有源隔离型420mA信号变换电路.docx

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有源隔离型420mA信号变换电路

有源隔离型4-20mA信号变换电路的设计

1、设计基本要求：

1、电源供电24Vdc，输入电流4-20ma，输出电流4-20ma。

2、输出电流4-20ma带负载能力达到300欧姆。

3、电源供电24Vdc，输入电流4-20ma，输出电流4-20ma三者相互隔离。

4、输出电流跟踪输入电流变化，跟踪精度达到1%。

2、发挥部分：

直接以PT100的电阻输入替代输入电流4-20ma电流，实现隔离型热电阻变送器功能。

即100欧电阻输入，输出4毫安，138.5欧姆电阻输入，输出20毫安。

具体电路请记笔记。

可参考：

提高题1：

无源二线制隔离型4-20mA信号变换电路的设计

1、无源供电，输入电流4-20ma负载能力达到500欧姆。

2、输入电流4-20ma，输出电流4-20ma。

3、输出电流4-20ma负载能力达到200欧姆。

4、输入电流4-20ma既作为信号传递，又作为设备供电电源。

5、输入电流4-20ma，输出电流4-20ma二者相互隔离。

下面是对“2009年全国大学生电子设计竞赛题目分析”请您参考。

这是北京理工大学一个电子竞赛组委会专家分析的情况，现跟您分享一下，如果需要什么资料可及时联系王浩。

首先，09年题目应该与往年差异不大。

无非是仪器类、电源类、放大器类、控制类等几大块。

所以现在老师用以前的训练模式给学生打基础应该没什么问题。

但有一下几点要注意：

1、因为推荐全国都有笔试考核，笔试多数以电子基础、模电知识为主，所以09年全国题目应该会继续在模电题目上下功夫，而数字电路，因为现在出题难度、芯片功能等原因，可能会不再考。

2、频谱仪、信号发生器、相位仪等相关题目都基本出过，所以如果仪器类继续出题目的话，可能还是在原先的基础上加强功能或者增加难度，但是这类型题目出的次数都比较多，不怀疑换类型的可能。

仪器方面也要根据实验常用的仪器来判断哪些仪器在往年还没有涉及，而有可能当做新的方向来考核的,比如失真度仪什么的。

3、电源类好似是每年必出之题，所以建议不管出不出这类题，学生在平时锻炼的时候还是锻炼下为好，做几个电源，电流的、电压的，不出专门题目，说不准在其他题目上还能有所应用。

再说，你就做个DDS信号源锻炼下，也浪费不了多长时间嘛。

4、放大器类题目前面几届也出过，上届专科组出过，本科组没有，预计今年会继续加入放大器类的题目。

5、2009年全国竞赛器件将会允许嵌入式、DSP、FPGA的相关芯片使用，所以学生可以根据自己的能力选择用嵌入式还是单片机参加相关的题目。

因为嵌入式难度较大，多数学校都没有很好的开展嵌入式，所以直接出嵌入式题目的可能性不大。

6、控制类题目，前面几届多数采用小车车体，但是随着传感器及小车功能的扩展应用，题目也出的差不多了，再出好的题目有点难度，估计可能不会在以小车为载体，但是学生在学习控制电机等方面，小车还是一个不错的锻炼平台，即使不考，但是练习还是有必要的。

7、语音类题目，从前几届来看，几乎每届都有设计，虽然多数是作为扩展功能实现的，但是不可否认这是一个电子竞赛不可或缺的一个方面，所以09年有可能会扶正，专门出一语音存储、多媒体或语音处理方面的题目。

建议现阶段同学们可以练习一下RC振荡器、相位测试仪，多功能存储示波器等基础性题目，争取到时可以做到“以不变应万变”。

以上是对09年竞赛的简单预测，仅做参考，相应学习、练习还是根据自己学校、小组的实力、学校的安排来进行，只要知识掌握全面、动手能力强，不管遇到哪方面题目，都能顺利解决。

电子设计竞赛的题目分析

由国家教委高教司倡导并组织的全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到2003年已经成功地举办了6届。

从6届电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成7类。

（1）电源类

简易数控直流电源（第一届）,直流稳压电源（第三届）;

（2）信号源类

实用信号源的设计和制作（第二届）,波形发生器（第五届）,电压控制LC振荡器（A题）（第六届）;

（3）高频无线电类

简易无线电遥控系统（第二届）,调幅广播收音机（第三届）,短波调频接收机（第四届）,调频收音机（第五届）;

（4）放大器类

实用低频功率放大器（第二届）,高效率音频功率放大器（第五届）,宽带放大器（B题）（第六届）;

（5）仪器仪表类

简易电阻、电容和电感测试仪（第二届），简易数字频率计（第三届），频率特性测试仪（第四届），数字式工频有效值多用表（第四届），简易数字存储示波器（第五届），低频数字式相位测量仪（C题）（第六届），简易逻辑分析仪（D题）（第六届）；

（6）数据采集与处理类

多路数据采集系统（第一届）；数字化语音存储与回放系统（第四届），数据采集与传输系统（第五届）。

（7）控制类

水温控制系统采集系统（第三届），自动往返电动小气车（第五届）；简易智能电动车（E题）（第六届）；液体点滴速度监控装置（F题）（第六届）。

从以上试题可见，试题具有实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大的特点。

涉及到的电子信息类专业的课程有：

低频电路、高频电路、数字电路、微机原理、电子测量、单片机、可编程逻辑器件、EDA设计等；涉及到的实践性教学环节有：

电子线路实验课、微机原理实验课、课程设计、生产实习等；竞赛中可选用的器件有：

晶体管、集成电路、大规模集成电路、单片机、可编程逻辑器件等；设计手段必须采用现代电子设计方法与开发工具，如VHDL语言、XilinxFoundationSeriesEDA工具、单片机编程器等。

不难看出，电子设计竞赛的试题既反映了电子技术的先进水平，又引导高校在教学改革中应注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。

传统的电子信息类专业教学内容，重理论、轻实践；重分析、轻综合；重个体、请协作。

实验内容及实验方法上所存在的内容陈旧、形式呆板、方法单一。

按传统方法培养学生，在参加电子设计竞赛时，就会发生诸多问题。

如：

理论设计正确却无法在工程上实现；单元电路正确却无法实现系统连调；个人能力很强却各自为政，不能时间强强联合，等等。

电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛也不仅仅是实验竞赛，而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个特定工程背景的题目的优劣与快慢的竞赛。

它既强调理论设计，更强调系统实现。

它考核了学生综合运用基础知识的能力，更注重考察学生的创新意识。

题目涉及的内容是一个课程群，而非单一的一门课程。

因此，竞赛的形式与内容基本上符合面向21世纪人才培养的目标和需求，是对传统教学方法的一个挑战，同时，竞赛成绩也能从一个侧面反映了这个课程群的教学水平和教学改革的成败。

6.3.1电源类题目分析

电源类题目有“简易数控直流电源（第一届），1994年）”和“直流稳压电源（第三届，1997年）”。

“简易数控直流电源”要求设计制作一个输出电压数控可调直流稳压电源。

涉及到的基础知识与制作能力包含：

交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，单片机，数字显示与控制等。

“直流稳压电源”要求设计制作一个交流变换为直流的稳定电源。

涉及到的基础知识与制作能力包含：

交流电源降压和整流，直流电压稳压和调节，恒流电流源，DC—DC变换器，单片机，数字显示与控制等。

各题目具体要求如下。

1、简易数控直流电源

（一）设计任务

设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

其原理示意图如下：

（二）设计要求

1．基本要求

（1）输出电压：

范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV

（2）输出电流：

500mA；

　　（3）输出电压值由数码管显示；

　　（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；

　　（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

；

2．发挥部分

（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；

（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；

　　（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。

2、直流稳定电源

一、任务

设计并制作交流变换为直流的稳定电源。

二、要求

1．基本要求

（1）稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：

　　a．输出电压可调范围为+9V～+12V

　　b．最大输出电流为1.5A

　　c．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）

d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）

　　e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）

　　f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）

　　g．具有过流及短路保护功能

（2）稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：

　　a．输出电流：

4～20mA可调

　　b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）

（3）DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：

　　a．输出电压为+100V，输出电流为10mA

　　b．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）

　　c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）

　　d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）

2．发挥部分

（1）扩充功能

　　a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态

　　b．过热保护

　　c．防止开、关机时产生的“过冲”

（2）提高稳压电源的技术指标

　　a．提高电压调整率和负载调整率

　　b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值

　　（3）改善DC-DC变换器

　　a．提高效率（在100V、100mA下）

　　b．提高输出电压

　　（4）用数字显示输出电压和输出电流

3.方案例：

简易数控直流电源

（1）采用单片机的简易数控直流电源设计方案

采用单片机作为控制器的简易数控直流数控直流电源设计方案如图1.3.2所示。

设计方案中采用8031单片机完成整个数控个部分的功能。

采用8279作为键盘/显示器接口控制器，不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了8031单片机的利用率。

输出部分采用D/A0832及运算放大器OP07输出电压波形与D/A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。

显示部分采用3位半的数字电压表（DVM）直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。

（2）采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案

采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计方案如图1.3.4所示。

系统由数字控制部分、D/A变换部分及可调稳压部分三部分组成。

除了上述的三大部分之外，还包括一些附加的功能电路，如电压显示、控制、防止误操作、波形发生器电路等。

系统中数字控制部分用+/-按键控制产生可增加或减少BCD码，BCD码输入到D/A变换，变换成相应的电压，此电压通过放大到合适的电平后加到可调稳压部分，控制输出电压以手动0.1V的电压步进或步减，或自动连续步进（减），或直接变化到某一设定的电压值。

6.3.2信号源题目分析

信号源类有“实用信号源的设计和制作（第二届，1995年）”、“波形发生器（第五届，2001年）”和“电压控制LC振荡器（第六届，2003年）”。

“实用信号源的设计和制作”要求设计制作一个正弦波和脉冲波信号源，频率范围20Hz~20kHz，低频信号源。

涉及到得基础知识与制作能力包含：

RC振荡器，脉冲振荡器，数字可调点位器，单片机，数字显示与控制等。

“波形发生器”要求设计制作一个能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形的波形发生器，频率范围100Hz~20kHz，低频信号源，涉及到的基础知识与制作能力包含：

单片机或者可编程逻辑器件，存储器，数字显示与控制，滤波器等。

“电压控制LC振荡器”要求设计制作一个电压控制LC振荡器，频率范围15MHz~35MHz，高频信号源。

涉及到的基础知识与制作能力包含：

单片机或者可编程逻辑器件，PLL，LC振荡器，数字显示与控制，滤波器，高频功率放大器等。

各题目具体要求如下。

1、实用信号源的设计和制作

一、任务

在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。

二、要求

1．基本要求

（1）正弦波信号源

　　①信号频率：

20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

　　②频率稳定度：

优于10-4

　　③非线性失真系数≤3%

（2）脉冲波信号源

　　①信号频率：

20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

　　②上升时间和下降时间：

≤1μs

　　③平顶斜降：

≤5%

　　④脉冲占空比：

2%～98%步进可调，步长为2%

（3）上述两个信号源公共要求

　　①频率可预置。

　　②在负载为600Ω时，输出幅度为3V。

　　③完成5位频率的数字显示。

2．发挥部分

（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。

（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。

　　（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

　　（4）降低正弦波非线性失真系数。

2、波形发生器

一、任务

设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。

示意图如下：

二、要求

1．基本要求

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。

（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。

　　（3）具有波形存储功能。

4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。

　　（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。

　　（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。

2．发挥部分

（1）输出波形频率范围扩展至100Hz～200kHz。

（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。

　　（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：

100Ω～∞）。

　　（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。

　　（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。

　　（6）其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫频输出等功能）。

（1）基于单片机和FPGA的波形发生器

基于单片机和FPGA的波形发生器（方案1）方框图如图6.3.6所示。

系统以单片机89C52位核心。

89C52完成处理键盘数据、生成波形表存储于双口RAM中、控制LED显示、控制DAC0832进行幅值转换、传送频率控制字K值给FPGA处理等功能。

双口RAM的使用减少了单片机和FPGA之间的的通信，从而节省了单片机的资源，也使系统更为可靠。

FPGA主要用于实现DDFS技术中累加器的功能，一方面在很大程度上提高了系统的速度，另一方面可以将单片机的外围芯片74LS377、74TH373、74LS138、74IS02都集成在FPGA内，既充分利用了FPGA的资源，又减少了单片机与外部的接口，提高了系统的可靠性。

双口RAM中传输出的数据经DAC08完成数/模转换，由DAC032内部的电阻分压网络实现幅度控制，继而经过二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，经过运放和三极管进行扩流，从而得到任意一种具有一定带载能力的所需波形。

EEPROM

双口RAM

单片机89C52

显示

FPGA

数/模

转换

幅度

控制

低通

滤波

扩流

键盘

输出

图6.3.3基于单片机和FPGA的波形发生器

6.3.4放大器题目类型

放大器类的题目有“实用低频率放大器（第二届，1995年）”“测量放大器（第四届，1999年），高效率音频功率放大器（第五届，2001年）”和“宽带放大器（第六届，2003）。

”

“实用低频功率放大器”要求设计制作一个具有弱信号放大能力的低频功率放大器，额定输出功率Por≥10W，带宽BW≥（50~10000）HZ。

涉及到的基础知识包含有：

电源整流和稳压，方波信号发生器，低频功率放大器等。

“测量放大器”要求设计制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。

差模电压放大倍数AVD=1~500。

涉及到的基础知识包含有：

电源整流和稳压，信号变换放大器，测量放大器等。

“高效率音频功率放大器”要求设计制作一个高效率音频功率放大器及其参数的测量，显示安装，3dB通频带为300HZ~3400HZ，最大不失真输出功率≥1W。

涉及到的基础知识包含有：

电源整流和稳压，音频功率放大器等。

“宽带放大器”要求设计并制作一个3dB通频带10KHZ~6MHZ,最大增益≥40dB的宽带放大器。

涉及到的基础知识包含有：

电源整流和稳压，AGC，宽带放大器等。

各题目具体要求如下。

1、实用低频功率放大器

一、任务

设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器。

其原理示意图如下：

二、要求

1．基本要求

（1）在放大通道的正弦信号输入电压幅度为（5～700）mV，等效负载电阻RL为8Ω下，放大通道应满足：

　　①额定输出功率POR≥10W；

　　②带宽BW≥（50～10000）Hz；

　　③在POR下和BW内的非线性失真系数≤3%；

　　④在POR下的效率≥55%；

　　⑤在前置放大级输入端交流短接到地时，RL=8Ω上的交流声功率≤10mW。

（2）自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

2．发挥部分

（1）放大器的时间响应

　　①方波产生：

由外供正弦信号源经变换电路产生正、负极性的对称方波：

频率为1000Hz、上升时间≤　1μs、峰-峰值电压为200mVpp。

　　用上述方波激励放大通道时，在RL=8Ω下，放大通道应满足：

　　②额定输出功率POR≥10W；带宽BW≥（50～10000）Hz；

　　③在POR下输出波形上升时间和下降时间≤12μs；

　　④在POR下输出波形顶部斜降≤2%；

　　⑤在POR下输出波形过冲量≤5%。

（2）放大通道性能指标的提高和实用功能的扩展（例如提高效率、减小非线性失真等）。

2、宽带放大器

一、任务

设计并制作一个宽带放大器。

二、要求

1、基本要求

（1）输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻。

（2）3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。

（3）最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB（增益值6级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。

（4）最大输出电压有效值≥3V，数字显示输出正弦电压有效值。

（5）自制放大器所需的稳压电源。

2、发挥部分

（1）最大输出电压有效值≥6V。

（2）最大增益≥58dB（3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB），增益调节范围10dB～58dB（增益值9级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。

　　（3）增加自动增益控制（AGC）功能，AGC范围≥20dB，在AGC稳定范围内输出电压有效值应稳定在4.5V≤Vo≤5.5V内（详见说明4）。

　　（4）输出噪声电压峰-峰值VoN≤0.5V。

　　（5）进一步扩展通频带、提高增益、提高输出电压幅度、扩大AGC范围、减小增益调节步进间隔。

　　（6）其它。

3、方案例：

测量放大器

（1）测量放大器（方案1）

测量放大器（方案1）方框如图1.3.21所示。

系统由前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520衰减器和单片机键盘显示处理模块3个模块电路组成。

在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，使运算放大器电源电压随共模输入电压浮动，各级偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。

由4片运放构成的前级高共模输入的仪表差带动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。

AD7520衰减器利用电阻网络的可编程性，实现衰减器衰减率的数字编程。

单片机键盘显示处理模块除可以对8279进行实时监控外，还可进行数字处理和对继电器及AD7520的控制。

8位LED显示电路显示提示符及放大倍数。

单独设置的“+”、“—”键，实现步进。

（2）测量放大器（方案2）

测量放大器（方案2）方框图如图1.3.22所示。

系统由8031最小系统、低噪声前置放大器、程控增益放大等电路组成。

采用4位KSA-3型的BCD拨码开关预置调节差模电压增益。

8031最小系统包括8031、74LS373、74LS138译码器以及8255等外围芯片。

显示驱动芯片采用INTERSIL公司生产的CMOS通用型8位LED数码管驱动电路7218B。

7218B。

7218B内涵位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8*8位的静态存储器以及7段十六进制显示码和十进制显示译码电路。

8位LED数码管直接与7218B相连。

通过改变电桥桥臂电阻得到一差模信号，信号先经过OP07组成的前置放大器放大，提高共模抑制比，减少零漂。

放大倍数通过程控增益放大电路调节。

程控增益放大电路有AD7520组成。

图6.3.5测量放大器（方案2）方框图

6.3.5仪器仪表类题目分析

仪器仪表类有“简易电阻、电容和电感测试仪（第二届，1995年）”、“简易数字频率计（第三届，1997年）”、“频率特性测试仪（第四届，1999年）”、“数字式工频有效值多用表（第四届，1999年）”、“简易数字存储示波器（第五届，2001）”、“低频数字式相位测量仪（第六届，2003年）”、“简易逻辑分析仪（第六届，2003年）”。

“简易电阻、电容和电感测试仪”要求设计制作一个测量范围：

电阻100Ω~1MΩ；电容100pF~10000pF；电感100μH~10mH，测量精度：

+5%的电阻、电容和电感测试仪。

涉及到的基础知识包含有：

电阻、电容和电感参数变换，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。

“简易数字频率计”要求设计制作一个测量范围信号：

方波、正弦波；幅度：

0.5V~5V；频率：

1HZ~1MHZ,测量误差≤0.1%数字频率计。

涉及到的基础知识包含有：

信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。

“频率特性测试仪”要求设计制作一个频率范围100HZ~100KHZ;频率步进：

10HZ;频率稳定度：

10-4；测量精度：

5%；能在全频范围和特定频率范围内自动步进测量的频率特性测试仪。

涉及到的基础知识包含有：

信号变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。

“数字式工频有效值多用表”要求设计制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为50+1HZ、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。

涉及到的基础知识包含有：

电压、电流变换与检测，单片机或者可编程逻辑器件，数字显示等。

“简易数字存储示波器”要求设计制作一个一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器。

频率范围为DC~50KHZ，误差≤5%。

涉及到的基础知识包含有