模拟电子技术课程设计--音频功率测量电路

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1、题目：音频功率测量电路院系：机械工程学院班级：测控技术与仪器学号：8学生姓名：赵世荣指导教师：郭宏设计周数：两周日期：2011年12月30日１６目录一设计内容及要求........2二工作原理及设计........2三调试及总结..............10四元器件清单..............14五电路总图................15六参考文献................16１６功率测量电路（一）设计内容及要求本设计通过检测负载电流与电压的乘积信号来测量电功率，该测量方法与负载产生的

2、相移无关，不依赖于负载阻抗的变化，以有效值方式实现了有功功率的数字化测量。（二）工作原理及电路设计2.1工作原理电路组成如图1所示，由取样电路、乘积运算电路、电平转换电路、A／D转换电路和LED显示部分组成。１６本设计基于电功率等于电流与电压乘积的基本原理。完成该乘积运算的核心器件是模拟乘法器MC1495，配合使用运算放大器LM741实现电平转换，ICL7107完成A／D转换并驱动LED实现功率的数字显示。其中，取样电路获取负载电压UL和负载电流IL，模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算

3、，即功率运算，该模拟乘法器采用差动方式从2脚和14脚输出与负载功率成比例的电流I2-I14口由运放LM741组成的电平转换电路将乘法器输出的差动电流转换成电压VO，此电压正比于负载上的平均有功功率PO，再配接由ICL7107为核心组成A／D转换及显示电路，LED数码管显示的数字即为负载有功功率。2.2电路设计总体电路如图2所示。整个电路制作在一块5×8cm的印刷电路板上１６(1)取样电路取样电路的任务是获取负载电流IL和负载两端的电压UL。图2中精密取样电阻Rsense将负载电流，IL转换为电压VX′

4、，Rsense=0.1Ω，故VX′==ILRsense0.1IL。负载电压UL则直接送至VY′。(2)有效值功率转换电路１６由四象限线性模拟乘法器MC1495实现负载电流与电压的乘积运算，采用差动方式输出与负载功率成比例的电流。这部分电路主要设计是依据制造商提供的MC1495技术资料及设计要求，详见文献[4]。按最大有效值电功率P=100W设计，扬声器阻抗RLoad耐变化范围在4～16Ω之间，则负载电流IL最大约5A(峰值7A)，负载电压UL最大约40V(峰值57V)。从而有VX′(max)=0.7V

5、，VY′(max)=57V。选择R01=51kΩ，R02=R03=R04=10kΩ，则满足MC1495输入电压范围不超过±10V的要求。根据设计要求，MC1495的13脚外接电阻R13=12kΩ，3脚外接电阻由R3=12kΩ与RP3=5.0kΩ串联组成，从而保证13脚电流I13和3脚电流I3均为1mA左右。RP3可微调乘法器的增益系数。根据VX(max)0.35kΩ，RY>9.3kΩ，取RX=0.51kΩ，RY=10kΩ。并根据±15１６V供电电压，选择1

6、脚外接电阻R1=3.0kΩ，乘法器MC1495输出端2脚和14脚外接负载电阻RL=3.0kΩ。12脚和8脚分别是乘法器的X和Y输入直流偏置调节，该功能由R05，R06，RP1，RP2，DZ1，DZ2组成的平衡调节网络完成。至此，乘法器MC1495对电流与电压的乘积运算已实现，从2脚和14脚双端差动方式输出与负载功率成比例的电流信号。设MC1495的2脚和14脚电流(方向如图2所示)分别为I2和I14，则有(3)电平转换与滤波电路电平转换电路由图2中的RL，R07，RP4，Rf和运放LM741组成，作用

7、是将MC1495差动输出电流线性转换成单端输出电压，以便A／D转换。若电路对称(R07+Rp4=Rf，可通过微调RP4实现)，则可得运放的输出电压VO=(I2-I14)Rf，，由式(2)代入得前面已选择I3=1mA，RX=0.51kΩ，RY=10kΩ１６，并将式(1)代入式(3)得就一般情况而言，可能存在非阻性负载引起的相移φ，那么应该以负载电流和电压瞬时值进行深入分析，设，由式(5)得运放输出瞬时电压为cosφ是功率因数。对式(7)作频域分析可看出，第一项是直流成分，正是负载上消耗的有功功率。后两项

8、则是输入信号的2次谐波，很容易滤除掉(从而得υO的平均值)。运放输出信号υO经分压、滤波电路R08，R09，C3，C4后的电压作为A／D转换器的输入电压VIN送到ICL7107的31脚，此电压代表负载上的平均有功功率，根据图2得１６对于任意非正弦电压和电流可看作是由一系列正弦波叠加组成，可证明，上述结论对有功功率的计算仍然正确。(4)A／D转换及显示电路１６这部分电路主要由ICL7107为核心组成，外围元件参数选择及设计是依据制造商提供的ICL7107技