电子线路课程设计---电流变送器

大连海事大学

电子线路课程设计

题目：电流变送器设计

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一.内容摘要

设某种测温电阻在温度从0℃~1000℃变化时，电阻值从0Ω变化到1kΩ，在试验中因无法提供测温电阻，故用一个1~1kΩ的滑动变阻器代替，并设计一个测量电路，将电阻的变化通过运算放大器将其转化为4~20mA的电流并将其变化并输给负载电阻。由于实验室只提供LM324N，则实验电路及仿真电路使用的为运放LM324N。LM324芯片的技术资料和使用方式均来自中文资料相关手册。

二.设计任务与技术指标

1.设计要求：

①熟悉电路的工作原理。

②运放器件指定为LM324，要求通过查阅手册获得器件参数。

③负载电阻要求一段接地。电流的变化与电阻的变化成正比。

④根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

⑤画出电路原理图。

⑥计算机仿真。

2.技术指标：

①电阻变化量：0.0Ω~1.0kΩ

②电流输出：4.0~20mA

③负载阻抗：≤200Ω

④电源电压：DC +(-)12V范围内任选

三.电路原理及设计方案选择

1.设计方案选择

温度电流变送器及将温感元件因温度变化而产生的微弱的电流信号变换

为工业控制系统中通用的标准电流4~20mA信号。而在此次的实验设计中，将使用0~1kΩ的滑动变阻器来代替实验所用的温感电阻。原理图如图1-1.

通过查询资料，得到了两个可以得到电压转换为电流的方案，其一为上图，及R6，R7成固定的等比例，即可使输出端的电流正比于输出电压，而方案二为使用了两个晶体三极管来实现的。为了使实验设计简单明了并方便实物连线操作，在此本人选择了第一套方案，及如图所示。

2.电路原理

第一个运算放大器U1A将温度电阻(滑动变阻器)Rt1阻值的变化转化为电压的变化，且由LM324的技术资料中得知，使其Vo1的电压值为1~5V最佳。若将输入电压定位-1V，通过公式

Vo1=Vi*(1+Rt/R1) (1)

则可以求得R1的阻值为250Ω。第二个运算放大器U1B，则是将U1A得到的输出电压Vo1转换为负载输出电流的变化，及构成了一个V-I转换器。而要使U1B具有电压控制电流的目的电路中各个电阻应当满足的关系为R2/R4=(R6+R7)/R5 (2)

至此，U1A在满足上述条件的情况下，输出电压Vo1与负载处的输出电流Io2成正比，切通过计算简化可以得到

Io2=-(R2*Vo1/R7*R4) (3)

由此得到了由运放U1A和U1B组合实现的电阻与电流的相互转换关系，从而完成了电流变送器的设计实验要求。

由(1)式和(3)式可以导出电阻Rf1与输出电流Io2之间的关系

Io2=-(R2*Vi*(1+Rf1/R1)/R7*R4) (4)

及

Io2=-(R2*Vi/R7*R4)-(R2*Vi/(R1*R7)*R4)*Rf1 (5)

可见，Io2和Rf1成线性相关关系，若Vi输入为负，则为正相关。

又由图1-1可得

Vi1=-1V R1=250ΩR4=R2=10kΩ

R5=500ΩR6=R7=250Ω

综上所述，可得Io2和Rf1的实际线性关系为：

Io2=4*(1+Rf1/250) mA (6)

3.元器件选择

LM324芯片*1

100Ω电阻*8

200Ω电阻*6

520Ω电阻*2

10kΩ电阻*2

200kΩ电阻*1

四.仿真

将上述原理图运用multisim进行电路仿真，经验证后发现输入电阻处可用更为简单的接线方法，且可用较大电阻使整个电路结构更为稳定，其实际效果图如图1-2所示。

由于实际测量中负载两端的电压易测，故采用测量负载两端电压的办法进行实际测量。在仿真中，右上方的XMM1为万用表，可以直接测量负载电阻处的输出电流，但实际上实物操作中要求使用万用表测量负载电阻的两端电压，可以通过欧姆定律

Io2=Vo2/R3 (7) Io2：输出电流

Vo2：输出电压

R3：负载电阻

可以求得所需要的输出电流Io2。

注：在仿真中，要注意在运行时不能有操作，但可以观察各点的实际电压电流值，以便更好地对电路进行调整及修正，使其功能更为完善。测试结果见表1-1，表1-2。

五.实物连接及调试

1.实物连接及调试

实物连接如图1-3所示，由于电路中运用了正负12V直流电压及-1V电压，故是用了两个电源，其中一个为LM324N提供直流稳压电源，另一个作为输入电压来使用。

实物连接中将接地端都统一在了一片区域以便更好地检查电路。

在实验过程中，发现了实际结果与仿真电路出入较大，后经校验发现，R1使用了错误阻值的电阻，使得测得的最终负载电阻处的电压过大，后经调试，最终得到了比较符合设计要求的电流变化值，但由于实物连接与计算机仿真不同，首先，在实物连接中，导线并不像仿真中的那样是理想状态，拥有一定的电阻值，使得最终结果出现了差错；其次，由于实验室所配备的电阻种类较少，所需要的部分电阻如250Ω需要进行拼凑，此次设计中采用的为两个100Ω电阻并联后再与一个200Ω的电阻串联。

在调试过程中，试验结果一直与理论值有较大出入，后经发现为面包板有一段点并未串在一起，使得本应并联的电路变成了串联，后对此处进行了

标记。

调试后的最终实验结果如表1-1及表1-2所示。

2.实验仿真结果及数据处理

表1-1R3=100Ω时的实验及仿真结果

表1-2R3=200Ω时的实验及仿真结果

六.实验总结

本次实验中，更加清楚的认识了LM324的功能参数及使用方式，有了更为深入的了解。同时更为直观的了解了运算放大器的各种使用原理，学会了仅通过电阻的比值比例来使运算放大器达到电压控制电流的方式而不使用晶体三极管。熟练掌握了芯片管脚的接法。通过调试环节明确了各个电阻在实际电路中的作用，并通过不断对电路的改进，增强了自己的动手能力。

实验过程中出现过两次较大失误，其一为接地端选错了相连点，其二为芯片端口一处忘记接导线，但最终没有影响实验结果。

误差分析：部分电阻值与仿真中有差距，导线所带电阻不可忽略，电源开启时间略长后会有热效应影响实验结果。

·参考文献

傅丰林·《低频电子线路（第二版）》·高等教育出版社，2008年1月

蒋立平·《数字逻辑电路与系统设计（第二版）》·电子工业出版社，2013年1月杨欣莱·诺克斯王玉凤刘湘黔·《电子设计从零开始（第二版）》·清华大学出版社，2010年10月