交流小信号电压测量电路

交流小信号电压测量电路 小信号精密整流滤波电路报告 一、设计分析 在现代共农业生产和日常生活中，广泛地使用着交流电。主要原因是与直流电相比，交流电在产生、输送和使用方面具有明显的优点和重大的经济意义。例如在远距离输电时，采用较高的电压可以减少线路上的损失。对于用户来说，采用较低的电压既安全又可降低电器设备的绝缘要求。这种电压的升高和降低，在交流供电系统中可以很方便而又经济地由变压器来实现。此外，异步电动机比起直流电动机来，具有构造简单、价格便宜，运行可靠等优点。在一些非用直流电不可的场合，如工业上的电解和电镀等，也可利用整流设备，将交流电转化为直流电。交流电的电压(或电流)随时间作周期性变化。实际上，所谓交流电包括各种各样的波形，如正弦波、方波、锯齿波等。本设计中，我们主要面向正弦交流电。其原因在于，正弦交流电在工业中得到广泛的应用，它在生产、输送和应用上比起直流电来有不少优点，而且正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波，这有利于保护电器设备的绝缘性能和减少电器设备运行中的能量损耗。另外各种非正弦交流电都可由不同频率的正弦交流电叠加而成(用傅里叶分析法)，因此可用正弦交流电的分析方法来分析非正弦交流电。 二、原理分析 整流和滤波 整流的作用是把交流电转换成直流电，严格地讲是单方向大脉动直流电。 滤波:单相整流电路整流后的直流电为脉动直流电，其中仍包含较多的交流成分，为保证电源质量需要滤除其中的交流成分，保留直流成分，将脉动变化的直流电变为平滑的直流电。 1. 全波整流 由于二极管的伏安特性在小信号时处于截止或特性曲线的弯曲部分，一般利用二极管的单向导电性来组成整流电路，在小信号检波时输出端将得不到原信号(或使原信号失真很大)。如果把二极管置于运算放大器组成的负反馈环路中，就能大大削弱这种影响，提高电路精度。 如图1.1是同相输入精密全波整流电路，它的输入电压υI与输出电压υo有如 下关系: 图中A1组成同相放大器，A2组成差动放大器，υI都加在运放的同相输入端，具有较高的输入电阻。 图1.1精密全波整流电路 I >0时，D1导通，D2截止，此时A1构成电压跟随器，有υN1=υP1=υI此电当υ 压通过Rf1和R2加到A2的反相端;而A2的同相端输入电压也为υI，所以A2的输出电压υo为: 当υI<0时，D1截止，D2导通，此时A1为同相放大器，有: 而A2的输出电压为: 当电路参数如图1.1所示，即选择Rf2=2Rf1=2R1=2R2时，则υo=3υI-4υI=-υI上述分析明，在输出端可得到单向电压，实现了全波整流。 该电路的电压传输特性输入、输出电压波形分别如图1.3和图1.4所示。 图1.3 精密全波整流电压传输特性 图1.4 输入输出波形 2. 半波整流 二极管具有单向导电性，这在电子电路中应用非常广泛。例如整流电路就是二极管的典型应用之一。但由于二极管死区电压的存在，对于幅值小于死区电压的正弦信号来说，二极管将不导通，故起不到整流作用。图1.5所示的电路，就是一精密整流电路，它将毫伏级的正弦信号转换成半波输出。 图1.5 精密半波整流电路 图1.6所示即为精密半波整流电路的输入输出电压特性。 当UI>0(正半周)时，二极管D1导通，D2截止，输出电压Uo=0 ; 当UI<0(负半周)时，二极管D1截止，D2导通，输出电压Uo=-(R2/R1)UI。 图1.6 精密半波整流电路的输入输出电压特性 3、滤波电路 RC有源滤波器按照它所实现的传递函数的次数分，可分为一阶、二阶和高阶 RC有源滤波器。从电路结构上看，一阶 RC有源滤波器含有一个电阻和一个电容。二阶 RC有源滤波器含有二个电阻和二个电容。一般的高阶 RC有源滤波器可以由一阶和二阶的滤波器通过级联来实现。 二阶低通波器比一阶滤波器具有更好的滤波效果。图 1.7是一个二阶 RC低通滤波器。它实际上是在图 一阶低通滤波器的基础上增加了一级 RC电路而组成的。 图1.7 二阶低通滤波电路 三、设计过程 1、仿真分析: 设计之前需要先对所设计的电路进行仿真，得出合理的仿真波形后方可进行 实物设计。 仿真电路图: 信号源大小10mV，频率100Hz 输出波形范围:0-150mS 1、第一个运放输出的波形，是对信号源输出的信号进行放大: 2、第二个运放实现信号的半波整流。 3、第三个运放是加法器,将第一个运放输出的信号和第2个运放输出的信号叠加 并反相: 4、第四个运放对信号进行反向，可以得到波形全为正的半正弦波整流信号: 5、下图是信号经过一阶滤波之后得到的信号波形: 6、下图是经过二阶滤波的到的更平滑的信号波形。 四、收获总结 通过这次小信号精密整流滤波电路的设计，我掌握了运用运算放大器实现半波整流和全波整流，掌握了单向半波和全波整流电路工作原理。 通过实际的电路板布板和焊接的实际操作，实践并提高了我的实际动手能力。