=1091mV，误差13=
    uoui
    uiuoui
    ui
    %
    11351091
    1135
    %3.88%
    ；
    输入ui=3630mV时，输出uo=3770mV，误差15=
    %
    36303770
    3630
    3.86%
    ；
    由误差分析可知，在输入电压ui小于8mV时，系统误差大于5%，电压不能
    10

    输入ui输出uo
    12.6
    4.55.4
    8.79.3
    11.511.6
    17.117.1
    36.236.1
    55.655.4
    7575.1

    被准确测量。在输入电压ui介于8mV与200mV之间时，误差小于2%，测量结果较为精确。当输入电压ui介于200mV与4000mV之间时，误差小于5%，测量结果较为准确。
    为了验证电路的稳定性，我测量了多个频率下输入电压与输出电压的关系，结果与f50Hz时基本一致。
    各次测量所得数值列表如下：（2）频率f100Hz时。（单位：mV）
    输入
    14.58.711.517.136.255.675
    ui
    输出
    2.65.49.111.617.135.855.475
    uo
    输入
    106.7282397742113521303630
    ui
    输出
    106.9297413761115423003770
    uo
    （3）频率f900Hz时。（单位：mV）
    输入
    14.58.711.517.136.255.675
    ui
    输出
    2.85.39.211.317.13655.475
    uo
    输入
    106.7282397742113521303630
    ui
    输出
    106.7299415770115623003790
    uo
    （3）频率f2000Hz时。（单位：mV）
    11


    （4）频率
    f12000Hz
    输入ui输出uo
    106.7106.9
    282297
    397416
    742769
    11351155
    21302300
    36303830

    时。（单位：mV）
    输入
    ui
    14.58.711.517.136.255.675
    输出
    uo
    2.75.49.211.617.236.155.475.1
    输入
    ui
    106.7282397742113521303630
    输出
    uo
    106.9297415770115523003880
    五、电子电路分析、制作（一）、主要元器件分析
    此电路所用的主要原器件为741运算放大器。1、元器件性能
    元件LM741（通用集成运放）的性能参数如下：
    （1）LM741管脚图

    图1运算放大器外形图图2741放大器输出输入脚位图

    工作方式与原理：741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有同向与反向两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后又输出端输出。放大器工作时的最大特点是需要一对同样大小的正负电源，其值由

    12


    12Vdc~18Vdc不等，而一般使用15Vdc的电压。741放大器的外形与接脚配置分别如图1、2所示。
    741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压Vdc
    与Vdc，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即回被放大于输出端，故运算放大器输出电压特性曲线如图3，输出电压到达Vdc和Vdc后会呈现饱和状态。

    图3放大器输入输出电压关系图
    741放大器的工作原理是：若在同向输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反向输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性的输出信号。而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以同向输入端电压值减去反向输入端电压值，再经倍率放大后输出。
    （2）集成运放芯片内部电路图


    13


    LM741内部电路采用有源电极负载代替电阻负载：频率内补偿：有短路保护，可防止过流损坏；无阻塞现象；具有较高的输入共模电压、差模电压范围；高增益，具有失调电压的调节能力，适用于多种运放场合。
    (3LM741内部参数规范表
    参数名称电源电压差模输入电压共模输入电压允许功耗工作温度范围输入失调电压输入失调电流输入偏置电流差模输入电阻输入失调电压调整范
    围
    输出电阻
    参数符号VccV1（DIFF）
    V1PdTOPRVI0II0IIRyiRIDVIORROS
    工作数值
    183015
    单位VVVmW℃mVnAnAMΩmVΩ
    500-55——+125
    1.020802.0
    15
    75
    （二）、电子电路制作
    构成本电路的电子器件不多，以三个运算放大器为主，另外结合基本的电容、电阻。制作本电路需要：
    电阻：15K×1，10K×1，100K×1，150K×3，75K×1，70K×1，电容：10uF×2，1uF×1
    运算放大器：选用可接15V电压的运放器UA741×3。
    考虑到电脑仿真电路的741运算放大器的管脚与实际存在差距，我在制作电路时，重新将电路进行了布线。在制作时，我按照布线图仔细焊接，几乎一次就取得了成功。六、心得体会
    这11周的电子课程设计实习已经结束了，通过11周以来各位老师的不吝指导和周围同学的热心帮助，我终于顺利地完成了本门课程的学习。
    在此次的课程设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在计算电路原理时，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中的不足。通过自己的

    14


    计算，将改进后的电路图制成实物后取得了成功。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。
    在制作电路过程中,仿真电路与实际的电路有出入。在将第一个运算放大器焊接到电路板上时，我意识到按照电脑仿真去制作电路实物会使电路过于混乱，因此我重新布置了电路图，不光使电路简洁、清楚，而且大大的减少了电路空间和错误的发生率。
    总之，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，由衷的感谢各位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。七、参考资料
    1、施良驹《集成电路应用集锦》电子工业出版社，1988，6
    2、何希才，白广存《最新集成电路应用300例》科学技术文献出版社，19953、庄效恒，李燕民《模拟电子技术》机械工业出版社，1998，2
    15

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