1、 论毕业设计 75 济源职业技术学院机电一体化毕业论文 01论毕业设计 75 济源职业技术学院机电一体化毕业论文 01 导读：的。而量程自动切换正是利用输入电压的值控制继电器 KA1,KA2 的通断，从而调整放大倍数的幅值 Au=Vo/Ui=Rf/R 可知，当 R=1K 时，根据 KA1,KA2 的通断， Rf 分别取 1K,10K,100K 时，则放大倍数济源职业技术学院毕 业 设 计题目 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期数字交流毫伏表 机 电 系 机电一体化设计任务书设计题目数字交流毫伏表设计要求：随着电子技术的不断发展，电子仪器的发展也是令人瞩目的。总的来说，电子仪器有两个方
2、向的发展趋势；一是向多功能，多参数，高精度，高速度发面发展，另一个是向实用化，小型化，数字化，廉价的通用或单一用途方面发展。对于数字式电压表来说，一方面趋向于合并于数字式万用表中，另一方面趋向于使用方便，小型廉价的单一用途电压表。本文所设计的数字式交流毫伏表的显著特点是测量范围宽，可测电压范围为 500V 以下，最大分辨率为 0.01mV，且可以实现量程自动转换，操作简单，使用方便。该电压表还具有在一定的测量范围内将量程自动选择在最佳位置的功能，从而可以快速、方便、准确地测量电压。设计进度要求第五周第六周 毕业设计大纲的撰写第十三周第十七周 毕业设计的细节化修饰指导教师（签名）济源职业技术学院
3、毕业设计(论文)目 录摘 要 ? 1 引 言 ? 2 关 键 词 ? 3 概 述 ? 3 工作原理 ? 3 原理设计 ? 5 电源设计 ? 23 整机调试组装? 25 致 谢 ? 27 论毕业设计 75 济源职业技术学院机电一体化毕业论文 01(2)导读：分别等于 1 倍，10 倍，100 倍。-8-济源职业技术学院毕业设计(论文)33AC/DC 转换部分的设计在测量交流信号时，交，直流转换是一个非常重要的环节，交，直流电压 转换一般由整流电路和滤波电路构成。整流电路一般有无源和有源两种。其中，无源整流电路由于二极管的非线性的影响。因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图所示。和死区的存
4、在影响测量精度。而有源整流电路则可以消除二极管的非线性和死区的影响。因此，本仪表中采用了有源全波整流，其电路如下图(5)所示。1k9k90k图 (5)当输入信号 Ui 处于正半周时，D2 截止，U01 为虚地，U01 约等于零；当 Ui 处于负半周时，D1 截止，D2 导通，形成负反馈。此时U01=-(R2Ui)/R1，且二极管的非线性和死区不会影响输出。 U01 的波形为半波整流波形。U2 和 R3R5 构成反相加法器，若取 R4=2R3,则输出 U02=-R5(U01+Ui/2)/R3，即正弦波整流波形想加，形成全波整流输出。电容 C 的作用是滤波高频干扰。滤波电路一般也分为有源滤波和无源
5、滤波。为了提高精度，本仪表采用了二阶有源低通滤波器，其电路如下图(6)所示。-9-济源职业技术学院毕业设计(论文)C2UiUo图(6)对于输入的全波整流信号，低通滤波器的作用是滤除其中的交流成分，只让直流成分通过。因此，将低通滤波器的截止频率定为2Hz。4量程自动转换电路的设计量程自动转换是实现精密仪器自动测量的重要组成部分，也是本仪表的核心控制部分。本仪表采用的是模拟比较法量程自动转换。模拟比较法量程自动转换电路是由模拟比较器，量程寄存器，量程开关和译码器组成，其原理框图如下(7) 所示。图 (7)-10-济源职业技术学院毕业设计(论文)（1）模拟比较器模拟比较器的作用主要是衡量输入信号 U
6、i 是否处于预定的电压范围内。当 Ui 高于“超出基准”时，则能输出进位脉冲 CP+;当 Ui 低于“不足基准”时，则能输出退位脉冲 CP_。模拟比较器由两个比较器和两个或门组成，如下图所示。禁进比较器由 LM311 构成，“超出基准”预定为 5V，“不足基准”预定为 0.5V。如果输入信号 Ui 超过 5V，则比较器 LM311(1)输出低电平，脉冲 CP 通过“或”门输出 CP+；当 Ui 低于 0.5V 时，则比较器 LM311(2)输出低电平，脉冲 CP 通过“或”门输出 CP；当 Ui 处于 5V0.5V 之间时，则两个比较器均输出高电平，此时既没有 CP+也没有 CP_输出。LM3
7、11 有一个控制端 S，当 S=1(高电平)时，比较器处于工作状态；当 S=0(低电平) 时，比较器处于禁止状态，此时比较器输出为高电平。因此，当“禁进”或“禁返“信号传送过来之后，比较器将处于禁止状态，由“禁进”或“禁返”信号来控制 CP+或 CP-的输出。（2）量程的划分由于低压输入通道有运算放大器组成的电压跟随器，受该电压跟随器的限制，其输入电压有效值最高不得大于 5V。因此，仪表的基本量程定为 5V500mV，故比较器的上，下限电压相应为 5V 和0.5V。根据比较器的上，下限电压，可将仪表的量程划分为五档。其中，高压部分为两档，低压部分为三档，即-11-济源职业技术学院毕业设计(论文
8、)高压部分：500V50V 50V5V 低压部分：5V500mV 500Mv50Mv 50mV 以下高压输入通道输入的电压经过衰减器后衰减为 5V 以下的电压，即可进行低压测量。因此，只需确定低压部分三个量程的对应放大倍数即可。由前文可知，本仪表的反相放大部分有 1 倍，10 倍和 100倍三种放大倍数，而反相放大器的放大倍数 Au 与继电器 KA1,KA2的通断有密切关系。量程放大倍数 Au 与继电器 KA1,KA2 状态的对应关系如下表所示。其中 0 和 1 表示继电器的断开和闭合。由此可见，量程的自动转换实际上可以归结为继电器 KA1，KA2 状态的转换（3）量程寄存器量程寄存器是量程自
9、动转换的核心部分，它的输入信号为 CP+和CP-，而它的输出则控制量程的转换。根据前面的分析，量程的顺次转换可以表示为继电器 KA1,KA2 状态的不同组合，也就可以表示为两位二进制数的减，加计数。因此，这里选用二进制可逆计数器74LS193 作为量程寄存器，其连接电路图如下图所示。-12-济源职业技术学院毕业设计(论文)74LS193 为异步二进制计数器，这里只利用它的加，减计数和QA,QB 两个输出。根据其功能，当 CP+有脉冲输入，CP-为高电平时，其输出 QA,QB 进行二进制加计数；当 CP+为高电平，CP-为脉冲输入时，其输出 QA,QB 进行减计数；当 CP+,CP-同为高电平时
10、，其输出 QA,QB 保持不变。比较器输入与量程寄存器的关系如下表所示。-13-济源职业技术学院毕业设计(论文)(4)量程开关量程的切换是通过量程开关来实现的，本仪表的量程开关是继电器KA1,KA2。通过继电器 KA1,KA2 可以使放大器的放大倍数发生变化，从而实现量程的转换。从 74LS193 输出的控制信号 QA,QB 为数字信号，为了用该信号控制继电器的通断，采用如下图所示的驱动电路。继电器的线圈为感性负载，当晶体管关断时，二极管 D 起到为继电器的线圈续流的作用，从而保证驱动电路的正常工作。由于继电器KA 只需断开，闭合一条线路，故只需单触点继电器即可，这里选用 HG4100 型。（
11、5）译码器译码器的作用主要是根据量程的控制信号指示量程的位置，因此又称为量程指示器。由于本仪表为数字显示，因此量程指示就体现为显示单位和小说点的变化。换句话说就是译码器的输出决定了显示器的单位和小数点的变化。由于高，低压量程的切换是手动的，因此要用一位数字信号来表示这一变化。兹规定，当使用低压量程时，信号 QC 为低电平 0；当使用高压量程时，信号 QC 为高电平 1。本仪表的显示为四位 BCD 码，单位可以采用伏（V）和毫伏（mV）两种。 -14-济源职业技术学院毕业设计(论文)量程和显示的关系如下表所示。 量程和显示的关系单位和小数点均可以用数字信号的高低电平驱动发光二极管来表示。当数字信
12、号为高电平时，发光二极管亮；当数字信号为低电平时，发光二极管熄灭。因此，单位和小数点的亮与熄灭可以用二进制数0 和 1 来表示，可得逻辑真值表如下表所示。逻辑真值表由上面逻辑真值表可以写出译码器输入，输出的逻辑表达式为：同时，译码器还需要输出“禁进”，“禁返”信号。当量程切换到最高档 500V50V 或 5V500MV 时，若直流输出仍高于“超出基准”，则必须产生“禁进”信号。同样，当量程处于最低档 50V5V 及50MV 以下时，若直流输出仍低于 “不足基准 ”，则必-15-济源职业技术学院毕业设计(论文)须产生“禁返”信号。因此，可以得到如下表所示真值表。“禁进”，“禁返”信号真值表由表可
13、得如下逻辑表达式禁进 S5=QCQBQA+QCQBQA 禁返 S6=QCQBQA+QCQBQA此处采用三线八线译码器 74LS138 和与非门 74LS00 来产生信号 S1S60。 至此，量程自动转换电路已设计完毕。该电路可以根据输入信号的大小，自动地转换到合适的量程上，从而完成精确测量。四、V/F 转换电路部分的设计V/F 变换即电压到频率的变换，表示输出信号频率 fo 与输入电压 VI成正比。目前实现 V/F 变换的变换方法很多，有由分离元件组成的变换电路，也有各种集成电路，这类集成电路使用 论毕业设计 75济源职业技术学院机电一体化毕业论文 01(3)导读：反相器74HC04，则最高频
14、率可到 40MHZ，可实现高频方波发生器 -20-济源职业技术学院毕业设计(论文)CD4069 图(11)2，石英晶体振荡方波发生器在数字仪器仪表，自动测试系统及高精度定时控制中，往往需要一个高稳定度，高精度的方波信号源。为此将石英晶体配以CMOS 门电路或专用集成电路，即可构成石英晶体振荡电路。下图(1简单，调试方便，转换精度也比较高，是目前首选器材。下面将重点介绍 LMx31 系列 V/F 变换器在转换电路的应用。1、LMx31 系列 V/F 变换器组成的变换电路的介绍LMx31 系列包括LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331，该系列的器件是一种性能价
15、格比较高的集成电路，很适合用作精密频率电压转换器、长时间积分器、线形频率调制或解调等功能电路。另外该系列的器件十分适合用于低电源电压的数字系统，用电池供电的 V/F变换器输出的频率可方便地通过光电隔离，从而提供良好的共模抑制能力。LM131/231/331 使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到 4V 电源电压下都有极高的精度。精度定时电路具有低的偏置电流，100KHZ 的 V/F 转换所需要的高速响应也没有退化现象。输出可驱动三个 TTL 负-16-济源职业技术学院毕业设计(论文)载，高压输出可达 40V。其主要特点有：双电源或单电源供电（单电源在 440V 范围内均能工
16、作）。高的线性度（0.01%）。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。稳定性好，温度系数小于等于 50（1/1000000）/ 摄食度功耗低，当电源为 5V 时，功耗为 15mx31 系列集成变换器的管脚排列图如下图(8)所示。各管脚的功能如下： VCCV R/C8LM331/231/1315 Io foutGND-17-济源职业技术学院毕业设计(论文)1 脚：输出电流 I0 输出端。它是内部一个精密电流源的输出端。2 脚：基准电流 Is 输出端。该脚对地电压的典型值为 1.9V。在使用时，一般对地接一电阻 Rs，其典型值取 14 千欧，实际应用时取 3.8千欧150 千欧。 3 脚：脉冲频率 fouT
17、 输出端。该端子是内部一个三极管集电极，且集电极开路输出。故在使用时，一定要外接一上拉电阻。4 脚：接地端（或负电源端）。5 脚：外接定时电阻和定时电容端。该脚是内部单稳态触发器的外接定时元件端子。6 脚：阈值电压输入端。它是内部一个比较器的反相输入端，该端的电压与 7 脚输入电压相比较，并根据比较结果启动内部的单稳态定时电路。7 脚：被转换的外部电压输入端。8 脚：正电源端 。2、LMx31 系列 V/F 变换器组成的转换电路应用实例(1) 组成 V/F 变换器下图(9) 是 LMx31 组成的简单的 V/F 变换器。图中 RIN，CIN 组成输入滤波环节,Rx31 组成的精密 V/F 变换
18、器。该电路中主要是增加了积分器（由 A,CF 构成）。因为是反相积分，故要求输入电压为负值。当 A 的输出电平超过 LMx31 的 6 脚阈值电平时，就启动器件的转换周期，流入运放求和节点（2 端）的平均电流 I 正好等于Vin/RIN，两者平衡。所以 LMx31 输入端比较器的失调电压所产生的频率失调，不影响 V/F 的转换精度。由于恒流源 1 脚恒为低电平，不管输入信号 Vin 是大是小它总不变，故改善了线形度。本电路的压频转换公式不变。本电路指标：输入电压 0-10V，输出频率为010KHZ，非线形度可达正负百分之十。-19-济源职业技术学院毕业设计(论文)五、秒脉冲发生器的设计1、脉冲
19、信号产生电路（1）集成门电路构成的方波发生器由 CMOS 反相器组成的方波振荡器如下图 (11)所示。该电路仅用一片六反相器 CD4069 构成。这种电路的优点是起振容易，即使采用低阻值电阻或小容量电容也能起振：振荡频率范围宽，稳定性好。输出方波的频率表达式为：f=0.455/(R1C+RpC)G3 反相器是起缓冲隔离作用，提高方波发生器的带负载能力。改变电位器 Rp，即可改变振荡频率。当 Rp=100 千欧时，最低振荡频率为：fmin 约等于 4.5KHZ当 Rp=0 时，最高振荡频率为：fmax 约等于 4.5MHZ输出方波的幅度近似等于电源电压 Vcc。在上述电路中，选用高速CMOS 反
20、相器 74HC04，则最高频率可到 40MHZ，可实现高频方波发生器-20-济源职业技术学院毕业设计(论文)CD4069图 (11)2，石英晶体振荡方波发生器在数字仪器仪表，自动测试系统及高精度定时控制中，往往需要一个高稳定度，高精度的方波信号源。为此将石英晶体配以 CMOS 门电路或专用集成电路，即可构成石英晶体振荡电路。下图(12)电路是石英晶体和集成 CMOS 门电路构成的方波发生器的典型结构。在电路中，电阻 Rf 是偏置电阻，其目的是保证反相器 G1 工作在线形区。一般 Rf 的取值 5.130 兆欧。石英晶体在并联谐振时呈感性，其等效电感 L0 与电容器 C1,C2 构成选频 X 络
21、，组成三点电容式振荡器。G2 门的作用有两个： 第一，起放大整形作用，把 G1 门输出的近似正旋波信号变换成前后沿陡峭的方波。第二，起隔离作用，提高晶体振荡电路的带负载能力。-21-济源职业技术学院毕业设计(论文)10K图 (12)六、计数及显示部分的设计计数器具有累积计数脉冲的功能。它是数字电路系统中一个十分重要的逻辑部件，目前生产厂家已制造出了具有不同功能的集成计数芯片，各种计数器的不同点主要表现在计数方式（同步计数或异步计数），输出编码形式（自然二进制，BCD 编码，时序分配输出），计数规律（加法计数或可逆计数），预置方式（同步预置或异步预置）以及复位方式（同步复位或异步复位）等六个方面
22、。下面将 -22-济源职业技术学院毕业设计(论文)简单介绍几种常用的集成计数器。二进制计数器。常用多级异步二进制计数器有CD4020，CD4024,CD4040 及 CD4060 其中 CD4024 是 7 级串行二进制计数器。它们的共同特点是仅有两个输入端，一个是时钟输入端“CP”，另一个是清零端“R ”。在清零端 R 上加高电平“1”时，计数器输出全部被清零，当 R 端为低电平“0”，在时钟脉冲“CP”的作用下完成计数，且在 CP 脉冲的下跳沿计数器翻转。当多级计数器连接构成计数规律更大的计数器时，方法相当简单，只需将上一级最高位的输出连到下一级计数器的“CP”即可。十进制计数器的编码一般
23、都是 BCD 码，常见的十进制加法计数器有74LS160,74LS162 及 CD4518 等。74LS160 和 74LS162 管脚排列和逻辑功能完全相同（与 74LS161,74LS163 管脚相同，但74LS161,74LS163 是 4 位二进制计?器），所不同的是 74LS160 是异步清零，而 74LS162 是同步清零。CD4518 是双 BCD 码计数器。 CD4518 中的每个计数器包含两个时钟输入端：CP 和 EN。 CP 用于上升沿触发，要求 EN=1；EN 用于下降沿触发，要求 CP=0。R 是复位端，且异步复位，高电平有效。可逆计数器。所谓“可逆计数器”是指该器件不
24、仅能完成加法计数，而且也能实现减法计数。常见的可逆 论毕业设计 75 济源职业技术学院机电一体化毕业论文 01(4)导读：计数器有 74LS190/74LS191 和 74LS192/74LS193 等。其中74LS190/74LS191 是单时钟同步加/减计数器，管脚排列完全相同。所不同的是 74LS190 是十进制计数器，而 74LS191 是二进制计数器。74LS163 的功能表-23-济源职业技术学院毕业设计(论文)七、电源电路的设计1、整流,滤波电路的设计首先确定整流电路结构为桥式电路;滤波选用电容滤波。电路如下图(13)所示。为了是稳压电源能够正常工作，滤波电路的输出电压 Ui应满足下式：Ui=Uomax+(Ui-U0)min+Urip+Ui式中，Uomax 稳压电源输出最大值；（ Ui-U0）min 集成稳压器输入输出最小电压差；Urip滤波器输出电压的纹波电压值（一般取 U0,(Ui-Uo)min 之和的 10%）；U电 X 波动引起的输入电压的变化（一般取 Uo，（Ui-Uo）min ，Urip 之和的 10%）。
