電子技術課程設計-二線制交流電流變送器的設計.doc

遼寧工程技術大學電子技術課程設計課程設計名稱： 電子技術課程設計題 目：二線制交流電流變送器的設計 專業(yè)：自動化 班級：自動08-3 姓名：薛博 學號：0805980320課 程 設 計 成 績 評 定 表學 期第四學期姓名專 業(yè)班級課題名稱電子技術課程設計論文題目評定標準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內容難易性15綜合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間備 注課程設計任務書一、設計題目二線制交流電流變送器的設計二、設計任務1. 輸入與輸出完全隔離。2. 輸出信號采用極性保護措施，極性正確時指示燈亮，儀表工作；反之指示燈滅，儀表不工作。3. 儀表本身無發(fā)熱源。三、設計計劃電子技術課程設計共1周。第1天：針對選題查資料，確定設計方案；第2天：方案分析比較，電路原理設計，進行元器件及參數(shù)選擇；第34天：電路仿真，畫電路原理圖；第5天：編寫整理設計報告。四、設計要求1. 畫出整體電路圖。2. 對所設計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設計任務要求。3. 寫出設計報告書。 指 導 教 師：閆孝姮時 間：2010年6月22 日摘要已知大電流電流互感器均將不同的電流轉換成05a的交流電流進行現(xiàn)場顯示。而進行遠距離傳送時，必須將該電流轉換成標準直流電流信號420ma，才能進行傳送。 市場上此類交流電流變送器大都采用“四線制”的方法：即交流電源線二根，直流電流信號線二根。而我們設計的是“二線制交流電流變送器”則只采用二根電線：即在給變送器內的電路提供直流電源的同時，將根據(jù)05a交流電流變化的變送輸出標準直流電流信號420ma遠傳至控制室顯示或進入計算機內處理后在顯示器畫面上顯示。關鍵詞：電流互感器；轉換；變送器；交流電流；二線制；目錄綜述 1 1.1課程任務設計 2 1.2設計思路分析 2 2.1 互感器的選擇 3 2.2整流器的選擇 4 2.3低通濾波器的選擇 5 2.4基準電壓產生與加法器電路的選擇 72.5電壓/電流轉換電路的選擇 82.6輔助電源的選擇 102.7電源極性保護電路 113.課程設計體會 124.參考文獻 13 綜述概述二線制交流電流變送器是一種能將被測交流電流按線性比例輸出直流標準電流的新型儀表。配以相應的指示儀表或直接輸送到dcs系統(tǒng)，實現(xiàn)交流電流的測量和控制。主要特點：1，二線制儀表現(xiàn)場不需要工作電源，利用指示儀表或dcs系統(tǒng)提供電源。2，輸入與輸出完全隔離。3，輸出信號采用極性保護措施，極性正確時，指示燈亮，儀表工作；極性錯誤時，指示燈滅，儀表不工作。4，儀表本身無發(fā)熱源，徹底解決了高溫環(huán)境下普通變送器因內部發(fā)熱而引發(fā)輸出信號丟失的普遍現(xiàn)象。主要技術參數(shù)輸入信號：05aac輸出信號：420madc（二線制傳輸）輸出負載電阻：0500精度：0.5%溫度系數(shù):150ppm/工作溫度:-10+70隔離：輸入與輸出隔離絕緣電阻：200m（500 v dc）絕緣強度：1000v/1分鐘供電電源：1536vdc15vrl=025024vrl=0500（標準配置）30vrl=075036vrl=01k應用接線：in 05aacout420 madc：指示燈+rl：零點調節(jié)24v dc：滿度調節(jié)一，二線制交流電流變送器概述1.1 課題任務介紹二線制交流電流變送器是一種能將被測交流電流按線性比例輸出直流標準電流的新型儀表。配以相應的指示儀表或直接輸送到dcs系統(tǒng)，實現(xiàn)交流電流的測量和控制。1.2 設計思路分析1.21 二線制交流電流變送器主要特點：（1）二線制儀表現(xiàn)場不需要工作電源，利用指示儀表或dcs系統(tǒng)提供電源。（2）輸入與輸出完全隔離（3）輸出信號采用極性保護措施，極性正確時，指示燈亮，儀表工作；極性錯誤時，指示燈滅，儀表不工作。（4）儀表本身無發(fā)熱源，徹底解決了高溫環(huán)境下普通變送器因內部發(fā)熱而引發(fā)輸出信號丟失的普遍現(xiàn)象。1.2.2 二線制交流電流變送器的主要技術參數(shù)：1. 輸入信號：05a ac。2. 輸出信號：420ma dc（二線制傳輸）。3. 輸出負載電阻：0500。4. 精度：0.5%。5. 溫度系數(shù)：150ppm/。6. 工作溫度：-10+70。7. 隔離：輸入與輸出隔離。8. 絕緣電阻：200m（500v dc）。9. 絕緣強度：1000v/1分鐘。10. 供電電源： 1536v dc。 15v，rl=0250。 24v，rl=0500。（標準配置）。 30v，rl=0750。 36v，rl=01k。二 .二線制交流電流變送器的元器件選擇與電路設計 在設計二線制交流電流變送器時，元器件的選擇應盡量滿足（1）選擇低功耗元器件，在滿足功能要求的前提下，盡量簡化電路，滿足二線制儀表的要求。（2）采取有效措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小溫度漂移。（3）完善系統(tǒng)保護措施，增加儀表的可靠性。 2.1互感器的選擇二線制 電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當初級流過交流電流時，次級線圈則對應其變比產生交流電流。再通過負載電阻轉換成交流電壓信號。 合理選擇互感器的變比十分重要。 在選擇變比之前，首先要確定通過互感器產生的負載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在23v/ac左右。 同時選擇互感器負載電阻為標準系列電阻。例如：輸入信號電壓選2.5v。 i=v/r=2.5v/1000=0.0025a=2.5ma 已知:交流電流輸入為05a， 則變比為:5a/0.0025a=2000 即1:2000 所以,當電流互感器初級電流為05a變化時,次級負載電阻兩端的電壓為02.5v。 選擇5a/2.5ma的互感器。 如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3v時，只需要將負載電阻選擇為rl=1.2k即可。 v=ir=0.0025a1.2k=3v 因此仍然選擇5a/2.5ma的互感器。 2.2整流電路的選擇如果輸入的信號非常微弱時，需要首先對信號進行放大后再進行整流。為了簡化電路，我們選擇的輸入信號電壓幅度比較大，02.5v/ac。所以可以直接整流，而不必進行放大。 如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會造成小電流時不能正常輸出，從而造成在互感器輸入1a電流時，變送器無法線性輸出標準電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.50.7v左右，當互感器輸入電流1a時，次級負載電阻兩端的電壓為0.5v，此時晶體二極管無法導通！ 我們利用運算放大器的反饋電路來實現(xiàn)理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。 同時，為了簡化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路。（圖2.2）圖中的r2，r3，d1與n1運算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。d1串接于運算放大器n1的輸出端，并且從d1的陰極開始進行反饋。r2是串聯(lián)的輸入電阻ri，r3是反饋電阻rf。既然不需要進行放大，所以選擇r3=r2。通常選擇通用運算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇r2=r3=10k51k均可，要求相對誤差盡量小一點，否則輸出的直流電壓會產生誤差。 對于輸入的負半周信號來講，n1是一個典型的反相放大器。此時的增益為 a=（-vi）（-r3/r2）=vi 而對于輸入的正半周信號來講，n1的輸出則變成負值 a=vi（-r3/r2）=-vi此時d1被反相偏置而截止，輸入信號vi則通過r2，r3串聯(lián)電路直接輸出至后一級電路。2.3低通濾波器電路的選擇為了保證直流信號的有效傳送，徹底濾除掉工頻信號以及各種雜波噪聲對變送器的影響，選用低通濾波器來完成此項任務。同時為了取得平坦的濾波效果，采用2db/oct巴特沃次（最平坦特性）濾波器電路。 而濾波電路的q值必須0.707才能獲得最平坦特性。q=(c1/c2)/2=0.707為了使q=0.707左右，c1，c2必須建立的關系為c1=4q平方c2=2c2同時電路必須滿足以下關系ro=r2=r3co=1/(2flro)c1=1.4coc2=0.7cofl=1/(2coro)式中ro輸出等效電阻co輸出等效電容fl低通截止頻率223.14 根據(jù)以上公式，首先確定低通濾波器的截止頻率。 為了有效的濾除工頻信號（50hz）和外界雜波干擾頻率信號，保證直流有用信號的順利傳輸，合理的選擇低通濾波器的截止頻率至關重要。 通常考慮截止頻率為工頻的1/101/20以下，這里選擇25hz。即只允許低于25hz以下的交流及直流信號通過，高于25hz以上的所有信號必須徹底隔斷阻止通過。根據(jù)公式fl=1/(2coro)選擇fl=（25）hzro=r2=r3=51kco=1/(2flro)=1/(6.28（25）51000)=(0.6241.56)fc1=1.4co=(0.8472.184)fc2=0.7co=(0.4371.092)f由于電容器的規(guī)格容量標稱值有一定的限制，這里選擇容量接近的標稱容量的電容器進行配組：c1=0.847f選1f：c2=0.437f選0.47f驗證：co=c1/1.4=0.714fco=c2/0.7=0.671f根據(jù)co=1/(2flro)=1/(6.28（25）51000)=(0.6241.56)f在截止頻率為25hz范圍內，co=(0.6241.56)f時，按最高截止頻率計算，取co=0.671ffl=1/(2coro)=1/(6.280.6715100010負6次方)=4.653hz基本滿足設計要求的（25）hz范圍。具體電路見（圖2.3）。再驗證低通濾波器的q值是否滿足要求：q=(c1/c2)/2=(1/0.47)/2=2.128/2=0.7296q0.707，可以認為成立。低通濾波器電路元件配型對應的截止頻率c1 =1fc1=2.2f電阻值roc2=0.47fc2=1f30k3.379hz33k3.071hz36k2.687hz39k2.599hz43k2.357hz47k2.157hz51k4.653hz1.987hz56k4.238hz62k3.828hz68k3.490hz75k3.164hz82k2.894hz91k2.608hz100k2.373hz110k2.158hz120k1.978hzq值0.7070.72960.7416表2.1 2.4.基準電壓產生與加法器電路的選擇為了保證在零信號輸入時，使輸出信號為標準電流信號的零位基準4ma，必須在加法器電路的輸入端提供系統(tǒng)輸出電流信號的零點調節(jié)電壓。同時要求該電壓必須穩(wěn)定可靠，避免溫度影響而引起的漂移現(xiàn)象?；鶞孰妷弘娐凡捎胻l431組成2.5v的基準電壓。為了減小溫度漂移現(xiàn)象，采用lm334組成恒流源給tl431提供偏置電流?？紤]二線制儀表的靜態(tài)電流要求，4ma的零點電流中，全部電路的靜態(tài)電流考慮留出1ma左右的零點調節(jié)范圍，全部電路的靜態(tài)電流不能超過3ma。由于運算放大器準備選用lm124四運放，lm124的靜態(tài)電流約為1.7ma左右。所以，選擇基準電壓電路tl431的偏置電流為1.3ma左右。根據(jù)公式rset=（67.710負3次方）/i=（67.710負3次方）/(1.310負3次方）=52 選標稱電阻值51。 驗證：i=（67.710負3次方）/ rset=（67.710負3次方）/ 51=0.00133a=1.33 ma 基本滿足設計要求?；鶞孰妷寒a生與加法器電路見（圖2.4）。加法器電路是一個典型的反相加法放大器，輸出電壓eo可以有以下公式表示：eo=-vi1(rf/rf1)+vi2(rf/ri2)式中eo輸出電壓vi1前級來的信號電壓（+02.5v）vi2系統(tǒng)零點基準調節(jié)電壓（+02.5v）rf加法器反饋電阻（3k）rf1前級信號輸入電阻（3k+010k）rf2基準調節(jié)電壓信號的輸入電阻（51k）由于后一級電路要求，反相加法放大器是一個衰減式的加法電路。所以eo=-vi1(rf/rf1)+vi2(rf/ri2)=-vi1(0.231)+vi2(0.0588)=-02.5(0.231)+02.5(0.0588)=-0(0.5752.5)+(00.147) (v)在試驗應用調試時，當沒有交流電流輸入時，調整系統(tǒng)零點調節(jié)電位器（0100k）使輸出電壓為-0.042v；此時零點電位器的調節(jié)輸出電壓在0.7v左右。當輸入交流電流為5a時，調整輸入電位器（也稱量程調整電位器）使輸出電壓為-0.867v即可。2.5，電壓/電流轉換電路的選擇由運算放大器組成恒流輸出電路，晶體三極管進行擴流，晶體管發(fā)射極的電阻組成電流敏感電路，在電阻兩端產生反饋電壓。由于該級的增益確定為1，所以，rf=rf=10k。此時電阻兩端的電壓嚴格跟蹤輸入電壓，只是極性相反，即vro=-vi。已知前級輸出電壓為-0.042v-0.867v ,所以要求流過51電阻的電流為io=v/r=(0.0420.867)/51=0.8217ma。加上系統(tǒng)電路元件的靜態(tài)電流3 ma，系統(tǒng)電流為0.8217+3=3.8220ma適當調整零點和量程電位器，使得系統(tǒng)電流在輸入05a/ac時，輸出電流為420ma /dc即可。由于本電路的負載是長電纜，為了避免電路產生振蕩，在運放的反饋端（即反相輸入端與輸出端之間）增加了防止寄生振蕩的電容器（0.1f）。具體電路見（圖2.5）。 2.6，輔助電源的選擇為了滿足運算放大器工作時處理負電壓信號，必須給系統(tǒng)提供相應的正，負工作電壓。所以在系統(tǒng)共用端與電源負極回路串聯(lián)一只發(fā)光二極管，利用發(fā)光二極管工作是產生的電壓降作為運算放大器的負電源。同時將運算放大器的負電源端與發(fā)光二極管的陰極接通，從而提高了系統(tǒng)共用端的電位，相映對于系統(tǒng)共用端來講，運算放大器得到了正，負工作電源。發(fā)光二極管的正向壓降：紅色1.5v左右；綠色1.7v左右；黃色1.9v左右。同時，發(fā)光二極管兼任變送器的工作狀態(tài)指示燈。 2.7，電源極性保護電路在系統(tǒng)回路中串聯(lián)一只二極管就構成了電源極性保護電路。當電源極性正確是，發(fā)光二極管發(fā)光，證明電源極性正確；而電源極性接反時，二極管截止，沒有電流通過變送器系統(tǒng)，發(fā)光二極管則不會發(fā)光。同時，變送器正常工作時，還可以根據(jù)發(fā)光二極管的亮度變化情況，判斷工作電流的大小。完整的電路圖如下：課程設計體會 本學期我們開設了模擬電路與數(shù)字電路課，這兩門學科都屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)也都有聯(lián)系，