交流电压变送器

交流电压变送器 一、条件 1(可选元件(或自备元件): 电压互感器: 1只 二极管: 若干 三极管、运放: 若干 电阻、电容、电位器: 若干 2(可用仪器:万用表，示波器，毫伏表，信号发生器，直流稳压源 二、设计任务及要求 1(设计任务 根据技术要求和已知条件，完成对交流电压变送电路的设计、装配与调试。 V/I 电压 精密 放大 转换 互感器 整流 电路 2(设计要求 (1)测量范围: AC 0V,100V有效值 输出范围: 4mA,20mA直流(?200Ω负载) 最大误差: 2.5% (2)选择电路，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数，选择元件，画出总体电路原理图，阐述基本原理。(用Proteus或MultiSim软件完成仿真) (3)安装调试并按规定格式写出课程设计报告。 三、时间安排 1(第10周:布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求。完成选题。 2(第10 ~ 14周:完成资料查阅、设计、仿真。 3(第15 ~ 16周:制作与调试，完成课程设计报告撰写。 4(第16 ~ 17周:提交课程设计报告，课程设计验收，答辩。 目 录 摘要 ................................................................................................................................................... 1 1 绪论 ............................................................................................................................................. 2 2 技术指标及要求 ......................................................................................................................... 2 2.1 设计任务及要求 ............................................................................................................. 2 2.1.1 设计任务 ............................................................................................................. 2 2.1.2 设计要求 ............................................................................................................. 2 2.2 设计思想 ......................................................................................................................... 2 3.1 方案论证 ......................................................................................................................... 2 3.1.1 电压互感器 ......................................................................................................... 2 3.1.2 精密整流 ............................................................................................................. 2 3.1.3 V\I转换 .............................................................................................................. 2 3.2 整体电路工作原理 ......................................................................................................... 3 4 单元电路设计:计算、元器件选择及电路图 ......................................................................... 3 4.1 半波整流重要电阻的计算和元件选择 ......................................................................... 3 4.2 V\I转换电路的计算和元件选择 .................................................................................. 4 5 测试结果及与理论指标对比分析 ............................................................................................. 5 5.1 测试结果 ......................................................................................................................... 5 5.2 理论指标分析 ................................................................................................................. 5 6 整体电路图、元件及器件明细 ............................................................................................... 5 6.1 整体电路图 ..................................................................................................................... 5 6.2 元件及器件明细 ............................................................................................................. 5 7 成果、设计特点、存在的问题及改进意见 ..................................................................... 6 7.1 成果的评价 ..................................................................................................................... 6 7.2 本设计的特点 ................................................................................................................. 6 7.3 存在的问题和改进的意见 ............................................................................................. 6 参考文献 ........................................................................................................................................... 7 摘要 交流电压变送器本设计是由电压互感器、精密整流滤波、及V\I转换电路所组成。电压互感器把0V,100V的交流电压变为所需要的交流电压信号。精密整流电路把交流电压信号放大并整流为相对稳定直流电电压。之后，V\I转换器又将稳定的直流电压信号转变为恒定成比例的电流输出。本实验最终目的是将有效值为0V,100V交流电转换为4mA,20mA直流电流输出(?200Ω负载)。 关键词 电压互感器;精密整流;V\I转换; 1 1 绪论 人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。而现代电子产品又离不开电源，所以电源成为了很重要的环节。而现代社会所需供电一般发电站提供，现在发电站种类很多，有火力发电站、水利发电站、风力发电站、核发电站、太阳能发电站的。但无论是哪一种发电站都需要经过变压、传输、变压等环节后才能被人们所使用，为了让各个环节都工作正常，因为这种原因或其他的一些原因，一定的测量是必需的。但是这些都是高压不便直接测量，所以就出现了电压变送器。 2 技术指标及要求 2.1 设计任务及要求 2.1.1 设计任务 根据技术要求和已知条件，完成对交流电压变送电路的设计、装配与调试。 V/I 电压 精密 放大 转换 互感器 整流 电路 2.1.2 设计要求 (1)测量范围: AC 0V,100V有效值 输出范围: 4mA,20mA直流(?200Ω负载) 最大误差: 2.5% 2.2 设计思想 先用电压互感器把0V,100V的交流电压变为所需要的交流电压信号。然后使用精密整流电路把交流电压信号放大并整流为相对稳定直流电电压。之后，通过V\I转换器将稳定的直流电压信号转变为恒定成比例的电流输出。 3.1 方案论证 3.1.1 电压互感器 根据设计要求，本实验的输入电压是有效值为0~100V的50Hz的交流电，所以有必要要使用电压互感器，而在市面上很少有提供能满足要求的电压互感器，学校也不给提供电压互感器。因此为了达到有效地而且是最佳的效果，所以我决定使用220V~10V的变压器代替电压互感器(同样达到电压变电压的效果)，一方面是手头上有一变压器，另一方面这可一减小精密整流电压放大倍数(甚至还要缩小)。 3.1.2 精密整流 考虑到要将0~5V的交流电压整流滤波成稳定直流电压，所以使用半波整流电路将交流电压信号变成半波电压信号，之后接一低通滤波器整成直流稳定电压信号。使用半波整流的优点是其电路不算复杂，而且整流比例性较好。 3.1.3 V\I转换 设计要求输出电流要求为4~20mA要求不大，一般简单V\I转换电路就能达到要求。具体由下面电路图分析给出。 3.2 整体电路工作原理 本设计问题按先后顺序可分为电压传感器电路、半波整流电路、滤波电路、V\I转换电路，其流程图如图1所示。 半波整流 电压互感器 0~100V 滤波电路 稳压电路 Io 图 1 流程图 4 单元电路设计:计算、元器件选择及电路图 4.1 半波整流重要电阻的计算和元件选择 图2为半波整流电路。 图2 半波整流电路 半波整流被整流的信号喂50Hz的小幅值交流信号，所以U1选择通用的运放OP07便可很好地达到要求(其它电路也使用OP07后面不做分析了)。二极管也没必要选择高速的， 3 取常用的整流用二极管1N4007。为了便于调节输入输出电压的比例这里并不确定反比例放大的倍数，而有RV1和R1共同决定。 由半波整流电路性质可得: Uo=(RV1/R1)Ui 当然公式只是为调节电位器作参考，实际调试中有很多原因可以导致实际与理论不符，如电阻本身存在误差、接线电阻等。由公式可知，输出最大幅值电压可以是0~2Ui。 而整流后直流电压U为 U=Uo(1-T/8RLC) 这里电容C1取470uf,所以最终输出直流电压U与输入电压有效值Ui的关系式为 U=(RV1/R1)(1-T/8RLC)Ui 可见半波整流滤波后输出电压是与输入电压有效值是成正比关系的。比例系数可以先设置实际测量时在进一步调节。 4.2 V\I转换电路的计算和元件选择 图三为V\I转换电路 图3 V\I转换电路 此为经典V\I转换电路，参数众所周知，这里不大费篇幅给予推导。 具体为当R4/R2=R6/R7时 Io=Ui*R6/R7/R5 而这里的输出要求为0~20mA,为了保证半波整流输入与输出保持良好的正比例关系，其最大输出电压应该设小一点，这里是设为4V，因此要达到最大20mA的电流输出的话，这里的的系数设为 Io=0.005Vi 这里是mA级电流，所以输出电压不必太大，所以取R6/R7=1,便都取1KΩ，所以R5便取200Ω。 4 5 测试结果及与理论指标对比分析 5.1 测试结果 测试结果如表1所示(实际无电压互感器，实际只能模拟互感器输出)。 表1 测试结果 ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- 互感器输入(V) 0.5 1 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 互感器输出(V) 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00 17.50 20.00 理论值(mA) 2.52 5.06 7.54 10.06 12.54 15.01 17.34 19.86 测试值(mA) 接负载能力测量。 表2 不同负债输出电流测量结果 电 负 载 流 mA 5 50 100 150 200 Ω 电 压 V 1 5.11 5.08 5.055.035.01 2 10.25 10.11 10.09 10.05 10.01 3 17.50 17.43 17.35 17.34 17.09 4 20.01 19.93 19.93 19.96. 19.87 5.2 理论指标分析 在实际电路中，电阻并不是理想电阻，导线和其它的元器件都不是理想的电子器件。在实际连接电路，虽是用万用表测着元器件和串、并联电阻使其尽量接近计算值，但使用的测量仪器有一定的测量误差。同时，在测量最后的输出结果时，测量结果也有一定的误差。所以，最后的测试值与理论指标之间有一定差异。误差分析如表2、表3所示。 由表1可知:最大误差不超过2.5%，在误差范围之内。而可调输出包括理论要求输出范围，所以测试值符合理论值。 由表2可知:负载在变化时输出电流有些波动，但波动范围不大，波动范围为0..1mA 级，但负载能力还算可以，所以设计基本达到要求。 6 整体电路图、元件及器件明细 6.1 整体电路图 电路如图4所示。 6.2 元件及器件明细 表4 元器件 5 序号 元件 器件明细 1 1N4007 2个 2 OP07 3个 3 470μF 电解电容3个 4 0.1μF 瓷片电容2个 5 电位器10kΩ、200Ω 各1个 6 电阻1kΩ、5kΩ、10kΩ、200Ω 5个、1个、1个、1个 图4 完整电路图 7 成果评价、设计特点、存在的问题及改进意见 7.1 成果的评价 在这次的设计中，所测试的结果基本达到设计要求的结果。因此，这次设计是成功的一次。 7.2 本设计的特点 本设计的特点是很简单，使用很少元件便组成电路并达到了基本要求，很适合当一些粗放型仪表类仪器的测量电路使用。 7.3 存在的问题和改进的意见 半波整流部分的比例关系会跟随输入的不同会用一定的波动。即输入与输出并不是成很好的正比例关系，因此本电路不适合在一些精度要求比较高的测量电路中使用。 6 参考文献 [1] 童诗白(模拟电子技术基础(第四版)(北京:高等教育出版社，2006.5 [2] 谢自美(电子线路设计(第三版)(武汉:华中科技大学出版社，2006 [3] 万嘉若，林康运(电子线路基础(上海:高等教育出版社，2006 7