交流电压_直流电压转换电路(课程设计)

电子技术课程设计简要说明：该电路将微小的输入交流信号u i 的有效值精确地转换成为直流电压输出U o ，以便于用直流电表进行测量。

思考题：1．直接用二极管整流电路能否实现上述电路功能？为什么？ 2．该电路能够测量的信号的频率范围是多少？参考文献：施良驹 《集成电路应用集锦》电子工业出版社，1988，6何希才，白广存 《最新集成电路应用300例》科学技术文献出版社，1995庄效恒，李燕民 《模拟电子技术》机械工业出版社，1998，2R 3u U oC一、课题名称：交流电压/直流电压转换电路二、课题摘要：该电路将微小的输入交流信号ui 的有效值精确地转换成为直流电压输出Uo ， 以便于用直流电表进行测量。

三、电路原理图：∞++-+15V-15VN 1R 1100kΩ15kΩ∞++-+15V-15VN 2R 6150kΩR 3u i10kΩR 2R 4150kΩ75kΩR 5150kΩD 1C 110μFC 210μF D 2R 7∞++-+15V-15VN 3U oR 8150kΩC 31μF四、工作原理分析： （一）、电路原理分析本电路依次运用微分运算放大电路、半波整流电路和积分电路将微小的交流信号i u 的有效值精确的转换为直流电压输出o U 。

第一部分：同向比例运算电路。

··此电路为同向比例运算电路。

由[1]P129，根据虚断路原则，0i i =，1R 上的压降为0。

i u u +=。

电阻2R 上的电压223f o R u u u R R θ-==+由虚断路原则u u +-≈， 有223o R u u R R +=+ 代入i u u +=，得32(1)o i R u u R =+放大倍数321511 2.510uf R A R =+=+= （2）当2i u 在正半周期时1D 导通，2D 截止。

由虚断路原则，流入运放输入端的净输入电流0d i =，0u +=。

由虚短路原则0u u +-≈=，所以反向输入端为虚地， 故有：214i u i R =， 55o o f u u ui R R --==-；因为：1d f f i i i i +≈=； 代入254i o u u R R =-；所以放大倍数541501150uf R A R =-=-=- 当2i u 在负半周期时，2D 导通，1D 截止。

此时闭环的放大倍数0uf A =。

所以此电路的作用相当于半波整流器。

交流信号经过此电路后正半周期按等大小翻折为负；而负半周期波形则被削去。

（3）此电路为一阶低通有源滤波器中的反向输入低通滤波器。

由[1]P174，信号输入在反向输入端，RC 滤波网接在反馈支路中。

输出与输入间的向量关系式为：18883176;://()1//50f ojw i f CF x Z U A U Z R Z R jX jwR C Z R R R k ==-=-=+===Ω其中代入，整理得：8()008800R 1;1/16666.6667;:1061.5721061.57Hz jw x A R jw w w R C w f Hz f π=-+====式中:因为所以,上限截止频率为当w =0时，8()R 1503;50o x A R === 当0w w =时，有：(0)w A A =当w →∞时，()0A ∞= 当0f f 时，()()2o w A A ，信号衰减很小，可以认为全部通过滤波器。

当0ff 时，输出信号衰减很大，认为不能通过滤波器，所以称这种电路为低通滤波器。

其通频带为0~f ，即0~1061.57Hz 。

（二）、对于电路的改进建议。

按照原理， 2.122=倍。

经过电脑仿真和实际测量都证明了计算结果的正确性。

由于输出电压与输入电压之比为2.122，那么在实际测量中，需要将结果除以2.122才能得出正确的结论，不光存在误差，而且比较繁琐。

如果让输出电压等于输入电压的有效值，则需让188831761;://()1//50f ojw i f CF x Z U A U Z R Z R jX jwR C Z R R R k ==-==-=+===Ω其中所以：850270.7R k ==Ω经过电脑仿真和实际测量，证明改进后的电路比之前的更加准确。

1、修改前的波形图2、修改后的波形图（三）、思考题：1、直接用二极管整流电路能否实现上述电路功能？为什么？答：不可以。

因为二极管导通电压为0.5V ，截至电压为0.1V ，不能测量微小电压。

2、该电路能够测量的信号的频率范围是多少？答：由一阶系统不失真测试条件得：1228()12236683(1)'()s C C k R G C C k R R R R C S +=+ 38352(1)R R C S =+ 假定幅值放大倍数不超过1.5%，认为是恒流，则：()38352(1)jw G R R C jw =+()238321()w RA R R C w =+令()1.5%300/w A wrad s ⇒即：300482f Hz π≥= 根据上面对于低通滤波器原理的分析，通过计算得到最小频率大约是48Hz 。

经过实际电路测量，此结果也基本符合实际情况。

三、仿真电路图及仿真结果 1、电路原理图2、调试（1）当i u =17.1mV ，10f Hz =时，输入电压i u 与输出电压o u 波形为：显然，输出电压o u 并非为直流电压，波动较大。

（2）当i u =17.1mV ，40f Hz =时，输入电压i u 与输出电压o u 波形为：输出电压o u 并非为直流电压，但波动已经较小。

（3）当i u =17.1mV ，50f Hz =时，输入电压i u 与输出电压o u 波形为：输出电压o u 已经非常接近直流电压，经过直流电压表测量，o u =17.1mV ，已经实现课程题目的要求。

在50f Hz 时，改变输入电压i u 的值，输入电压i u 与输出电压o u 的关系如下表所示（单位：mV ）：输入i u14.58.711.517.136.255.675输出o u2.75.39.111.717.135.855.474输入i u106.7282397742113521303630输出o u107.2297415708109120603770下面将数值方形图分析如下：输入i u =1mV 时，输出o u =2.7mV ，误差1σ=2.71%%170%1o i i u u u --==； 输入i u =4.5mV 时，输出o u =5.3mV ，误差2σ=5.3 4.5%%17.8%4.5o i i u u u --==； 输入i u =8.7mV 时，输出o u =9.1mV ，误差3σ=9.18.7%% 4.6%8.7o i i u u u --==； 输入i u =11.5mV 时，输出o u =11.7mV ，误差4σ=11.511.7%% 1.74%11.5o i i u u u --==-； 输入i u =36.2mV 时，输出o u =35.8mV ，误差5σ=36.235.8%% 1.11%35.8o i i u u u --==； 输入i u =397mV 时，输出o u =415mV ，误差11σ=397415%% 4.53%415o i i u u u --==-； 输入i u =742mV 时，输出o u =708mV ，误差12σ=742708%% 4.58%742o i i u u u --==； 输入i u =1135mV 时，输出o u =1091mV ，误差13σ=11351091%% 3.88%1135o i i u u u --==； 输入i u =3630mV 时，输出o u =3770mV ，误差15σ=36303770% 3.86%3630o i i u u u --==-； 由误差分析可知，在输入电压i u 小于8mV 时，系统误差大于±5%，电压不能被准确测量。

在输入电压i u 介于8mV 与200mV 之间时，误差小于±2%，测量结果较为精确。

当输入电压i u 介于200mV 与4000mV 之间时，误差小于±5%，测量结果较为准确。

为了验证电路的稳定性，我测量了多个频率下输入电压与输出电压的关系，结果与50f Hz =时基本一致。

各次测量所得数值列表如下： （2）频率100f Hz =时。

（单位：mV ）（3）频率900f Hz =时。

（单位：mV ）（3）频率2000f Hz =时。

（单位：mV ）（4）频率12000f Hz时。

（单位：mV ）输入i u14.58.711.517.136.255.675输出o u2.75.49.211.617.236.155.475.1输入i u106.7282397742113521303630输出o u106.9297415770115523003880五、电子电路分析、制作 （一）、主要元器件分析此电路所用的主要原器件为741运算放大器。

1、元器件性能元件LM741（通用集成运放）的性能参数如下：（1） LM741管脚图图1 运算放大器外形图 图2 741放大器输出输入脚位图工作方式与原理：741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有同向与反向两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后又输出端输出。

放大器工作时的最大特点是需要一对同样大小的正负电源，其值由输入i u 106.7 282 397 742 1135 2130 3630 输出o u106.929741676911552300383012V dc ~18V dc 不等，而一般使用dc V 15±的电压。

741放大器的外形与接脚配置分别如图1、2所示。

741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压dcV +与dc V -，一旦于2、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即回被放大于输出端，故运算放大器输出电压特性曲线如图3，输出电压到达dc V +和dc V -后会呈现饱和状态。

图3 放大器输入输出电压关系图741放大器的工作原理是：若在同向输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反向输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性的输出信号。

而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以同向输入端电压值减去反向输入端电压值，再经倍率放大后输出。

（2）集成运放芯片内部电路图LM741内部电路采用有源电极负载代替电阻负载：频率内补偿：有短路保护，可防止过流损坏；无阻塞现象；具有较高的输入共模电压、差模电压范围；高增益，具有失调电压的调节能力，适用于多种运放场合。