交流电压有效值测量

摘要
模拟电子技术课程设计是继《模拟电子技术基础》理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。

它的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识与单元电路的设计能力之后，让学生综合运用模拟电子技术知识，进行实际模拟电子系统的设计、安装和调测，利用multisim等相关软件进行电路设计，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能，让学生了解模拟电子技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势。

为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础。

本课程设计的思路是将交流信号经过电阻分压后送至由TL062和电容、电阻组成的AC-DC转换模块，将直流信号送至ICL7107数码管显示，完成交流电压有效值的测量。

关键词：电阻分压、TL062、ICL7107、交直流转换、有效值测量
1 电路方案论证与选择
1.1 系统基本方案
设计电路分为直流稳压电源模块、电压衰减模块、AC-DC模块、数码管显示模块，即可完成题目对交流电压有效值进行测量，并显示的设计要求。

1.2 各模块方案论证与选择
1.2.1 直流稳压可调电源模块
设计图1.1为采用7805设计的直流稳压源。

该稳压源可稳定输出+5V电压，电路简单，应用广泛。

该稳压源由以下五部分组成。

(1) 降压：通过变压器将输入的220V，50HZ交流电降为+5V输出。

(2) 整流：通过桥式整流电路，将输入的交流电压信号变为脉动信号。

(3) 滤波：通过C1及C2等滤波电容将输入的电压信号转变为波形更为平
缓的电压信号。

(4) 稳压：通过集成稳压芯片7805将不稳定的电压信号变为稳定的直流电
压。

图1-1 直流稳压电源电路
1.2.2 电压衰减模块
由于AC-DC模块的输入电压为200mV，而题目要求的测量电压是V>10V，
因此要对输入电压进行衰减。

此处采用了电阻分压的方式对电压进行衰减，同时设计参数，使模块能输入200mV~2000VX围内的电压。

图1-2 电压衰减电路
采用类似的方法还可改装成测量电流和电阻的电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻，分别如图1-3和1-4.原理此处不再做赘述。

图1-3 电阻分流电路图1-4 测量电阻基准电阻电路
1.2.3 AC-DC转换模块
方案一：随着集成电路的迅速发展, 近年来出现了各种真有效值AC/ DC 转换器。

美国AD 公司的AD736是其中非常典型的一种。

AD736 是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC 转换器。

其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为200mVRMS) 、测量速率快、频率特性好(工作频率X围可达0～460kHz) 、输入阻抗高、输出阻抗低、电源X围宽且功耗低(最大的电源工作电流为200μA。

用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0. 3 %。

但经查询，AD736集成芯片的成本较高，因此设计电路未采取此套方案。

方案二：单门限比较器由于受正负电源的限制，输出电压为Vo≈±Vcc，当输入信号Vi<Vn时，输出高电平Vol=-Vcc；当输入信号Vi>Vr输出高电平Voh=+Vcc。

由于需要多个电压比较器，故选用集成运放LM324，内含四个理想运算放大器
图1-3 比较器
由于采用四个运放连线较为复杂，且不能准确地输出交流电压的有效值，故设计电路不采用此套方案。

方案三：用TL062和电容电阻构成积分运算电路。

从输入端输入交流信号，经过运算电路输出直流信号。

且该信号与交流有效值成线性关系，参数设置得当，即可得到输出信号等于输入交流信号的有效值。

图1-4 AC-DC转换模块
本电路中，输入的是0～200.0mV 的交流信号，输出的是0～200.0mV 的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行AC- DC 的信号转换。

因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有2mV 左右，在普通数字万用表中大量使用，电路XX小异。

1.2.4 数字显示模块
ICL7107拥有强大的直流电压数字显示功能，所需外围电路少，而且显示稳定精确。

本次设计直接使用ICL7107,配合四位七段共阳数码管构成有效值测量电路的显示部分。

将经过衰减、AC-DC转换后的信号电压输入到显示模块，电路的数码管便会显示相应的数值。

如果原始输入电压经过N倍衰减，那么将得到的数值乘以N(单位为mV)变为所测交流电压的有效值。

显示模块使用了ICL7107集成芯片。

ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产的数字仪，满幅输入电压一般取200mV的专用芯片。

该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出积分电容可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分。

芯片第一脚是供电，正确电压是DC+5V 。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF电容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。

比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。

我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。

图1-5 数字显示模块
2 电路仿真
对系统电路的关键模块AC-DC用Multsim进行仿真，电路图及仿真数据如下所示。

图2-1 AD-DA模块仿真
输入频率为1KHZ、幅值分别为50、100、150、200mV的正弦波。

图2-2 输入200mV正弦交流信号
图2-3 输入150mV正弦交流信号
图2-3 输入100mV交流正弦信号
图2-4 输入50mV交流正弦信号
表2-1 仿真数据
输入幅值(mV) 50 100 150 200
理论有效值
35.36 70.71 106.07 141.42
(mV)
输出值(mV) 36.493 73.119 108.402 151.37 由表2-1可以看出，TL062和电容、电阻构成的积分运算电路可以较为精确地将
交流信号转换为直流信号，并输出有效值。

3 焊接与调试
先用万用表检测元件参数是否符合要求。

然后按照原理图，元件装配。

装配完成后焊接该硬件。

焊接时，以45度靠紧焊接面进行预热；然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；当焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝。

在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。

如果焊点有连焊，应将焊锡线与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡；焊点的标准是：焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。

焊接完成后调试制作的硬件。

(1)按下自锁开关，将测试脚37脚接高电平，数码管显示-1888，说明显电压数字显示部分焊接无误。

(2)将测试电压输入口短接，数码管显示为0，说明测试无零点误差。

(3)将测量档位调到100倍衰减，即量程为20V档位，输入接上有效值为6V，频率为50Hz的正弦交流电压，显示数字为60.0.
4 参数测量及验证
(1)电压衰减模块测试结果如表4-1
(2)AC-DC模块测试结果如表4-2
用信号发生器直接在AC-DC模块输入有效值已知，频率可调的正弦交流电，在输出端测量其直流电压。

与输入的有效值对比，发现数值相接近，基本满足后面的进一步连接要求。

(3)整体调试参数如表3-3
将完整的电路全部连接好后，接入50Hz交流信号，改变信号有效值的同时也要相应的改变档位，以免将电路烧毁。

表3-3 整体测试结果1
5 心得体会
本次课程设计题目为交流电压有效值测量，总体设计思路分为四个部分：直流稳压电路、电压衰减电路、AC-DC转换电路、数码管显示电路。

在课程设计开始时，我们对交流电压有效值测量几乎没有概念。

在完成课程设计的短短几天内，我从搜集资料方案、思路整理、电路图设计制作、电路仿真，到元器件的购买、实物的焊接与调试、数据测试，遇到了很多的困难，但在克服这些困难的同时，也收获了很多。

首先，在相关资料的收集过程中，不同的方案各有其利弊，在设计的过程中不仅要考虑到方案的可行性，还要考虑到方案成本等问题。

在对比方案上，我就花了不少的精力和时间，这是在书本中所体会不到的。

在设计电路的过程中用到了Protel 99SE和Multsim软件。

电路的仿真对于我来说也是一门新的学问。

在课程设计之前还不会使用Multsim仿真软件，为了对电路进行仿真，我上网找了一些Multsim的使用说明，大致了解了对一般电路图的仿真步骤。

Multsim是一款功能强大而齐全的仿真软件，我现在所学会的不过是其中的一小部分，在今后的学习过程中，我会更加深入的学习Multsim。

从本次课程设计中收获的最为重要的一点，是培养了一种工程设计的思想。

从收
集资料、对比并确定方案、电路图设计、电路仿真到元器件的配置、实物焊接与调试、数据的测量收集，从中所获得的经验对今后的课程设计甚至工作都有很大的帮助，而要在短短几天之内学习一门完全不了解的学科、软件，就不能按照顺序没有重点的学，而应该先整体把握，而后再有侧重点的逐步深入。

汗水预示着结果，也证明着过程，希望在以后的学习生活中能更加深入的学习专业知识，同时更要注重动手能力的培养。

在此由衷感谢给予我帮助的指导老师和同学们！
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）：高等教育，2006
[2] 文艳.protel99SE电子电路设计：机械工业，2006
[3] 何希才.新型集成电路应用实例：电子工业，2002
[4] 臧春华.电子线路设计与应用.：高等，2004
[5] X友宇.模拟电子技术基础.：清华大学，2009
[6] 童诗白.模拟电子技术基础（第五版）.：高等教育，2001 附录：实物图
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- -可修编.。