硬件单元模块设计

硬件单元模块设计

正负24V电源为电流变送器供电，正3..3V为MSP430单片机供电，5V为其他器件供电。

该电源主要通过整流、滤波和稳压三部分构成，部分功能如下：

桥式整流电路：

图3.1.1(a)整流电路

电容滤波电路的特点：

（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边的有效值I2=1.11I L，而有电容滤波时I2=（1.5～2）I L。

（2）负载平均电压V L升高，纹波（交流成分）减小，且R L C越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取R L*C≥（3～5）T/2（式中T为电源交流电压的周期）。

（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。V L随I L的变化关系称为输出特性或外特性。

电容滤波电路简单，负载直流电压V L较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

一、方案比较、设计与论证

1.1正弦信号发生器的设计方案论证与选择

1.2二线式电流变送器的设计方案论证与选择：

方案一：采用专门集成电流变送器芯片XTR115如图（1）,它属于二线制电流变送器，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源,它能将输入电压转换成4～20mA的电流信号,其输出电压精度为±0.05％,电压温度系数仅为20×10－6／℃，可给外部电路（例如前置放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计.精度高，非线性误差小。转换精度可达±0.05％，非线性误差仅为±0.003％。

图（1）

方案2

采用lm358搭建电流的发送和接收部分的电路，lm358静态偏置电流小，且为单电源供电，即使在没有负电源情况下，

输入端仍能够接受0V输入并能正常工作。相比方案一成本比上减少10倍以上.，更适合实际应用。同时题目明确要求不

能采用专用变送器或电流转换器芯片，所以我们选择方案二。

电流放送

电流接收

二线式电流变送

1.3滤波放大电路

滤波电路

放大电路

方案一：采用无输出电容功率放大电路（OCL电路）。采用两只MOSFET配对场效应管组成OCL低频功率放大电路可以实现对正弦信号的放大，匹配负载电阻，使匹配负载的电压峰峰值Vopp≥5V，能实现题目要求。但OCL电路相对BUF634构成的功率放大电路复杂。

方案二；

滤波电路采用OPA404二阶有源滤波，放大电路采用AD828。在实际测试中这个电路能有效滤出1000kHz到2000kHz的正弦波中的杂波，而且放大部分能使输出峰峰值能达到6V以上，完全能达到题目要求。

1.2正弦信号发生器的设计方案论证与选择

二．理论分析与计算

2.1电流变送器的原理分析;

两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。两线制V/I变换器V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电.

2.2 测量精度分析;

1．测量精度按贝塞尔公式计算；

2．非线性度计算公式为：非线性度＝[最大误差 (满度－零度)] 100%；

3系统测试

3.1测试仪器

3.1.1测试示波器介绍

DS1000E示波器是一款高性能指标、经济型的数字示波器，广泛应用于教育培训、产线测试和企业科研等各个领域。

产品特性

1. 提供2个模拟通道，最高100MHz带宽，1 GSa/s实时采样率及25GSa/s等效采样率；

2. 5.6英寸QVGA（320×240），64k色TFT彩色液晶显示屏

3. 1Mpts存储深度

4. 边沿、脉宽、斜率、视频、交替触发功能

3.2；TH2818型自动元件分析仪

TH2818型自动元件分析仪是一种精度高、测试范围宽、6位测试分辨率的阻抗测量仪器，高达300kHz的测试频率,以0.01Hz 步进任意编程、5mV～2V信号电平及直流内偏置电压, 并能提供变压器测试能力及元件频率响应分析能力，可满足生产线质量保证、进货检验及实验室高精确度测量要求。仪器所提供的HANDLER、GPIB、RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统、与计算机通讯及测试过程记录提供了条件。

数据测试、、

数据测试

通过键盘选择，得到数据如下表：

表6.2.2部分测试数据

设定电阻（ ）显示电阻（ ）显示频率（kHz）测得频率（kHz）

1000 1003 1002.8 1002.5

1250 1249 1248.5 1249.0

1500 1499 1499.9 1499.8

1800 1797 1796.8 1795.5

2000 1996 1993.9 1990.7

把输出端接上50 的负载电阻，从数字示波器上读出Vopp =5.95V，基本达到设计要求。示波器的波形较平滑，无明显失真。

根据贝塞尔公式计算：

1000 时为0

1250 时为2

1500 时为0.5

1800 时为0.5

2000 时为2

根据非线性度计算公式为：非线性度＝[最大误差 (满度－零度)] 100%

非线性度为=－0.4%

从表和上面计算可以看出，系统基本上稳定但还有待继续提高精度。

4设计总结

通过几天的共同努力我们完成了受控正弦信号发生器的设计。通过键盘选择后。当电阻箱电阻变化经过电流传送和接收部分后提供给单片机处理。当电阻大于1500Ω输出固定频率1000kHz，当小于1500Ω时波形发生器停止工作。经过测试功能能基本完成。当电阻在1000Ω和2000Ω之间变化时输出正弦波频率能跟随电阻在1000kHz到2000kHz内变化。在波形输出端加了我们设计的滤波和放大电路能有效排除干扰，使波形无明显失真，在50 负载电阻上的电压峰峰值Vopp≥5V 。最后我们还对部分的功能进行了改进，当电阻大于1500Ω默认输出固定频率为1000kHz，我们还可以用键盘设定输出固定频率的值。