有源隔离型4-20mA信号变换电路

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1、有源隔离型 4-20mA 信号变换电路的设计1、 设计基本要求： 1、 电源供电 24Vdc，输入电流 4-20ma，输出电流 4-20ma。 2、 输出电流 4-20ma 带负载能力达到 300 欧姆。 3、 电源供电 24Vdc，输入电流 4-20ma，输出电流 4-20ma 三者相互隔离。 4、 输出电流跟踪输入电流变化，跟踪精度达到 1%。 2、 发挥部分： 直接以 PT100 的电阻输入替代输入电流 4-20ma 电流，实现隔离型热电阻变送器功能。 即 100 欧电阻输入，输出 4 毫安，138.5 欧姆电阻输入，输出 20 毫安。具体电路请记笔记。 可参考：http:/ LC 振荡

2、器(A 题)(第 六届);（3）高频无线电类简易无线电遥控系统(第二届),调幅广播收音机(第三届),短波调频接收机(第四届),调频 收音机(第五届);（4）放大器类实用低频功率放大器(第二届),高效率音频功率放大器(第五届),宽带放大器(B 题)(第六 届);（5）仪器仪表类简易电阻、电容和电感测试仪（第二届） ，简易数字频率计（第三届） ，频率特性测试 仪（第四届） ，数字式工频有效值多用表（第四届） ，简易数字存储示波器（第五届） ，低频 数字式相位测量仪（C 题） （第六届） ，简易逻辑分析仪（D 题） （第六届） ；（6）数据采集与处理类多路数据采集系统（第一届） ；数字化语音存储与回

3、放系统（第四届） ，数据采集与 传输系统（第五届） 。（7）控制类水温控制系统采集系统（第三届） ，自动往返电动小气车（第五届） ；简易智能电动车 （E 题） （第六届） ；液体点滴速度监控装置（F 题） （第六届） 。从以上试题可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。涉及 到的电子信息类专业的课程有：低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、 单片机、可编程逻辑器件、EDA 设计等；涉及到的实践性教学环节有：电子线路实验课、 微机原理实验课、课程设计、生产实习等；竞赛中可选用的器件有：晶体管、集成电路、 大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现

4、代电子设计方法与开发工具，如 VHDL 语言、Xilinx Foundation Series EDA 工具、单片机编程器等。不难看出， 电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养 学生的工程实践能力和创新设计能力。传统的电子信息类专业教学内容，重理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、请协 作。实验内容及实验方法上所存在的内容陈旧、形式呆板、方法单一。按传统方法培养学 生，在参加电子设计竞赛时，就会发生诸多问题。如：理论设计正确却无法在工程上实现； 单元电路正确却无法实现系统连调；个人能力很强却各自为政，不能时间强强联合，等等。电子设计竞赛既不是单纯的理论设

5、计竞赛也不仅仅是实验竞赛，而是由一个参赛队共 同设计、制作完成一个特定工程背景的题目的优劣与快慢的竞赛。它既强调理论设计，更 强调系统实现。它考核了学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新意识。题 目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。因此，竞赛的形式与内容基本上符合 面向 21 世纪人才培养的目标和需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时，竞赛成绩也能 从一个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。6.3.1 电源类题目分析电源类题目有“简易数控直流电源（第一届） ，1994 年） ”和“直流稳压电源（第三届， 1997 年） ” 。“简易数控直流电源”要求设计制作一个

6、输出电压数控可调直流稳压电源。涉及到的 基础知识与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，单片机，数字显 示与控制等。“直流稳压电源”要求设计制作一个交流变换为直流的稳定电源。涉及到的基础知识 与制作能力包含：交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，恒流电流源，DCDC 变 换器，单片机，数字显示与控制等。各题目具体要求如下。1、简易数控直流电源 （一）设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。其原理示意图如下： （二）设计要求 1基本要求 （1）输出电压：范围 09.9V，步进 0.1V，纹波不大于 10mV （2）输出电流： 500mA； （3）输出电压值由数码管显示

7、； （4）由“”、 “”两键分别控制输出电压步进增减； （5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，5V。 ；2发挥部分 （1）输出电压可预置在 09.9V 之间的任意一个值； （2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进 0.1V 不变） ； （3）扩展输出电压种类（比如三角波等） 。 2、直流稳定电源 一、任务 设计并制作交流变换为直流的稳定电源。 二、要求 1基本要求（1）稳压电源 在输入电压 220V、50Hz、电压变化范围15%20%条件下：a输出电压可调范围为+9V+12Vb最大输出电流为 1.5Ac电压调整率0.2%（输入电压 220V 变化范围15%20

8、%下，空载到满载）d负载调整率1%（最低输入电压下，满载）e纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，满载）f效率40%（输出电压 9V、输入电压 220V 下，满载）g具有过流及短路保护功能 （2）稳流电源 在输入电压固定为12V 的条件下：a输出电流：420mA 可调b负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由 200300 变化时，输出电流 为 20mA 时的相对变化率）（3）DC-DC 变换器 在输入电压为+9V+12V 条件下：a输出电压为+100V，输出电流为 10mAb电压调整率1%（输入电压变化范围+9V+12V）c负载调整率1%（输入电压+12V 下，空载到满载）d纹波电压

9、（峰-峰值）100mV （输入电压+9V 下，满载） 2发挥部分（1）扩充功能a排除短路故障后，自动恢复为正常状态b过热保护c防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善 DC-DC 变换器a提高效率（在 100V、100mA 下）b提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流 3. 方案例：简易数控直流电源 （1）采用单片机的简易数控直流电源设计方案 采用单片机作为控制器的简易数控直流数控直流电源设计方案如图 1.3.2 所示。设计方 案中采用 8031 单片机完成整个数控个部分的功能。采用 827

10、9 作为键盘/显示器接口控制器， 不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了 8031 单片机的利 用率。输出部分采用 D/A 0832 及运算放大器 OP07 输出电压波形与 D/A 变换输出波形相同， 不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。 显示部分采用 3 位半的数字电压表(DVM)直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值， 一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。 （2）采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案如图 1.3.4 所示。系统

11、由数字控 制部分、D/A 变换部分及可调稳压部分三部分组成。除了上述的三大部分之外，还包括一 些附加的功能电路，如电压显示、控制、防止误操作、波形发生器电路等。系统中数字控制部分用+/-按键控制产生可增加或减少 BCD 码，BCD 码输入到 D/A 变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压部分，控制输出 电压以手动 0.1V 的电压步进或步减，或自动连续步进（减） ，或直接变化到某一设定的电 压值。6.3.2 信号源题目分析信号源类有“实用信号源的设计和制作（第二届，1995 年） ” 、 “波形发生器（第五届， 2001 年） ”和“电压控制 LC 振荡器（第六届，2

12、003 年） ” 。“实用信号源的设计和制作”要求设计制作一个正弦波和脉冲波信号源，频率范围 20Hz20kHz，低频信号源。涉及到得基础知识与制作能力包含：RC 振荡器，脉冲振荡器， 数字可调点位器，单片机，数字显示与控制等。“波形发生器”要求设计制作一个能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形 状波形的波形发生器，频率范围 100Hz20kHz，低频信号源，涉及到的基础知识与制作能 力包含：单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示与控制，滤波器等。“电压控制 LC 振荡器”要求设计制作一个电压控制 LC 振荡器，频率范围 15MHz35MHz，高频信号源。涉及到的基础知识与制作能力

13、包含：单片机或者可编程逻 辑器件，PLL，LC 振荡器，数字显示与控制，滤波器，高频功率放大器等。各题目具体要求如下。 1、实用信号源的设计和制作 一、任务 在给定15V 电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。 二、要求 1基本要求 （1）正弦波信号源 信号频率：20Hz20kHz 步进调整，步长为 5Hz 频率稳定度：优于 10-4 非线性失真系数3% （2）脉冲波信号源 信号频率：20Hz20kHz 步进调整，步长为 5Hz 上升时间和下降时间：1s 平顶斜降：5% 脉冲占空比：2%98%步进可调，步长为 2% （3）上述两个信号源公共要求 频率可预置。 在负载为 600 时

14、，输出幅度为 3V。 完成 5 位频率的数字显示。 2发挥部分（1）正弦波和脉冲波频率步长改为 1Hz。（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为 100mV3V，步长为 100mV。（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为 1Hz。（4）降低正弦波非线性失真系数。 2、波形发生器 一、任务 设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑 的特定形状波形。示意图如下：二、要求 1基本要求（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其 谐波（5 次以下）线性组合的波形。（3）具

15、有波形存储功能。 4）输出波形的频率范围为 100Hz20kHz（非正弦波频率按 10 次谐波计算） ；重复频率可 调，频率步进间隔100Hz。（5）输出波形幅度范围 05V（峰-峰值） ，可按步进 0.1V（峰-峰值）调整。（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。 2发挥部分（1）输出波形频率范围扩展至 100Hz200kHz。（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于3%（负载电阻 变化范围：100） 。（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。（5）可产生单次或多次（1000 次以下）特定波形（

16、如产生 1 个半周期三角波输出） 。（6）其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展200kHz、扫频输出等功能） 。 (1)基于单片机和 FPGA 的波形发生器 基于单片机和 FPGA 的波形发生器（方案 1）方框图如图 6.3.6 所示。系统以单片机 89C52 位核心。89C52 完成处理键盘数据、生成波形表存储于双口 RAM 中、控制 LED 显示、控 制 DAC0832 进行幅值转换、传送频率控制字 K 值给 FPGA 处理等功能。双口 RAM 的使 用减少了单片机和 FPGA 之间的的通信，从而节省了单片机的资源，也使系统更为可靠。 FPGA 主要用于实现 DDFS 技术中累加器的功能，一方面在很大程度上提高了系统的速度，