电压越限报警电路的设计优化

一、实验目的

●了解由运算放大器组成的电压比较器电路。

●掌握比较器芯片电路的调试和实验方法。

●设计并搭建硬件电路,实现电压越限报警。

●学习NI ELVIS虚拟数字万用表、虚拟函数发生器、虚拟示波器使用方法。

二、实验原理

电网电压超范围的波动会导致连接在其上的电器设备损坏。因此,常常需对电网电压进行越限监控。为便于对电网电压进行监控,监测电路一般采用直流电压。因此,需对370～390 V电压进行变换。先用变压器将此电压降低至37～39 V,然后经过整流滤波电路,将反映电网波动的交流电压变为直流电压,供监测电路使用。

1.窗口比较器

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大。此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V＋),就是低电平(V－或接地)。当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。

如图4-69所示,使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R＇1组成分压电路,为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R＇2组成分压电路,为运放A2设定比较电平U2。输入电压Ui同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间,当Ui＞U1时,运放A1输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平,晶体管BG1就会导通,发光二极管LED就会被点亮。

若选择U1＞U2,则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED被点亮,这便是一个电压双限指示器。

若选择U2＞U1,则当输入电压在[U2,U1]区间范围时,LED被点亮,这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用,稍加变通,便可用于各种物理量的双限检测和短路、断路报警等。

图4-69　窗口比较器电路

2.电压越限报警电路

电压越限报警电路如图4-70所示,其中A1和A2构成窗口比较器,用于检测输入电压是否在给定参考电压范围内；电阻R1和R2用于保护集成比较器的输入回路,在输入电压过大时,不致损坏比较器。可调电阻R3、R4和R5用于设定上门限电压和下门限电压。A1正输入端的门限电压为,A2负输入端的门限电压为uL＝。由窗口比较器的原理可知,当输入电压在两个门限电压之间时,输出为高电平,运算放大器A3输出为低电平,此时发光二极管VD1不亮。而当输入电压在门限电压之外时,A1或A2将会输出低电平,由于比较器具有“线与”特性,两个比较器输出为低电平,A3的输出电压为方波,此时发光二极管VD1会闪烁。

图4-70　电压越限报警电路

三、实验设备和器材

●NI ELVISⅡ＋实验平台　1套

●计算机　1台(www.xing528.com)

(安装有NI ELVISmx Instrument Launcher及NI ELVIS驱动软件)

●各个阻值电阻　若干个

●电容0.01μF　若干个

●发光二极管　1个

●OP07运算放大器　4个

四、实验内容及步骤

(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-71所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B分别与原型板的＋5 V、GROUND端相连,端子C与原型板的SUPPLY＋端相连,由NI ELVIS的直流电源和可变电源为实验电路提供高电平基准电压和输入电压信号ui；运算放大器OP07引脚7、引脚4分别与原型板的＋15 V、－15 V端相连,由NI ELVIS的＋15 V、－15 V直流电源为其供电。

(2)调节可变电压,更改输入端的电压大小,观察发光二极管的闪烁情况,记录下开始闪烁的电压,与设计的上下门限电压进行比较。

五、NI ELVIS实验操作——可变电源设置

(1)单击“开始”菜单→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如图4-4所示。

图4-71　电压越限报警电路图

单击“Variable Power Supplies”,打开图4-72所示可变电源软面板。

图4-72　可变电源软面板

(2)根据图4-72所示设置可变电源的相关参数：

①Supply＋(正向电压输出模式)：自动(不勾选“Manual”选项)；

②Voltage(电压幅值)：通过上、下箭头,以固定改变输出电压,直至发光二极管开始闪烁。

完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,保持可变电源为输出状态。

六、实验思考与拓展

在设计电压越限报警电路时,若所设置的上下门限电压发生改变,如何合理选择电路中各电阻参数?