电流智能检测电路课程设计-zgq讲义

《电子技术课程设计》设计报告
[电流智能检测电路]
所在学院：机械与电气工程学院
班级： 14电自4
姓名：
学号：
指导教师：
2016年6月
题目：电流智能检测电路
一、设计目标和要求
1．通过本课程设计，掌握仪表放大器、精密全波整流电路、电压比较器、数字逻辑电路工作原理。

2．熟悉简单模/数混合电路的设计方法和主要流程。

3．学习模/数混合电路的仿真与调试方法。

设计要求：
表1 指标
二、工作原理及数据分析
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：
I=|V2-V1|/R
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。

1.电压放大电路：
图2.1 仪表放大电路
图示为仪表放大器电路的典型结构，它主要由两级差分放大器电路构成。

其
中运放U1和U2均为同相放大器，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。

这样在以运放U3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R1和R2，R3和R4的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。

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：
G=2R5/R7+1
因此前图中的放大倍数为201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。

2.精密全波整流电路
下面的这种精密全波整流电路，由于性能比较优越，被称为经典型。

下面电路中，电阻要满足如下要求R10=R11，R13=R14=2*R12
图2.2 精密全波整流
如图2.2，当输入电压为正时，D2截止，D1导通。

这时R10、R11和U4共同构成一个放大倍数为-1的反向放大电路。

R12、R13、R14和U5共同构成了个
反向加法电路。

通过电阻R13的支路的放大倍数为-1，通过R12的支路的放大倍数为-2。

因此，等效的框图可以表示如下：
图2.3 输入电压为正时的等效框图
可以看出，对于正电压输入，放大倍数为1。

这时输入阻抗为R10||R13。

当输入为负电压时，D2导通，D1截止。

这时U4的作用为将R11的左端电位钳位在0V。

而U5的反馈作用使得R12的右端电位为0。

因此，R11、R12这个支路两端电位相等、没有电流的，实际上是不起任何作用的。

因此，这时整个电路其实就是R13、R14和U5组成的放大倍数为-1反向放大电路。

此时电路的输入阻抗仍为：R10||R13。

综合上面两种情况，该电路的功能就是将输入信号求绝对值，也就是精密整流功能。

这个电路虽然电阻比较多，但是匹配起来并不麻烦。

输入阻抗恒等于
R10||R13，输入阻抗很低。

这些都是它的优点，除此之外，电阻R14上可以并联电容，这样就连带着滤波功能了。

另外，通过改变R14的大小，就可以改变增益。

（3）电压比较器
图2.4 电压比较器
图2.5 集成运放电压传输特性
对于正、负两路电源供电的集成运放，电压传输特性如图2.5所示，从图示曲线可以看出，集成运放有线性放大区域和饱和区域两部分。

在非线性区，输出电压只有两种可能的情况，+或。

而在本次课程设计中，电压比较器采用单电源供电，所以输出电压为+或0。

当正相输入端电压大于反相输入端电压时，输出5V；当正相输入端电压小于反相输入端电压时，输出0V.
基准电压=2.009V =4.018V =6.027V
三、仿真测试及分析
1、测试目标:测试各个模块是否能正常工作，是否达到预期效果；测试整个电流检测电路的检测误差。

2、测试流程：
放大电路测试：在输入端输入电压信号，观察输出信号是否为输入放大倍数。

精密全波整流电路测试：在输入端输入电压信号，观察经整流后的输出信号。

电压比较器电路测试：在公共输入端输入不同的电压值与基准电压相比较，观察三个输出端的电压值。

输入电压别为 <、>&&<、>&&<、>。

全功能测试：在每个设置范围内挑不同输入电流（范围的极大值、极小值、临界值），观察LED亮灯情况。

3、所需要的仪器设备：
电阻：0.05Ω、100Ω、250Ω、取值范围：2kΩ~20kΩ；
二极管：1N4148 ；发光二极管：绿、黄、红;
逻辑器件：与门、非门；
集成运放：LM358、OP07、TL082。

4、测试电路
图3.1 电流智能检测电路·放大电路测试：
图3.1 放大电路测试·精密全波整流电路测试：
图3.2精密全波整流电路测试·电压比较器测试：
图3.3电压比较器测试图
5、测试结果汇总
放大电路放大系数为：201
精密全波整流电路：输出波形为全波。

电压比较器：正相输入>反相输入输出高电平
正相输入<反相输入输出低电平
6、数据分析
表3 仿真数据表
7、结果与误差分析
在经过精密全波整流后，所得电压信号之间的差值放大倍数并不完全相同如表3。

基本完成预期效果，误差不大。

四．总结
经过两周的电子技术课程设计，完成了这个的项目，并达到了预期的效果。

从一开始的茫然及毫无头绪，到最后的成功，满满的成就感。

虽然这次设计的项目相对于其他项目并不是非常难，但这将书本上的内容通过实践认证了，使我对一些元器件有了更深的认识。

在做设计之前，老师为我们讲解了整个电路工作的大致流程：在采样电阻两端采电压，经放大电路进行放大将微小的变化放大至可检测。

然后将放大后的信号经过精密全波整流电路整流，将交流信号转化成直流信号，使之与电压比较器进行比较，然后通过逻辑门电路来控制LED灯。

整个流程看起来很清晰，并不是很复杂，但是，在实际设计仿真电路的时候，仍然会或多或少遇到一些小问题。

尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是通过这次经历充分暴露了之前学习中的不足之处，同样也巩固了部分知识。

最后我得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在实践学习过程中，我通过查阅大量有关资料，与导师交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个实践学习中，我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习、工作、生活有非常重要的影响。

参考文献
[1]1，童诗白 2，华成英.模拟电子技术基础[M].北京市:高等教育出版社,2006:185-325
[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京市:高等教育出版社,2006:174-187。