电阻分检仪课程设计

本文由prettystony贡献
doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。

建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。

1 设计思路
该方案主要根据门限电压与阻值的关系，求出门限电压并与标准电阻相比较。

经窗口比较器输出两个不同电信号，即高电平和低电平。

两个不同电平经窗口比较器输出电信号导通相应发光二极管发光，即可分选出一级电阻。

1．1 系统设计
本设计是对电阻进行的检测设计，设计包括电源部分和检测部分，电源部分主要是利用整流桥和三态稳压管输出+/-5V 直流电压，供检测电路模块工作电源。

检测部分是利用四运放 LM324 作为电压跟随器、窗口比较器。

其系统方框图如图 1.1 所示。

图 1.1 系统原理框图
从上面的系统框图可引出系统原理图，下面是电阻分检仪的系统电路图。

原理图有两部分组成分别是电源部分和检测部分。

系统原理图如图 1.2 所示。

第 1 页共 13 页
图 1.2 系统原理图
2 电源电路
本设计的电源[1]部分的电路采用了线性稳压电路，它包括变压、整流、滤波与稳压四部分。

下文将一一加以说明。

先设计出电源电路的原理图如图 2.1 所示。

图 2.1 电源电路原理图
第 2 页共 13 页
2．1 直流稳压电路
本设计中最基本的是直流稳压电源，直流稳压电源有许多优异的特性，为获得可靠的直流稳压电源，我们此次的设计任务中就要设计一个有一定可靠性的支流电源。

在设计中我们需要解决电压幅值的转换，输出电压的稳定性，输出电压、电流的指针要求。

本课程设计将从这一问题出发，利用学过的各种电学知识及实践经验，提出一个简单实用并且满足一定设计要求的直流稳压电源方案。

电压的不稳定、负载电流的大范围变动以及纹波电压的存在等均会引起直流电源输出电压的不稳定特别是存在电压纹波。

这是一切稳压电源必须解决的主要问题，也是设计难点所在。

我们设计的主要思路是：首先把交流电变为所需的直流电，再通过滤波电路滤去纹波和稳压电路稳定电压，使输出电压符合设计要求。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。

稳压电路框图如图 2.2 所示。

图 2.2 稳压电路框图
电源变压器：电网提供的交流电一般为 220V（或 380V），而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同，因此，常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。

功率和副级的交流电压 U2，其中副边电压 U2 要依稳压电路的输出电压 Uo，变压器功率要依据最大输出电流 Io 来确定，当电压差太小时，会使稳压器的性能变差而不起稳压作用，同时又会增大稳压器本身的功率消耗，使最大输出电流有所降低[2]。

整流电路：经过电源变压器接着要通过整流电路，整流电路的作用是利用具有单方向导电性能的整流元件将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压[3]。

本电路应用一组副边线圈的变压器，达到全波整流的目的。

桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，桥式整流电路图如图 2.3 所示。

第 3 页共 13 页
图 2.3 桥式整流电路
滤波电路：整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远，所以
通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输波。

我们常见的滤波器都是由电容、电感等储能元件组成，它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤波掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，但当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之而变化。

一般常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和 RC 滤波等。

下图是桥式整流电容滤波电路的部分波形。

这里假设 t<0 时，电容器 C 已经充电到交流电压 V2 的最大值。

波形[4]如图 2.4 所示。

图 2.4 整流电路的部分波形图
第 4 页共 13 页
本设计中还应用到三端稳压器，它是集成型稳压电路，它有三个引脚，分别为输入端、输出端和公共端，因而称为三端稳压器。

它属于串联稳压电路，工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。

它由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护等组成。

W7805 内部结构如图 2.5 所示。

图 2.5 W7805 内部结构
其稳压性能要优于分立元件的串联型稳压电路。

如串联稳压的启动电路是比较放大管的负载电阻，此电阻在电源工作过程始终接于电路中，当输入电压变化（电网波动），通过负载电阻影响输出电压也跟着变化。

而三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。

实际使用 W7805 [ 5] 时，集成稳压器应安装在面积足够大的散热片上使用，一般可用普通大功率晶体管的散热器代替。

用 F-2 型标准封装的稳压器，因其金属外壳就是电路的接地端，故不必将散热器与外壳绝缘。

这样大大改善了稳压器的散热性能，同时也为改装分立元件式的稳压电源带来了方便。

若稳压器在工作中散热不良，稳压器过热保护电路就会自动限制输出电流。

稳压电路如图 2.6 所示。

第 5 页共 13 页
图 2.6 稳压电路图
2.2 电路的工作原理
介绍过各个电路的作用后就引出最重要的电源部分的工作原理：220V 交流电压由变压器变压，经全波整流器整流后，再由大容量电解电容 C1 滤波，然后将不稳定的直流电压 U1 加在 W7805 的输入端 1 和公共端 3。

从 W7805 的输出端 2 和公共端 3 得到稳定的输出电压 U。

本电路安装好后，几乎不用任何调整即可正常工作。

再实际应用中，可根据需要选择集成稳压器的输出电压。

3 检测部分
本设计中的检测部分是本设计的主要部分，它由一个电压跟随器引出两个电压比较器通过对电压的比较判断 LED 数码管的显示情况。

检测电路如图 3.1 所示。

图 3.1 检测电路图
第 6 页共 13 页
3.1 LM324
LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

LM324 是四运放集成电路[6],它采用 14 脚双列直插塑料封装,外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。

每一组运算放大器有 5 个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。

两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。

LM324 的引脚排列如图 3.2 所示。

图 3.2 LM324 引脚图
LM324 的用途很多，它可作反相交流放大器，同相交流放大器，交流信号三分配放大器，有源带通滤波器，测温电路，作比较器和单稳态触发器。

3.2 比较器
比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。

最简单的比较器就是运算放大器。

运算放大器在连有深度负反馈的条件下，会在线性区工作，有着增益很大的放大特性，在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。

而在没有反馈的条件下，运算放大器在线性区的输入动态范围很小，即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。

如果同相端电压较大，则输出最大电压，一般是 +12V；如果反相端电压较大，则输出最小电压，一般是-12V。

这样，就实现了电压比较功能。

电压比较器原理：电压比较器是集成运放非线性应用电路，他
第 7 页共 13 页
常用于各种电子设备中，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。

比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。

下图所示为一最简单的电压比较器，UR 为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压 ui 加在反相的输入端。

本设计中采用对 R2 的阻值变化进行门限值的比较。

当 ui＜UR 时，运放输出高电平，稳压管 Dz 反向。

比较器电路图及传输特性如图 3.3 所示。

(a)
(b)
图 3.3 (a)电路图 (b)传输特性
集成电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号[7]。

作为模拟电路和数字电路的接口电路。

其状态图如图 3.4 所示。

图 3. 4 电压比较器状态图
3.3 电压跟随器
电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1。

没有电压放大倍数。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

应用电压跟随器的好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以
第 8 页共 13 页
大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用是隔离，在电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。

但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。

造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。

但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。

在本设计中，电压跟随器的作用正好达到应用。

3.4 异或门
设计中通过电压比较器后要经过异或门才能实现 LED 数码管的显示，异或门是一种逻辑运算的门电路，在本文中，利用它来对窗口比较器的输出进行比较，当有同向输入时，产生低电平。

当有异向输入时产生高电平。

即遵循逻辑异或原理。

3.5 显示电路
本设计采用 LED 数码管的显示原理，通过异或门根据门限电压的上下限关系判断三个发光二极管的发光情况
4 检测结果
在检测部分± 5V 直流电压送到检测电路，应用四运放 LM324 作为跟随器和窗口比较器。

对 Rx 进行研究，Rx 必须大于 0.95Rn，并且小于 1.05Rn,即在 0.95 和 1.05 之间。

通过 A1 电压跟随器实现阻抗变换，对 R2 进行变阻当阻值大于最大值时，同时大于最小值，通过 A2、A3 窗口比较器，进行电压比较，比较器的输出电压从一个电平跳到别一个电平时对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压。

并判断出正负反馈电路，相同时通过异或门输出低电平，不同时输出高电平。

从而实现发光二极管的显示与否。

发光二极管发光情况如下：当 Rx 大于 1.05 Rn 时，A2 输出高电平，LED1 红灯发光。

A3 输出高电平，LED3 黄灯不发光；当 Rx 小于 0.95 Rn 时，A2 输出低电平，LED1 红灯不发光。

A3 输出低电平，第 9 页共 13 页
LED3 黄灯发光。

当 0.95Rn≤ Rx≤1.05 Rn 时，LED1 和 LED3 均不发光，LED2 绿灯亮，此时所表示的 Rx 为一级电阻。

第 10 页共 13 页
在检测部分± 5V 直流电压送到检测电路，应用四运放 LM324 作为跟随器和窗口比较器。

对 Rx 进行研究，Rx 必须大于 0.95Rn，并且小于 1.05Rn,即在 0.95 和 1.05 之间。

通过 A1 电压跟随器实现阻抗变换，对 R2 进行变阻当阻值大于最大值时，同时大于最小值，通过 A2、A3 窗口比较器，进行电压比较，比较器的输出电压从一个电平跳到别一个电平时对应的输入电压值称为阈值电压或门限电压。

并判断出正负反馈电路，相同时通过异或门输出低电平，不同时输出高电平。

从而实现发光二极管的显示与否。

发光二极管发光情况如下：当 Rx 大于 1.05 Rn 时，A2 输出高电平，LED1 红灯发光。

A3 输出高电平，LED3 黄灯不发光；当 Rx 小于 0.95 Rn 时，A2 输出低电平，LED1 红灯不发光。

A3 输出低电平， LED3 黄灯发光。

当 0.95Rn≤ Rx≤1.05 Rn 时，LED1 和 LED3 均不发光，LED2 绿灯亮，此时所表示的 Rx 为一级电阻。

第 11 页共 13 页
总
结
许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是在实验开始前对一些参数进行预设。

这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。

因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。

此次设计的电阻分检仪电路设计就是兼具二者优点的高性能稳压电路设计。

其重要的两部分就是电源部分和检测部分。

课程设计的过程是艰辛的，但是收获却是很大的。

通过本设计对数电模电又有了进一步熟悉及应用。

在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍，资料，通过自己钻研，特别是得到了指导高老师的谆谆教导，高老师给予了我很大的帮助，不仅使我思路开阔，还让我认识到了自己对以前所学知识的不足。

第 12 页共 13 页
参考文献 [1]童诗白. 模拟电子技术基础[M].第二版.北京: 高等教育出版社,1988. [2]闫石. 数字电子技术基础[M].第三版.北京: 高等教育出版社,1989.
[3]沈尚贤. 电子技术导论[M]. 北京: 高等教育出版社,1985. [4]邱关源. 电路[M]. 北京: 高等教育出版社,1985. [5]吴显鼎. 集成电子线路设计手册[M]. 福建人民出版社. [6]赵学良. 电源电路[M]. 北京:电子工业出版社,1995. [7]张义申. 陆坤.电子设计技术[M].
西安电子科技大学出版.
第 13 页共 13 页1。