《電機過載指示電路》課程設(shè)計任務(wù)書

1、電機過載指示電路課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計目的1掌握儀表放大器的主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。2掌握精密半波整流電路的原理。3掌握電壓比較器的工作原理和設(shè)計方法。4了解電路設(shè)計的過程，積累經(jīng)驗。二、工作原理電機過載指示電路是一種簡易的檢測電流電路，是電機保護電路的一部分。當(dāng)電機過載時，通過線圈的電流會急劇增大，因此通過判斷電流大小是判斷電機是否過載的重要方法。圖1 電路框圖整個電路（圖1）包含儀表放大器（差分放大電路）、精密全波整流電路、電壓比較器電路、整形（含調(diào)整邏輯）和顯示電路等四個模塊組成。其主要工作原理是：利用精密小電阻接入電路中，電流通過電阻時會在電阻兩端產(chǎn)生一定的電壓，用儀表放大器將該電壓按一

2、定比例放大后輸出，由于電阻阻值和放大倍數(shù)是已知的，因而可以通過判斷輸出電壓大小，進而算出電流強度。采樣電阻r以串聯(lián)形式接入電機電路，由于串聯(lián)電路電流處處相等，因而通過采樣電阻r的電流也就是通過電機線圈的電流，即：圖2 采樣電阻與電機的連接關(guān)系之所以加絕對值是因為直流電機根據(jù)所加電壓方向不同，可以有正、反兩種轉(zhuǎn)向，無論是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)均存在過載的可能。從采樣電阻r所獲得的電壓非常微弱，要必須進行放大處理。放大的對象是r兩端電壓的差值，如此處需要使用差分放大電路，儀表放大電路就是一種常見的差分放大電路。精密全波整流的作用是將經(jīng)過差分放大的信號進行絕對值處理，使其保持正數(shù)，以便后面的判斷電路進行判斷。電

3、壓比較器在系統(tǒng)中主要起判斷作用，即判斷輸出電壓是否為設(shè)定的正常值，并輸出給邏輯調(diào)整及整形電路（一般由74hc14或74hc04組成，即非門）整形成標(biāo)準(zhǔn)cmos電平，如果工作正常，則綠色led亮紅色led滅，如果不正常，則相反。輸出信號此后可送單片機等再做其他處理。圖1 儀表放大電路示意圖三、電路原理1.儀表放大器圖1所示為典型的儀表放大電路，其中u1和u2均為同相放大器，可對輸入信號進行同相放大，而u3是差分放大電路，被u1、u2放大的信號的共模部分在經(jīng)過u3放大時受到了抑制，而其差模部分則被放大，由此可以實現(xiàn)對v2-v1值的放大。r14-r16是調(diào)節(jié)平衡用的電路。該放大電路在設(shè)計時經(jīng)常將r1

4、-r6設(shè)置為同樣阻值的電阻，其電壓增益為：因此前圖中的放大倍數(shù)為101倍，實際電路中，r7的位置一般用一個固定阻值電路和一個電位器代替，以滿足增益調(diào)節(jié)的需要。儀表放大電路需要在使用之前進行調(diào)節(jié)平衡和調(diào)節(jié)增益的操作，具體為：（1）將輸入端v1、v2相連并接地；（2）調(diào)節(jié)r16，使得放大電路輸出電壓為0。（3）將放大器接入電路，v2、v1均為實際值。調(diào)節(jié)r7位置上的電位器，使得輸出電壓達(dá)到預(yù)定值。2.精密半波整流圖2 精密全波整流電路精密全波整流又稱絕對值電路（圖2），它可以將輸入信號取絕對值后輸出。圖中的v1為電壓輸入端，電路可以將v1的電壓取絕對值后輸出（模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)p456-457有類似

5、電路）。如圖中的例子，無論v1是2.2v還是-2.2v（圖2所示案例），輸出結(jié)果都是2.2v。該電路適合用于直流或極低頻的情況。3.基準(zhǔn)電源tl431是常用的基準(zhǔn)電壓源，可以為電壓比較器提供一個標(biāo)準(zhǔn)的電壓。使用基準(zhǔn)源芯片，可以在電源電壓（圖3中的vcc）有輕微波動的情況下，依然保持恒定輸出。圖3所示為tl431的兩種經(jīng)典電路，萬用表的測點即為輸出端，左圖為固定輸出電路，右圖為輸出可變電路。在左圖中，tl431的輸出為其內(nèi)部基準(zhǔn)值（理論值vref為2.495v）。右圖輸出值理論計算公式為：圖3 電壓基準(zhǔn)源一般情況下，iref比較小，可以忽略，tl431的輸出精度較高，一般與理論值的差距小于2%。

6、基準(zhǔn)源經(jīng)常與電壓比較器或模數(shù)（adc）、數(shù)模（dac）結(jié)合使用。四、實驗任務(wù)現(xiàn)有一小型單相直流電機，額定工作電壓為12v，工作電流為設(shè)定值（見附表），線圈內(nèi)阻約50歐姆，要求設(shè)計一個電機過載保護電路，當(dāng)電流小于過載保護值時，判定為正常工作狀態(tài)，綠色led點亮；當(dāng)電流超過過載保護值時，紅色led點亮。五、具體設(shè)計步驟1合理選用采樣電阻，使得采樣電阻對線圈電流的影響小于3%，以免影響電機正常工作。2根據(jù)采樣電阻的阻值和預(yù)設(shè)過載電流，計算儀表放大器的放大倍數(shù)，使得輸出電壓達(dá)到2.5v（或其他數(shù)值a）。根據(jù)放大倍數(shù)設(shè)計電路各元器件的參數(shù)。3設(shè)計電壓比較器的參數(shù)，使得輸入超過2.5v（或其他數(shù)值a），電

7、壓比較器輸出高電平，當(dāng)小于2.5v（或其他數(shù)值a時），輸出低電平。4對高低電平分別進行整形和邏輯處理，以灌電流方式驅(qū)動led。注意74hc系列的芯片電源為5v，因此電壓比較器的供電電壓應(yīng)為5v。5使用multisim或proteus對電路進行仿真。六、器件選擇范圍（不足部分自行外購）1三極管： 2n3904。2二極管：1n4007；1n4148。3電阻：e24系列，碳膜電阻，1/4w，精度5%。阻值范圍為10-1m。4電容：e6（100pf1000uf）,電解電容耐壓25v、35v、50v。53296電位器：1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k。6集成運放：op07、lm358、tl082、lm324七、工作內(nèi)容1、設(shè)計并制作電路（實物）；2、用電源、電位器模擬電機的電流，當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)值，led點亮。3、將測試結(jié)果記入下表：其中i為電流設(shè)計值，通過調(diào)節(jié)電位器使電流等于表中規(guī)定的預(yù)設(shè)值，同時測量放大器的輸出。序號電流預(yù)設(shè)值儀表放大器輸出值電流計算值相對誤差%10.2*i20.4*i30.6*i40.8*i5i61.2*i八、報告要求（1）設(shè)計完成的電路圖并仿真；（2）調(diào)試步