电机过载指示电路课程设计任务书

《电机过载指示电路》课程设计任务书

一、设计目的

1．掌握仪表放大器的主要结构和设计方法。

2．掌握精密半波整流电路的原理。

3．掌握电压比较器的工作原理和设计方法。

4．了解电路设计的过程，积累经验。

二、工作原理

电机过载指示电路是一种简易的检测电流电路，是电机保护电路的一部分。当电机过载时，通过线圈的电流会急剧增大，因此通过判断电流大小是判断电机是否过载的重要方法。

图1 电路框图

整个电路（图1）包含仪表放大器（差分放大电路）、精密全波整流电路、电压比较器电路、整形（含调整逻辑）和显示电路等四个模块组成。其主要工作原理是：利用精密小电阻接入电路中，电流通过电阻时会在电阻两端产生一定的电压，用仪表放大器将该电压按一定比例放大后输出，由于电阻阻值和放大倍数

是已知的，因而可以通过判断输出电压大小，进而算出电流强度。

采样电阻R以串联形式接入电机电路，由于串联电路电流处处相等，因而通过采样电阻R的电流也就是通过电机线圈的电流，即：

R V

V I

M

1 2

-

=

V1

V2

图2 采样电阻与电机的连接关系

之所以加绝对值是因为直流电机根据所加电压方向不同，可以有正、反两种转向，无论是正转或反转均存在过载的可能。

从采样电阻R所获得的电压非常微弱，要必须进行放大处理。放大的对象是R两端电压的差值，如此处需要使用差分放大电路，仪表放大电路就是一种常见的差分放大电路。

精密全波整流的作用是将经过差分放大的信号进行绝对值处理，使其保持正数，以便后面的判断电路进行判断。

电压比较器在系统中主要起判断作用，即判断输出电压是否为设定的正常值，并输出给逻辑调整及整形电路（一般由74HC14或74HC04组成，即非门）整形成标准CMOS电平，如果工作正常，则绿色LED亮红色LED灭，如果不正常，则相反。输出信号此后可送单片机等再做其他处理。

图1 仪表放大电路示意图

三、电路原理

1.仪表放大器

图1所示为典型的仪表放大电路，其中U1和U2均为同相放大器，可对输入信号进行同相放大，而U3是差分放大电路，被U1、U2放大的信号的共模部分在经过U3放大时受到了抑制，而其差模部分则被放大，由此可以实现对V2-V1值的放大。R14-R16是调节平衡用的电路。

该放大电路在设计时经常将R1-R6设置为同样阻值的电阻，其电压增益为：

127

5+=R R G 因此前图中的放大倍数为101倍，实际电路中，R7的位置一般用一个固定阻值电路和一个电位器代替，以满足增益调节的需要。

仪表放大电路需要在使用之前进行调节平衡和调节增益的操作，具体为：

（1）将输入端V1、V2相连并接地；

（2）调节R16，使得放大电路输出电压为0。

（3）将放大器接入电路，V2、V1均为实际值。调节R7位置上的电位器，使得输出电压达到预定值。

2.精密半波整流

图2 精密全波整流电路

精密全波整流又称绝对值电路（图2），它可以将输入信号取绝对值后输出。图中的V1为电压输入端，电路可以将V1的电压取绝对值后输出（《模拟电子技术基础》P456-457有类似电路）。如图中的例子，无论V1是2.2V还是-2.2V（图2所示案例），输出结果都是2.2V。该电路适合用于直流或极低频的情况。

3.基准电源

TL431是常用的基准电压源，可以为电压比较器提供一个标准的电压。使用基准源芯片，可以在电源电压（图3中的Vcc）有轻微波动的情况下，依然保持恒定输出。图3所示为TL431的两种经典电路，万用表的测点即为输出端，左图为固定输出电路，右图为输出可变电路。

在左图中，TL431的输出为其内部基准值（理论值V

REF

为2.495V）。右图输出值理论计算公式为：

1

1

1

2R

I

R

R

V

V

REF

REF

out

*

+

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

+

=

图3 电压基准源

比较小，可以忽略，TL431的输出精度较高，一般与理论值一般情况下，I

REF

的差距小于2%。基准源经常与电压比较器或模数（ADC）、数模（DAC）结合使用。

四、实验任务

现有一小型单相直流电机，额定工作电压为12V，工作电流为设定值（见附表），线圈内阻约50欧姆，要求设计一个电机过载保护电路，当电流小于过载保护值时，判定为正常工作状态，绿色LED点亮；当电流超过过载保护值时，红色LED点亮。

五、具体设计步骤

1．合理选用采样电阻，使得采样电阻对线圈电流的影响小于3%，以免影响电机正常工作。

2．根据采样电阻的阻值和预设过载电流，计算仪表放大器的放大倍数，使得输出电压达到2.5V（或其他数值A）。根据放大倍数设计电路各元器件的参数。

3．设计电压比较器的参数，使得输入超过2.5V（或其他数值A），电压比较器输出高电平，当小于2.5V（或其他数值A时），输出低电平。

4．对高低电平分别进行整形和逻辑处理，以灌电流方式驱动LED。注意74HC 系列的芯片电源为5V，因此电压比较器的供电电压应为5V。

5．使用Multisim或proteus对电路进行仿真。

六、器件选择范围（不足部分自行外购）

1．三极管：2N3904。

2．二极管：1N4007；1N4148。

3．电阻：E24系列，碳膜电阻，1/4W，精度5%。阻值范围为10-1M。

4．电容：E6（100pF—1000uF）,电解电容耐压25V、35V、50V。

5．3296电位器：1K、2K、5K、10K、20K、50K、100K。

6．集成运放：OP07、LM358、TL082、LM324

七、工作内容

1、设计并制作电路（实物）；

2、用电源、电位器模拟电机的电流，当电流超过预设值，LED点亮。

3、将测试结果记入下表：其中I为电流设计值，通过调节电位器使电流等于表中规定的预设值，同时测量放大器的输出。

八、报告要求

（1）设计完成的电路图并仿真；