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2018电赛电流信号检测装置A题设计思路及文档

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FPGA爱好者 发表于 2019-6-13 02:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
参加电赛的小伙伴注意啦,2018TI杯大学生电子设计竞赛A题题目及报告来啦

如图1所示,由任意波信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后,通过导线连接10Ω电阻负载,形成一电流环路;设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置,检测环路电流信号的幅度及频率,并将信号的参数显示出来。
图1 信号检测图
二、测试电流方案:
任意波信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后,通过导线连接10Ω电阻负载,形成一电流环路,然后将导线经过一个通过用漆包线在锰芯磁环上绕制的线圈,线圈的两端接上一个8.2Ω的电阻,把电流转化为电压,然后经过一个差分放大器,把小电压转化为大电压便于测量。最后可以得到输出电压和环路电流的线性关系,当测得输出电压过后就可以计算出环路电流了,即测得了环路电流值。
三、线圈绕制及测试结果:
(1)线圈绕制:
用漆包线在锰芯磁环上绕制线圈,缠绕前需要制作一个梭子帮助绕制导线,缠绕过程中需要待上线织手套防止手汗影响线圈性能,缠绕大概100圈左右,注意线圈需要缠紧,最后线圈缠绕过后用胶布缠绕上,用砂纸打磨线圈的两端。
(2)N2线圈匝数测量
把函数发生器与功率放大器,10Ω电阻相连接,同时导线要绕过线圈,线圈的两端接上一个电阻。先改变函数发生器两端的电压,然后观察电阻两端的电压的变化,最后根据
其中=1,=10Ω。
a.当=8.2Ω时,测量数据如下:


0.png

运用公式计算得到的的值为: 32.4186   77.5676   97.2881  102.0000  108.3019
105.0625  107.2308  105.6889  108.5294  107.8947  107.3810  109.9275  109.3333  106.8485  110.1143  110.8108  113.5385  111.2857  109.3333
做出的图像如下:
图2 8.2Ω所接线圈比值
由图2和数据可以得到在10Ω的电阻的两端的电压较小的时候,测得的数据误差较大,可以去掉前面三个误差比较大的数据,得到的数据求平均值,得到的线圈的匝数为108.3301,可得匝数约为108匝。
=6.8v时,改变频率,测量数据如下:
W(Hz)
900
850
800
750
700
600
500
400
250
(mv)
50.4
50.4
50.4
50.4
50.4
50.4
50.4
50.4
48.0
200
150
100
50
10
44.8
40.8
33.6
21.6
7.2
由数据可得,在频率大于400HZ的时候,输出电压的大小不随函数发生器频率的改变而改变,在250HZ到400HZ的时候,输出电压的大小不随函数发生器频率的改变而变化较小,在小于250HZ的时候,输出电压的大小不随函数发生器频率的改变而变化较大。
b.当=7.1Ω时,测量数据如下:


0.png

运用公式计算得到的的值为:              31.0625   77.2647   84.9464   94.6667   97.6250  114.1917  100.0000  106.5000  104.1333  111.3725  105.8772  108.7903  110.2652  101.7667  106.5000  104.4118  109.5429  109.3784  109.2308  108.1905
图3 7.1Ω所接线圈比值
由图3和数据可以得到在10Ω的电阻的两端的电压较小的时候,测得的数据误差较大,可以去掉前面五个误差比较大的数据,得到的数据求平均值,得到的线圈的匝数为107.3434,可得匝数约为107匝。
=6.8v时,改变频率,测量数据如下:
W(Hz)
900
850
750
700
650
600
550
500
450
400
(mv)
460
448
448
456
448
440
440
440
440
432
350
300
250
200
150
100
50
10
432
432
408
400
400
312
208
64
由数据可得,在频率大于300HZ的时候,输出电压的大小不随函数发生器频率的改变而改变,在300HZ到100HZ的时候,输出电压的大小不随函数发生器频率的改变而变化较小,在小于100HZ的时候,输出电压的大小随函数发生器频率的改变而变化较大。
综合比较前面8.2Ω和7.1Ω的电压响应和频率特性,我们小组最终选择了8.2Ω的电阻接在线圈两端。
四、差分放大器参数选择
由测量出来的数据可以得到,当函数发生器的输入电压在0.1V到9V中变化的时候,线圈两端的电压的值为34.3mv到900mv,结合后面的要求可以知道输出电压的峰峰值不能超过3V,因此可以设计一个具有增益为3的差分放大器,差分放大器的原理如图所示:
图4 仿真原理图
时,放大倍数为,为了得到增益为3,因此选择,
五、multisim实验仿真
(1)仿真实验图:
图5 multisim实验仿真
(2)仿真结果:
当输入的电压为5V,频率为1kHz的时候,输出电压的波形为:
最大值为1.106V,最小值为-115.37mv。
当输入电压为10V时,频率为1kHz的时候,输出电压的波形为:
最大值为1.713V,最小值为-703mv。
六、实验结果:连接好的差分放大器的图为:
最后得到的结果为:
电流(A)
1.4
2.04
2.8
3.28
4.08
5.4
6.6
8.0
10.0
输出电压Vpp(v)
0.200
0.521
0.650
0.820
0.9
1.129
1.504
2.011
2.27
图6环路电流和电压的输出曲线
由图6可得:输出电压随环路电流的增加而增加,符合我们的预期实际。
六、分析误差及原因
从图6实验结果来看,我们小组设计的差分放大器的增益为3,从测量出来的输出电压和在测试8.2Ω的电阻的时候两端的电压相比并没有很好的符合3倍的差,而是在3的左右波动,最后的实验结果显示我们焊出来的板子并没有很好的实现环路电流和输出电压呈现出很好的效果。这可能是因为我们自己绕制的线圈没有达到理想的标准,线圈的匝数比可能在不同的输入电压下面有一定的波动,在测量中还有各种不可控的因素,因此真正的测量曲线不可能是线性的,只可能是近似的线性。
七、实验总结:
(1)线圈绕制:线圈在本实验中起着承上启下的重要作用,线圈质量的高低是决定这个实验成功与否的重要因素,只有线圈的匝数是一个相对固定的值,即它不随输入电压的改变或者频率的改变呈现出不同的电压值,经过我们小组多次绕制线圈最后总结出,绕制线圈的过程中最好带上一双手套,防止手汗对线圈的质量造成影响;绕制的线圈要缠紧,同时不能重复绕在一起,否则会影响线圈的性能。
(2)实验收获:通过本次实验训练,使我对于整个电子设计竞赛有了一个大概的认识,认识到了我们自身与真正的面对一道全新的电子设计竞赛的题目的差距,如果想要下以后的比赛中获得奖项,加倍的努力是必不可少的。我们小组的成员在本次训练中收获了一下几点:一是不惧困难,尽管我们在选修这一门课的时候就考虑到了这一门课可能会有相应的难度,但是由于理论知识的缺乏,真正的在面对这一门课的时候我们感到非常的迷茫和困惑,想试图了解清楚里面的每一个部分,更多的时候迎来的的确是更多的问题,但是我们小组的成员并没有因为这些困难而放弃继续实验,我们愿意花时间在这上面研究它,即使我们没有取得我们想要的结果,因为最后的成功总是有无数的失败累积起来的。线圈不够理想我们重新再绕,在检测,差分电路的电阻选择的阻值不合适,我们重新再计算,再调试。总之,在面对一个一个的困难的时候,我们没有逃避,而是想着怎么去解决它。二是将理论知识运用在实践中,随着模电课程的不断推进,我们的理论知识也在慢慢的在增加,从刚开始的一无所知到后面的逐渐懂一部分,再到后面的能够理解整个原理图大致要实现的功能。取得这种进步正是我们将理论运用在实践中的体现,同时在实践的运用中我们也加深了对于知识的理解。

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51hei团团 发表于 2019-6-13 22:20 | 显示全部楼层
好资料,51黑有你更精彩!!!
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