毕业设计真空断路器灭弧室真空度在线监测系统的研究.docx

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1、编号:毕业设计说明书题目：真空断路器灭弧室真空度在线监测系统的研究院（系）：机电工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师：职称：题目类型：Ql论研究注验研究工O计工勖术研究软OFF发引言11绪论11.1 我国电力工业的开展11.2 真空断路器简介21.3 真空灭弧室的工作原理31.4真空断路器真空度降低原因分析32真空断路器结构、分类与真空度检测方法42.1 真空断路器类型42.2 真空断路器的结构4真空断路器的根本要求4功能部件5真空断路器的操动机构52.3真空断路器优缺点62.3.1 真空断路器优点6真空断路器缺点62. 4真空断路器真空度检测方法介绍6离线检测7在线检测7

2、3设计思路82.1 设计依据83. 2设计构思94硬件设计94. 1设计流程图94.1 电阻分压、稳压二极管稳压9电阻分压9稳压电路104.2 电压跟随器104.4电压电流转换和电流电压局部114.5信号放大局部124.6信号全波整流局部134.7二阶低通滤波局部154.8硬件设计局部16单片机硬件局部164.8.2AD转换硬件局部20串口通信硬件局部215软件设计266调试267结论27谢辞27参考文献28附录128附录233引言高压断路器在电力系统中具有控制和保护双重功能，是电力系统一次设备中检修、维护工作量最大的设备之一。有关资料说明，开关的维修费用占变电站总维修费用的一半以上，而且大局

3、部用于断路器的小修和定期检修上。真空断路器由于灭弧能力强、电气寿命长、现场维护方便、技术含量高等优点，在电力系统根本建设及无油化改造中，被广泛选用。尤其是在IOkv电压等级，真空断路器已经成为高压断路器的首选型式。然而，在运行中的真空断路器灭弧室，其真空度有可能因为许多原因在不知不觉中下降，按常规，我们只有在定期的预试时才能发现设备存在的缺陷。如果在预试周期内，真空灭弧室内气体压强升至IXIOTPa以上时，将完全有可能因为真空度的下降使断路器在短路故障分闸时动、静触头之间产生放电击穿，使真空灭弧室不能有效灭弧，严重情况下真空断路器将发生爆炸，造成设备损坏事故以及输电线路停电，导致严重的经济损失

4、，国内真空开关事故均是由于此原因引起的。由于灭弧室是以真空条件作为其工作根底的，所以它不象油开关，SF6开关那样容易检查其介质量。有些真空开关在运行过程中其真空灭弧室含有不同程度的泄露，因此如何才能实时在线观测到真空断路器灭弧室的真空度，以防范事故于未然？这已经成为电力系统十分关注的一个问题。美国、日本及前苏联等国早在20世纪五六十年代久开展了电力开关设备在线监测的研究工作，开始由定期检修向状态检修转变。我国自80年代以来，在变电站高压设备在线监测、故障只能诊断方面也进行了大量的研究工作，取得了很多的成果，逐步积累了一些经验，为开展状态检修打下了良好的根底。1绪论1.1 我国电力工业的开展首先

5、介绍一下我国电力工业的建设成就。中国电力工业始于1882年。新中国成立前，电力工业开展缓慢，1949年发电装机容量和发电量仅为185万千瓦和43亿千瓦时,分别居世界第21位和第25位。新中国成立后，电力工业得到快速开展，1978年发电装机容量到达5712万千瓦，发电量到达2566亿千瓦时，分别跃居世界第8位和第7位。1978年改革开放到2000年，我国发电装机和发电量先后超越法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本，居世界第2位。1987年发电装机突破1亿千瓦，1995年超过了2亿千瓦，2000年跨上3亿千瓦台阶。进入新世纪，电力工业进入历史上的高速开展阶段,2004年全国发电装机突破4亿千瓦，

6、2005年超过了5亿千瓦。电力技术水平接近和到达国际先进水平。改革开放之前，我国发电设备只能生产12.5万千瓦和20万千瓦等级及以下的机组，输变电设备只能生产220千伏及以下的装置。随着电力工业的技术装备水平不断提高，我国成批量生产的30万千瓦和60万千瓦机组已成为国内的主力机型。目前,60万千瓦、90万千瓦超临界机组已经投产发电，国产百万千瓦级超超临界机组也即将投产。通过引进国际先进技术，国内合作生产的30万千瓦大型循环流化床锅炉发电设备、9F级联合循环燃气轮机、60万千瓦级压水堆核电站和70万千瓦三峡水轮机组等发电设备在性价比上已经具有了国际竞争力。同时，国内制造厂家生产制造的500千伏交

7、直流输变电设备已成为电网的骨干输电网架。西北750千伏交流输变电示范工程和河南灵宝背靠背成套设备己建成投产。但是，在有些方面我们同国际先进水平相比仍有一定差距，如百万千瓦级核电站的设备制造。1.2 真空断路器简介真空断路器因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器主要包含三大局部：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件。以下是对根本术语和各局部的具体介绍：1.80年代以前，真空断路器处于开展的起步阶段，技术上在不断摸索，还不能制定技术标准，直到1985年后才制定相关的产品标准。目前

8、国内主要依据标准为：JP3855-963.6-40.5kV交流高压真空断路器通用技术条件DL403-911035kV户内高压断路器订货技术条件这里需要说明：IEC标准中并无与我国JB3855相对应的专用标准，只是套用IEC56交流高压断路器。因此，我国真空断路器的标准至少在以下几个方面高于或严于IEC标准：(1)绝缘水平：试验电压IEC中国Imin工频耐压(kV)2842(极间、极对地)48(断口间)1.2/50冲击耐压(孤07575(极间、极对地)84(断口间)(2)电寿命试验结束后真空灭弧室断口的耐压水平：IEC56中无规定。我国JB385596规定为：完成电寿命次数试验后的真空断路器，其

9、断口间绝缘能力应不低于初始绝缘水平的80%,即工频Imin33.6kV和冲击60kVo(3)触头合闸弹跳时间：IEC无规定，而我国规定要求不大于2ms。(4)温升试验的试验电流：IEC标准中，试验电流就等于产品的额定电流。我国DL403-91中规定试验电流为产品额定电流的110%。2.真空断路器的主要技术参数(D.开距(2) .触头接触压力(3) .接触行程(或称压缩行程)(4) .平均合闸速度(5) .平均分闸速度(6) .合闸弹跳时间(7) .合、分闸不同期性(8) .合、分闸时间(9) .回路电阻口51.3 真空灭弧室的工作原理真空断路器的灭弧室每一只为一不可拆卸的整体，动、静能为分别焊

10、在动、静导电杆上。静导电杆焊在上法兰盘上，动导电杆上焊一波纹管在导向套内运动。波纹管及导向套焊在下法兰盘上，由瓷柱支撑的金属圆筒屏蔽罩在动静触头外面，再与玻璃外壳形成一密封的腔体。该腔体经过抽真空，真空度一般在IOFPa以上。当合、分闸操作时,动导电杆上下运动，波纹管被压缩或拉伸，使真空灭弧室内的真空度得到保持。在真空中由于气体分子的平均自由行程很大，气体不容易产生游离，真空的绝缘强度比大气的绝缘强度要高得多。真空断路器中的触头断开过程中，依靠触头产生的金属蒸气使触头间产生电弧。当电流接近零值时，电弧熄灭。一般情况下，电弧熄灭后，弧隙中残存的带电质点继续向外扩散，在电流过零值后很短时间内弧隙便

11、没有多少金属蒸气，立刻恢复到原有的“真空”状态，使触头之间的介质击穿电压迅速恢复，到达触头间介质击穿电压大于触头间恢复电压条件，使电弧彻底熄灭，触头间的介质强度又迅速恢复起来。1.4 真空断路器真空度降低原因分析真空灭弧室漏气的原因分析：1.触头行程的影响国产各种型号的IOkv真空断路器灭弧室的触头超行程是在4mm左右，开距IlnInl左右应严格测量控制。真空断路器在安装或检修时，严格按照产品安装说明书中触头行程要求准确测量，调整拉杆，防止行程超越。2.跳的影响真空断路器的触头多为对接式结构，在分合闸操作中可能产生不同程度的反弹现象，不管分闸反弹还是合闸反弹都会给运行带来危害：波纹管经受强迫振

12、动可能产生裂纹，使灭弧室漏气；分合闸时的冲击速度及冲击力较大，发生弹跳，可能产生触头和导电杆的变形，甚至产生裂纹；切合电容器组的真空断路器如果发生合闸弹跳，还会导致电容器的损坏。3.分合闸速度的影响断路器在投运前应测量分合闸速度,可以及时发现产品质量和调试上的一些问题，防止分合闸速度过大，对灭弧室产生严重震动和撞击。4.缓冲器的影响应仔细检查缓冲器行程，不应有变形损伤现象或压缩超量，须留缓冲裕度。5.操作机构容量的影响不同型号容量的开关，须配置不同容量的操作机构，在安装或改造时，应按制造厂家的要求配置，如果容量偏大，将对灭弧室产生严重撞击，造成真空灭弧室波纹管损坏。运行和检修中应注意的事项：真

13、空灭弧室管内的真空度通常是在IOYlO-6Pa,随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数增多，以及受外界因素的影响，其真空度逐步下降，下降到一定程度，将会影响它的开断能力和耐压水平。因此，真空断路器在使用过程中必须定期检查灭弧室管内的真空度。1.运行检查对玻璃外壳真空灭弧室，巡视检查时可以定期目测。正常时内部的屏蔽罩等部件外表颜色应很明亮，在开断电流时发出浅蓝色弧光；当真空度下降很严重时，内部颜色就会变得灰暗，开断电流时将发出暗红色弧光。2.试验检查工频耐压试验：定期(13年左右)进行一次工频耐压试验(42kVmin)o当动静触头满足额定开距条件时，如果耐压很低，达不到规定耐压标准,就说明真空灭

14、弧室真空度已严重下降，不能继续使用。真空度测试仪检查：用真空度测试仪定期测量灭弧室真空度，真空度下降超过规定数值，可再做一次真空的耐压试验,进行再次确认其完好性。3.技术数据的检查虽然真空断路器不进行周期大修，但检查维护必须开展，对断路器的各项技术进行定期实际测量，以判断其传动系统的状况。4.断路器的特性试验定期对断路器的特性进行试验，以检查行程、弹跳、速度等关键数据的变化，及时调整，消除隐患gm。2真空断路器结构、分类与真空度检测方法2.1 真空断路器类型真空断路器的类型，可从不同角度来划分，一般情况下主要从以下两个方面划分：1.1 按使用场所划分一可分为户内式和户外式，分别用ZN和ZW来表

15、示。1.2 按断路器主体与操动机构的相关位置划分一可分为整体式和分体式。整体式真空断路器操动机构与开关本体安装在同一骨架上，体积小、重量轻、安装调整方便、机械性能稳定。分体式真空断路器操动机构与开关本体分别装于开关柜的不同位置上，断路器的各项机械特性参数必须安装在开关柜上调整试验才有实际意义，这种安装方式主要受我国少油断路器的安装方式的社响，比拟适合于少油开关柜的无油化改造，优点是巡视和检修方便，缺点是安装调整稍麻烦，机械特性的稳定性和可靠性稍逊3。1.3 真空断路器的结构真空断路器的根本要求(1)机械性能稳定，例如合闸弹跳时间，希望在寿命全程中保持同一状态，不要初期无弹跳，后期那么弹跳。(2

16、)足够的机械强度，使断路器本身具有足够的动稳定度。(3)高压区和低压区的分隔，最好是前后布置，有助于保证运行中人员的人身平安。(4)操动机构的检查、调整、维修要有足够空间。方便。(5)配用机构的可选择性，有的型号可配CD和CT两种机构，有的只能配用一种。(6)结构简单、工作可靠、价格低廉。(7)易于实现防误联锁。所有真空断路器，不管是何种结构，断路器本体中均装设有分闸拉力弹簧。合闸过程中操动机构既要提供驱动开关运动的功，又要同时将分闸弹簧贮能。当需要分闸时，操动机构只需完成脱扣解锁任务，由分闸弹簧释能完成分闸运动I。功能部件真空断路器按其结构的功能可分为六个局部：（I）支架：安装各功能组件的架

17、体。（2）真空灭弧室：实现电路的关合与开断功能的熄弧元件。（3）导电回路：与灭弧室的动端及静端连接构成电流通道。（4）传动机构：把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室的合、分闸操作。（5）绝缘支撑：绝缘支持件将各功能元件，架接起来满足断路器的绝缘要求。（6）操动机构：断路器合、分间的动力驱动装置真空断路器的揉动机构操动机构是真空断路器的驱动装置，主要有电磁操动机构与弹簧操动机构。（1）真空断路器对操动机构的要求：1）机构的输出特性尽量与真空断路器的反力特性相匹配。2）要有足够的合闸输出功；保证真空断路器具有关合短路故障电流的能力。3）合闸后，即使在事故状态下也能稳定地保持合闸（即令开关具有动

18、稳定性）。4）要保证在85%110%合；同操作电压下能正常合闸；在65%120%分闸电压下能正常分闸，而在30%额定操作电压下不得分闸。5）可以电动或手动操作。6）电磁机构应具有自由脱扣的功能。（2）真空断路器的电磁操动机构由于电磁操动机构螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求，所以在真空断路器的开展初期主要是配用电磁操动机构。此外电磁机构具有构造简单、使用简便、造价低廉等优点，是目前配电系统各类断路器的主要配用机构，运行部门不但十分熟悉而且积累了很多使用维护的珍贵经验。常用的电磁操动机构有CD10、CD17CD19型等。CDlO型电磁操动机构原是配用SNlOTO型少油断路器

19、的操动机构，为族传式输出。真空断路器开展初期因无专用操动机构而被采用。现仍有配CDlO型操动机构的真空断路器在生产。目前少油开关拒的无油化改造，也可采用CDlO型操动机构。CD17电磁机构是专门为真空断路器设计的操动机构，为直推式输出。它有CD17I、CD17-IKCD17一山型，分别配用分断能力为20、31.5、40k真空断路器。其体积、重量都比CDlO型机构小得多，合。分闸操作电流也仅是CDlO型机构的2/3,安装占用空间小。（3）真空断路器的弹簧操动机构弹簧操动机构可交、直流操作，操作电流很小，一般仅为1.53A,即便采用直流操作时所需的直流蓄电装置容量也小。它可手动储能合闸、分闸，并且

20、具有过流脱扣功能。在一般的终端配电室可以取消直流蓄电装置而节省投资。国外一般中压等级的断路器大多配用弹簧操动机构。国内初期真空断路器的弹簧操动机构常用CT7、CT8,由于这些产品投入运行以来，故障较多，维修不便，体积较大，因而不够理想。对于使用于频繁操作的真空断路器来说，不但要求弹簧操动机构寿命高，而且工作要十分可靠。我国目前多采用两种新型的弹簧机构，一种是CT17型，另一种是CT19型。前者为直推式输出，后者为转动式输出。这二种产品都小巧玲珑，体积。重量比电磁机构都小得多，如CTl7机构的重量仅为CD17型机构的2/3。从多家工厂进行产品型式试验看来，产品在安装时几乎不用调整，运行可靠，机械

21、寿命长，特别是CT19,在屡次研究性试验中都到达23万次，被认为是具有90年代先进水平的产品，是真空断路器的理想配用操动机构。弹簧机构的结构比拟复杂，零件的加工精度河装配要求高,所以价格较贵，增加了真空断路器的本钱与售价。但对整个配电站来说，可以节省直流蓄电装置的投资，且对电压稳定性要求不高，提高了运行的平安性，减少了维护工作量1819O1.4 真空断路器优缺点其空断路器优点UJ在密封的容器中灭弧，电弧和炽热气体不外露；(2)触头间隙很少,仅几毫米至40毫米。我厂运用中的ZN28型是111毫；(3)燃弧时间短，电弧电压低，电弧能量小,触头磨耗少,允许的开断次数多。我厂现在运用的SNloln型小

22、油断路器,机械寿命是3000次,ZN28型真空断路器机械寿命是10,000次；(4)动导电杆的惯性小,适宜频繁操作；(5)操作机构小及结构简单,整体体积小,重量轻；(6)控制功率校ZN28型真空断路器配CD17型机构直流电压220V合闸55A、分闸1.5A；SNloln型1250A少油断路器配CDlOII型机构、直流电压220V,合闸147A,分闸2.5A；(7)操作时噪声小；(8)由于无油，故无火灾和爆炸燃火的危险；(9)触头局部为完全密封结构,不容易因潮气、灰尘、有害气体等影响而降低它的性能,工作可靠性提高，开断与并合性能稳定且触头磨耗小,使用期较长，2纥真空断路器缺点(1)容易产生操作过

23、电压,在开断感性电流时,会出现电流截断现象造成较高的过电压,因此要加装过电压吸收装置,这样设备量增加,维护量增加，费用也上升；(2)运行中不易监测真空度；(3)国内产品体系不多；(4)配用的合成绝缘子在火电厂运行易积灰尘,因此,要求厂用电室的环境要相对干净的1.5 真空断路器真空度检测方法介绍真空断路器真空度检测的方法有很多，不同方法适合的场合也不尽相同。归总来说可以分为两大类：离线检测和在线检测。比方离线检测主要有工频耐压法、磁控放电法、吸气剂膜法、德斯拉线圈法等；在线检测主要有耦合电容法和电光变换法叫离线检测离线检测的方法很多，而且开展也比拟成熟。只是离线检测需要把断路器拆卸下来,工作繁重

24、。(1)工频耐压法工频耐压试验是指对22OkV及以下电气设备也用它来检验绝缘耐受操作过电压，暂时过电压的能力。试验时，按规定将被试品接入试验回路，逐步升高电压至标准规定的额定工频耐受电压值，保持1min,然后迅速、均匀地降压到零。在规定的时间内，被试品绝缘未发生击穿或外表闪络，那么认为通过了该项试验。工频交流耐压试验所施电压高出电气设备额定工作电压，通过这一试验可以发现很多绝缘缺陷，尤其对局部缺陷更为有效，其缺点是可能在耐压试验时给绝缘带来一定损伤，所以应在绝缘电阻、介质损耗因数等工程试验合格后，才可进行工频交流耐压试验。2(2)脉冲磁控放电法脉冲磁控放电法的根本原理是:真空灭弧室的触头处于额

25、定开距状态时，在两触头间施加一直流高压，使两触头的间距空间处于强电场中，同时在两触头间施加一轴向强磁场，灭弧室内的电子在强电场与强磁场的共同作用下，将从触头的一端以螺旋轨迹向触头另一端运动，并与灭弧室内剩余气体分子碰撞，产生电离，电离出的离子在强电场的作用下形成离子电流。理论与试验证明，该离子电流与灭弧室内剩余气体分子浓度根本成正比关系，因此，通过对该离子电流的测量，便可推算出灭弧室内的真空度。强轴向磁场的产生有两种方法：一种是通过围绕灭弧室真空泡周围的螺旋绕组充电获得，另一种是通过对带有铁心的11型励磁绕组充电获得。这两种励磁绕组的优点是不用将真空灭弧室拆下，而只需将励磁绕组置于真空泡外外表

26、便可产生所需的轴向磁场。离子电流的电场是由通过软件控制的脉冲电压产生的，磁场励磁电流是与电场电压同步的脉冲电流，电场与磁场的同步性大大提高了测量的精确度。使用此方法测量真空度时，必须在灭弧室外加一个能够产生纵向磁场的笨重线圈，因此限制了这种方法的使用范围；随后出线的不拆卸真空灭弧室测量真空度的磁控放电法，解决了测量真空度时必须将真空灭弧室从真空开关拆卸下来的问题。在线检测在线检测要在不改动开关主体结构及运行状态的前提下，随时监测其真空度的变化。目前，国内外还无法实现真空度的直接测量，用于真空度在线检测的两种间接方法是耦合电容法和电光变换法。(1)耦合电容法耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来

27、的。设被测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩间的耐压强度由于真空度降低而下降，那么当工频电压从零点升至某一值时，带电触头和屏蔽罩之间的等值电容发生放电，该局部放电信号可通过位于屏蔽罩与接地箱壳之间的两个局部放电探头进行在线监测。这种方法的灵敏度还有待于验证。(2)电光变换法图1电光变换接线图一般真空灭弧室的屏蔽罩，金属局部完全密封在灭弧室中，其电位的变化无法直接测试。但屏蔽罩电位的变化会引起屏蔽罩附近电场的变化，故通过放置于屏蔽罩附近的POCkeIS电场探头可以测知屏蔽罩电位的变化，亦即可以进行真空度的在线测试。屏蔽罩电场是指灭弧室绝缘壳外屏蔽罩部位与接地机架之间形成的电场，当真空开关结构一定时

28、.，仅与系统电压有关。文曾讨论电光法测试真空度的原理，其试验研究的测试系统选用BSO晶体制作PoCkeIS电场探头，晶体厚度为3.5m11b中心波长选为86Onnb试验的原理接线如图1所示。3设计思路3.1 设计依据在线检测的关键是综合考虑各种监测方法现场实施的难易程度和本钱，既要保证监测系统本身不过于繁杂。针对以上状况，结合电气设备的现代检修体制由方案性检修向状态检修转变的实际情况，设计出一种性能可靠、使用价廉的在线检测装置是实现真空开关状态检修必须解决的前提条件。耦合电容法是根据动态电荷分布和电容分压原理提出的。当灭弧室内真空度正常时，仅需要较低的电压(几百伏)就可以维持带电触头与中间屏蔽

29、罩之间由场致发射引起的电子电流。在屏蔽罩上积累的负电荷使其负电位几乎可以到达电极电压的峰值。当真空度劣化时，灭弧室内的气体密度变大，场致发射的电子被气体分钟吸附后成为负离子。由于负离子质量大，漂移速度慢，使得上述电子电流减小，屏蔽罩电位绝对值降低。上述过程引起电容C2、C3上电荷的重新分布，通过检测先好输出端UO的变化即可跟踪屏蔽罩电位UC的变化过程，从而实现真空度的在线检测。图2所示为耦合电容法的原理和等效电路。图2耦合电容的原理和等效电路使用此方法进行真空度在线监测时，首先离线试验标定出不容型号的真空断路器灭弧室屏蔽罩电位和真空度的关系。本文表达的在线监测装置存储了ZNI2-10和ZN28

30、T2系列的真空断路器的屏蔽罩电位与真空度的多组对应关系曲线，可根据被检测断路器型号预先设定，大大增强了该装置使用的灵活性和应用范围。图3为自制的耦合电容传感器离线标定的一组ZN12T0系列真空断路器的真空灭弧室屏蔽罩电位与真空度的关系曲线。由于真空度变化是个相对量，所以传感器的输出整定到适合A/D采样的范围即可。图3真空灭弧室屏蔽罩电位与真空度的关系曲线3.2 设计构思因为真空灭弧室内真空度的下降是一个缓变的过程，程序处理上采取在断路器正常运行时，处理器开始处理耦合电容传感器的输出数据，计算采样值，查表记录真空度数值。耦合电容拾取真空灭弧室中间屏蔽罩上的原始电位信号，经过一定的技术处理、整流、

31、滤波、V/I、I/V变换后传送到单片机处理。对于真空度的在线检测而言，电容传感器是该系统设计的难点和重点。耦合电容传感器输出的电流信号转换成电压信号，经过适当的信号调理进入A/D转换器。只需要计算该电压信号的有效值，通过事先标定的真空度与电容传感器输出的关系曲线便可判断灭弧室的真空状况，从而大大简化了系统的硬件和软件的设计。由于真空断路器和电容传感器价格较贵，而且我们的条件有限，所以前面的断路器和电容传感器局部就不做了，只考虑传出来的电压信号的调理和单片机处理的设计。4硬件设计4.1 设计流程图图4设计流程图4.2 电阻分压、稳压二极管稳压耦合电容传感器传出来的电压信号大概是100V左右，频率

32、很高。所以我们要经过一些的信号处理使其能适合后面的芯片采样。电阻分压电阻串联电路时一个分压电路，它有如下的根本特点：（1）各个电阻或者各处的电流都相等；（2）总电压等于各电阻的分电压之和；（3）总电阻等于所以各个分电阻之和。在串联电路中还有两个公司经常用到，即两个电阻串联时的分压公式：它们都是欧姆定律的变形“U=IR”表述的“电阻的电压和电阻成比例”的表现。设总电流为I,根据欧姆定律得0将上式代入“U=IR”中即可得到上面的分压公式。本次设计中，设计的分压电路图如图5所示图5分压、稳压电路图其中Jl为信号输入端，R2和RVl组成串联分压电路，R2选10K,RVl选用O-IOK,由上面分压计算公

33、式可以算出这个分压电路输出的电压是0-50V可调。而我们需要的是5V的电压信号，这时我们可以预先调节好RVl的阻值用万用表测量使其输出为5V以使其能被ADCO809芯片采样。稳压电路稳压二极管（又叫齐纳二极管）是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压那么保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图6,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压.图6稳压二极管的伏安特性我们本次设计选用稳压二极管的型号为

34、1N4733,稳压电压范围5.IV,当输入电压增大时，它的电压可以稳定在5V。4.3 电压跟随器电压跟随器是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同，即输入电压与输出电压同相。这一电路的主要特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1,所以叫做电压跟随器。如图4T2所示。电压跟随器是同相放大电路的特殊情况，输入信号是从集成运放的同相端引入，反应电阻为零，负反应极强，运放工作非常稳定，输入阻抗很大。输出电阻却很小，因而这种电路具有阻抗变换作用。所谓阻抗变换作用是指经电压跟随器放大后，其输出电压近似等于信号源的电动势而其输出电阻却很小。该电路常用作

35、输入级、中间缓冲级和输出级。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。根本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源,即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受

36、后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。图7电压跟随器电路图4.4 电压电流转换和电流电压局部(1)电压电流转换在工业控制和许多传感器的应用曳路中，摸拟信号输出时，一般是以电压输出。在以电压方式长距离传输模拟信号时，信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减，信号接收端的输入电阻越低，电压衰减越大。为了防止信号在传输过程中的衰减，只有增加信号接收端的输入电阻，但信号接收端输入电阻的增加，使传输线路抗干扰性能降低，易受外界干扰，信号传输不稳定，这样在长距离传输模拟信号时，不能用电压输出方式，而把电压输出转换成电流输出。另外许多常规工业仪表中，以电流方式配接也要求输出

37、端将电压输出转换成电流输出。V/I转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号，有利于信号长距离传输。V/I转换器可由晶体管等多种器件组成。如左以下图8所示为实现电压-电流转换的根本原理电路。由于电路引入负反应，uN=uP=O,负载电流iL与Ul成线性关系。如右上图所示为实用的电压-电流转换电路。如以下图8所示为实现电压-电流转换的根本原理电路。由于电路引入负反应，Us=Up=O,负载电流证与3成线性关系。由于负载没有接地点，因而不适用于某些应用场合。图8电压电流转换根本原理电路式(4-2)说明，负载电流L仅由输入电压决定，而与负载人的大小无关。当输入电压不变时，负载电阻在一定的范围变化，输出电

38、流将保持不变，此电路就成为恒流源。本次设计的电压电流转换电路如图9所示：图9电压电流转换电路因为此次设计需要用到比拟多的运算放大器，LM324是通用四运放放大器，价格也不高，一块芯片四个放大器，大大的减少了制作本钱和布线的难度。(3)电流电压转换这个电路是运算放大器的一个典型接法呀!运算放大器同相端接地，电流信号输入到反向端,反向端与输出端接一个反应电阻，由于运算放大器反向端此时是虚地输出电压U=T*R0如图10所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻RlO,因而iF=is,故输出电压RJ匕Ri大得愈多，转换精度愈高。图10电流电压转换电路本次设计的电路如以下图11：图11电流电压

39、转换电路VIIV转换局部在proteus仿真软件上仿真的电路如图12所示图12VnV仿真电路图在仿真电路的输入和输出接入示波器，波形如图13所示：图13VIlV局部波形图上面的为输入波形，下面为输入波形，两波形根本一致，只是顶端和低端有点削减。削减的原因可能是LM324运放的精度不够高导致的，不过不影响有效值，用交流电压表测得的有效值是一致的。岫4.5信号放大局部放大电路我们使用的还是一个运算放大器，也是放大电路的一个经典接法。集成运算放大器按照输入方式可以分为同相、反相、差分三种接法，按照输入电压与输出电压的运算关系可以分为比例、加法、减法、积分、微分等，输入方式和运算关系组合起来,可以构成

40、各种运算放大器。我们这次设计的是一个反相比例放大电路，所以下面我们只介绍反相比例电路。反相比例放大电路的特点由运算放大器组成的反相比例放大电路如图14所示：图14反相比例放大器根据集成运算放大器的根本原理，反相比例放大电路的闭环特性为：闭环电压增益：输入电阻RLR（）Rof=-0输出电阻“火（）BWf=BWoA110环路带宽、（4.5.4）其中：BWO为运放的开环带宽。最正确反应电阻/2KJ2）上式中：Rid为运放的差模输入电阻，Ro为运放的输出电阻。平衡电阻RP=RRf（）从以上公式可以看出，由运算放大器组成的反相输入比例放大电路具有以下特性：（1）在深度负反应的情况下工作时，电路的放大倍数

41、仅由外接电阻Rl和Rf的值决定。（2）由于同相端接地，故反相端的电位为“虚地”，因此，对前级信号源来说，其负载不是运放本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R1。由于Rif=Rl,因此反相比例放大电路只适用于信号源对负载电阻要求不高的场合（小于50OkQ）（3）在深度负反应的情况下，运放的输出电阻很小。本次设计的电路接线图15如下图15信号放大电路图由上面的计算公式可以算出增益为1,而平衡电阻为5K取标准电阻4K7。在仿真软件PrOteUS上仿真的电路图为图16所示：图16放大电路仿真电路图在输入和输出端接入示波器观察波形如图17所示：图17信号放大局部波形图上面的为输入波形，下面为输入波形，

42、两波形根本一致，因为是反向比例放大所以输入和输出波形是刚好相反的。顶端和低端有点削减，削减的原因可能是LM324运放的精度不够高导致的，不过不影响有效值，用交流电压表测得的有效值是一致的。ln4.6信号全波整流局部全波整流电路一种对交流整流的电路。在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件（比方晶体二极管），而在另一外一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。因此在整流器中广泛地应用着全波整流。在应用全波整流

43、器时其电源变压器必须有中心抽头。无论正半周或负半周，通过负载电阻R的电流方向总是相同的。全波整流使交流电的两半周期都得到了利用。其各项整流因数那么与半波整流时不同。本次设计采用的是通常用的一个经典的精密全波整流电路，在精密全波整流的根底上并联上一个滤波电容就成了全波整流有效值电路是在绝对值电路的根底上再加低通滤波电路构成，其核心的运算放大器如以下图18所示：图18全波整流有效值电路运算放大器IC1、IC2,二极管D6、D7和电阻/?刈、“构成半波整流电路。当输入信号Uin0时，ICl输出为R负，D7导通、D6截止,Uo-山，波形如以下图19所示。ROol图19半波整流波形上面为UIN输入波形，

44、下面为UO输出波形只要运算放大器ICl的输出电压在数值上大于整流二极管D6、D7的正向导通电压Ud,那么当UinWO时D6、D7中总有一个处于导通状态，另一个处于截止状态，实现正常整流。假设运算放大器的开环增益为KD(G),那么其整流的最小输入电压峰值为UDlKD(哈,即使二极管正向导通电压在整流中的影响削弱了KM倍，因此整流特性大大改善。在未接入Cf时，运算放大器IC2和电阻RoO2、RJI、02构成反向加法器，、OO为保证正负半波放大倍数一致，要求，BPRfRfl=2RooyoKU=I时绝对值电路，调整RC的阻值，可改变电路的增益。通常选RF=RW，R八二2RW,Uout的波形如图4-17

45、所示。假设输入信号为正弦波电压Uin=UimSinWt,在Rn上并入一电容Cf,构成低通滤波J4器，只要适中选取Cf的值，是低通滤波器的截止角频率WO满足那么可认为全波整流电压Uout中的全波交流纹波均被A2抑制掉，只有Uout中的直流分量OoUt方能通过，即()调节勺.，的阻值，使J40即可保证输出电压。Ut为输入正弦波Uirl的有效值。总之，输出电压与输入电压的有效值成正比。综合实验研究与仿真计算，通过以上公式换算。工频环二50收,取先(“二10元那么%=10k;取ROo2=10k,那么=20k;推出Rr2=22k,Cf14nf,MZCf=Iufo根据上面的结论，本次设计的电路仿真图如下：

46、图20全波整流有效值仿真电路其仿真结果如下所示：图21未接入Cl时Uin和Uout波形图波形图中上面的波形为输入波形，下面为全波整流输出波形。当接入滤波电容Cl后，波形图如下图22接入Cl后，UoUt波形图通过实验仿真，采样的信号通过全波整流有效值电路之后，转换为带有些许纹波的有效值输出。倘假设将其输出电压信号再经一级低通滤波后，可以得到更为满意的直流电压信号。口以4.7二阶低通滤波局部使通过全波整流有效值电路的输出电压信号再经一级低通滤波，可以得到更为满意的直流电压信号。低通滤波器可以采用电压控制电压源(VCVS)型二阶低通滤波器电路实现。电压控制电压源(VCVS)电路，其中运放为同相输入，

47、输入阻抗很高，输出阻抗很低,滤波器相当于一个电压源，故称电压控制电压源电路。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。电压控制电压源(VCVS)型二阶低通滤波器电路如图4-19所示。低通滤波的传递函数为Av电压增益；纭一一低通滤波器截止角频率；Q品质因数，BW带通、带阻滤波器的带宽；图23二阶低通滤波电路图21所示的电路的传输函数的表达式为：0那么低通滤波器相应的其他性能参数为：000在设计滤波器时，通常给定的性能指标有截止频率人或截止角频率已，带内增益A,以及滤波器的品质因数Q。对于二阶低通(或高通)滤波器，通常取Q=0.707。对低通滤波电路局部的设计如图24所示。图24二阶低通滤波仿真电路图通过参考书籍和计算得到R20=l.5K,R21=5.5K,R25=1M,R24=100,C2=670nf,C3=210nf;对其取标准值为C2=470nf,C3=220nfo将上图22在multisim里对全波整流有效值电路的输出信号进行滤波得到的波形如以下图23所示。图25经过二阶低通滤波后波形图图上最上面的为输入信号波形，中间为低通滤波输出信号，最下面的就是二阶低通滤波输出信号波形，二阶低通滤波后得到的是根本上没有纹