电子线路设计实验报告...doc 24页

实验报告实验课程：电子线路设计与测试学生姓名：沈华学号：5503112052专业班级：通信121班（卓越计划）指导老师：王艳庆喻嵘2014年4月28日23 目录实验一 ：音频功率放大电路设计 实验二 ：信号发生器设计  实验三 ：直流稳压电源设计 实验四 ：温度控制电路设计(实物)  23 实验一、音频功率放大电路设计一、设计任务设计一小功率音频放大电路并进行仿真。二、设计要求已知条件：电源V或V；输入音频电压峰值为5mV；8/0.5W扬声器；集成运算放大器（TL084）；三极管（9012、9013）；二极管（IN4148）；电阻、电容若干基本性能指标：Po200mW（输出信号基本不失真）；负载阻抗RL＝8；截止频率fL＝300Hz，fH＝3400Hz扩展性能指标：Po1W（功率管自选）三、设计方案音频功率放大电路基本组成框图如下：音频功放组成框图由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，通过话音放大器不失真地放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗；滤波器用来滤除语音频带以外的干扰信号；功率放大器在输出信号失真尽可能小的前提下，给负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。应根据设计要求，合理分配各级电路的增益，功率计算应采用有效值。基于运放TL084构建话音放大器与宽带滤波器，频率要求详见基本性能指标。功率放大器可采用使用最广泛的OTL（OutputTransformerless）功率放大电路和OCL（OutputCapacitorless）功率放大电路，两者均采用甲乙类互补对称电路，这种功放电路在具有较高效率的同时，又兼顾交越失真小，输出波形好，在实际电路中得到了广泛的应用。对于负载来说，OTL电路和OCL电路都是射极跟随器，且为双向跟随，它们利用射极跟随器的优点——低输出阻抗，提高了功放电路的带负载能力，这也正是输出级所必需的。由于射极跟随器的电压增益接近且小于1，所以，在OTL电路和OCL电路的输入端必须设有推动级，且为甲类工作状态，要求其能够送出完整的输出电压；又因为射极跟随器的电流增益很大，所以，它的功率增益也很大，这就同时要求推动级能够送出一定的电流。推动级可以采用晶体管共射电路，也可以采用集成运算放大电路，请自行查阅相关资料。在Multisim软件仿真时，用峰值电压为5mV的正弦波信号代替话筒输出的语音信号；用性能相当的三极管替代9012和9013；用8电阻替代扬声器。由于三极管（9012、9013）最大功率为500mW，要特别注意工作中三极管的功耗，过大会烧毁三极管，最好不超过400mW。如制作实物，因扬声器呈感性，易引起高频自激，在扬声器旁并入一容性网络（几十欧姆电阻串联100nF电容）可使等效负载呈阻性，改善负载为扬声器时的高频特性。四、电路仿真与分析23 1、话音放大器电路于话筒的输出信号一般只有5mV左右，通过话音放大器不失真地放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗。根据设计要求，话音放大器电路得增益为5。即2、滤波器电路滤波器用来滤除语音频带以外的干扰信号，本电路中采用二阶有源高通滤波器和二阶低通滤波器组合成带通滤波器，是该音频功率放大电路的为截止频率fL＝300Hz，fH＝3400Hz。实际仿真过程中截止频率大概，，基本满足实验要求。电路如下：截止频率计算公式为，组成的带通滤波器增益大概为Av=1.8。3、功率放大器电路功率放大器在输出信号失真尽可能小的前提下，给负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。本次电路中功率放大器采用使用最广泛的OCL（Output23 Capacitorless）功率放大电路，这种功放电路在具有较高效率的同时，又兼顾交越失真小，输出波形好，在实际电路中得到了广泛的应用。电路图如下：此功放电路的的电压增益=100总的电路图如下：23 此音频功率放大电路在1000Hz时总的增益在300Hz-3400Hz范围中输出的电压峰值大约为=4.07V-6.14V。输出功率为>200mW符合设计要求1000Hz时的波形：本次电路设计中，根据设计要求，合理分配了各级电路得增益，使总的增益达到让人满意的结果。如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果。实验二、信号发生器设计一、设计任务设计一信号发生器，能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。二、设计要求基本性能指标：(1)频率范围100Hz~1kHz；(2)输出电压：方波Up-p≤24V，三角波Up-p=6V，正弦波Up-p>1V。扩展性能指标：频率范围分段设置10Hz~100Hz,100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性方波tr<30us（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。三、设计方案信号发生器设计方案有多种，图1是先产生方波、三角波，再将三角波转换为正弦波的组成框图。23 图1信号发生器组成框图主要原理是：由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路，三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。图2所示，是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。图2方波和三角波产生电路图3比较器传输特性和波形利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。23 图4三角波→正弦波变换电路图5三角波→正弦波变换关系在图4中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。波形发生器的性能指标：①输出波形种类：基本波形为正弦波、方波和三角波。②频率范围：输出信号的频率范围一般分为若干波段，根据需要，可设置n个波段范围。③输出电压：一般指输出波形的峰-峰值Up-p。④波形特性：表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r～和r△；表征方波特性的参数是上升时间tr。四、电路仿真与分析信号发生器设计方案有多种，本次设计中采用先是产生方波、三角波、再将三角波转换为正弦波的方案。23 1、方波产生电路运放U2与R1、R2及R6组成电压比较器，R1称为平衡电阻，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转；运放的反相端接基准电压，及V-=0，同相端接输入电压Vin；比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压-VEE，当比较器+VCC=V-时，比较器翻转。因而产生方波。比较器的门限宽度为。2、三角波发生器电路运放U3与R4、R7、C2及R5组成反相积分器。当积分器的输入为方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波。三角波的幅度为当方波产生电路的输入端与三角波产生电路得输出端连接在一起形成正反馈闭环系统，则自动产生方波-三角波。这样既可构成三角波、方波发生器。方波——三角波的频率为23 3、正弦波发生器利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。电路图如下：总的电路图为：输出波形为：23 电位器R6在调整方波-三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围宽度，可用C2改变频率的范围，R7实现频率微调。此次信号发生器设计基本满足设计要求。实验三、直流稳压电源设计一、设计任务设计一直流稳压电源并进行仿真。二、设计要求基本性能指标：(A1)输出直流电压＋5V，负载电流200mA。(B1)+3V~+9V，连续可调；(B2)IOmax=200mA；(B3)稳压系数Sr≤5×10-3；(B4)△UO≤5mV。扩展性能指标：扩展直流稳压电源的输出电流使10mA≤IO≤1.5A。三、设计方案直流稳压电源设计框图和直流稳压电源基本电路分别如图1和图2所示：图1直流稳压电源框图图2直流稳压电源基本电路23 主要原理是：电源变压器将交流电网220V的电压降压为所需的交流电压，然后通过整流电路将交流电压变成单极性电压，再通过滤波电路加以滤除，得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。一般情况下，选用降压的电源变压器。整流电路主要有半波整流电路、桥式整流电路和全波整流电路，一般情况下多用桥式整流电路，桥式整流输出脉动电压平均值为：通过每只二极管的平均电流为：每只二极管承受的最大反向电压为：滤波电路亦可分为电容滤波、电感滤波、Π型滤波等多种滤波电路，而在小功率电源电路设计中多用电容滤波电路。当在接上滤波电容后，UO会明显增大，其大小与时间常数RLC有关，通常情况下，RLC＝(3~5)T/2（T为电网电压周期）。稳压电路有二极管稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压电路等，可根据具体要求选择合适的电路形式（具体原理可查阅相关资料）。稳压电源的性能指标：最大输出电流IOmax：电源的输出电压UO应不随负载电流IOL而变化，随着负载RL阻值的减少，IOL增大，UO减小，当UO的值下降5%时，此时流经负载的电流定义为IOmax（记下IOmax后迅速增大RL，以减小稳压电源的功耗）。输出电压：指稳压电源的输出电压，也是稳压器的输出电压。当输入电压为额定值时，可直接用电压表测量。纹波电压：指叠加在输出电压UO上的交流分量。可用示波器观测其峰-峰值或者有效值。稳压系数：指在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即输出电阻：稳压电路输入电压一定时，输出电压变化量△UO与输出电流变化量△IO之比，即23 (UI为常数)四、电路仿真与分析电路图为可调（3V——9V）的直流稳压电源23 （1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器，可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为3V~9V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。输出电压表达式为：式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。输出电压可调范围：3V～9V输出负载电流：1.5A能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。（2）选择电源变压器1）确定副边电压U2:根据性能指标要求：Uomin=3VUomax=9V又∵Ui-Uomax≥(Ui-Uo)minUi-Uoin≤(Ui-Uo)max其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V∴12V≤Ui≤43V此范围中可任选：Ui=14V=Uo1根据Uo1=(1.1～1.2)U2可得变压的副边电压：2）确定变压器副边电流I2∵Io1=Io又副边电流I2=(1.5～2)IO1取IO=IOmax=800mA则I2=1.5*0.8A=1.2A3）选择变压器的功率23 变压器的输出功率：Po>I2U2=14.4W（3）选择整流电路中的二极管查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V>17V最大整流电流IF=1A>0.4A（4）滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用下式求得。1）求ΔUi:根据稳压电路的的稳压系数的定义：设计要求ΔUo≤15mV，SV≤0.003Uo=+3V～+9VUi=14V代入上式，则可求得ΔUi2）滤波电容C设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S则可求得C。电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。注意：因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。温度控制电路设计一、设计任务设计一温度控制电路并进行仿真。二、设计要求基本功能：利用AD590作为测温传感器，TL为低温报警门限温度值，TH为高温报警门限温度值。当T小于TL时，低温警报LED亮并启动加热器；当T大于TH时，高温警报LED亮并启动风扇；当T介于TL、TH之间时，LED全灭，加热器与风扇都不工作（假设TL＝20℃，TH＝30℃）。扩展功能：用LED数码管显示测量温度值（十进制或十六进制均可）。三、设计方案AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。AD590适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。主要特性：流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(K)度数；AD590的测温范围为-55℃~+150℃；AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710mΩ；精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。基本使用方法如右图。AD590的输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。23 Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V。测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。温度控制电路设计框图如下：温度控制电路框图由于Multisim中没有AD590温度传感器，根据它的工作特性，可以采用恒流源来替代该传感器，通过改变电流值模拟环境温度变化。通过温度校正电路得到实际摄氏温度电压值（可适当放大到几伏特，不超过5V），再送温度判决电路判决，需根据报警温度确定门限比较电压值，电路均可用运算放大器及电压比较器来实现。可采用三极管和继电器（RELAY）来控制驱动风扇与加热器，在仿真中用DCMOTOR代替风扇、HEATER代替加热器，并加上发光二极管来指示其是否工作。温度显示部分可采用ADC模数转换芯片来实现，将实际温度电压值通过ADC芯片转换成数字逻辑信号再通过数码管显示。四、电路仿真与分析1、测温电路测温电路由恒流源代替温度传感器，并且经过一个电压比较器构成射极跟随器稳定电压，使得测量Uo时不分出任何电流，避免造成测量值不准确。1、温度校正电路23 在温度校正电路中，采一个电压比较器构成一个减法器，也就是把热力学温度温度转变成摄氏温度。具体的计算为，其中=i*10KΩ，=2.73V(根据电压分压得到的）因为R18/R15=10，也就是温度每上升一度，输出电压增加0.1V。1、控制电路当<2V时，灯LED2亮，，低温报警，启动加热器。当2V<<3V时，灯都不亮。当>3V时，灯LED1亮，高温报警，启动风扇。23 1、显示电路显示电路采用ADC0809经过模数转换，然后通过单片机控制数码管显示相应的温度值。Protuse仿真电路为：单片机程序为：#include#defineucharunsignedchar//宏定义#defineuintunsignedintsbitOE=P3^0;//定义I/OsbitEOC=P3^1;sbitSTA=P3^2;sbitCLK=P3^3;23 uintnum;//AD转换后的数字量charcodetable[]=//共阴段码{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};voiddelay(uintz)//延时函数{uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=80;y>0;y--)CLK=~CLK;//在延时函数中给ADC0809提供脉冲}voiddisplay(void){if(num/100==0)//百位{P2=0xfb;P0=0X00;//如果百位为0，则不显示}else{P0=0x00;P2=0xfb;P0=table[num/100];delay(2);}P0=0x00;//十位P2=0xfd;P0=table[num%100/10];delay(2);P0=0x00;P2=0xfe;//个位P0=table[num%10];delay(2);P0=0x00;//消隐}ucharshift_fun(uchardate)//高低位互换函数：蝶式交换法{date=(date<<4)|(date>>4);//因为ADC0809输出高低位和单片机反接了date=((date<<2)&0xcc)|((date>>2)&0x33);23 date=((date<<1)&0xaa)|((date>>1)&0x55);returndate;}//主程序voidmain(void){while(1){//无穷循环STA=0;STA=1;STA=0;//启动ADC0809display();//显示，既做延时，又输出CLKwhile(EOC==0);//等待转换结束OE=1;//使能输出num=P1;num=shift_fun(num);//取出转换结果num=num*10*4.94/255;//转换比例，再扩大10倍OE=0;}}五、面包板电路得调试按照原理图，在面包板上连线，用元器件模拟电路更加真实可靠。在此过程中，花了将近一个小时的时间搭好面包板，但是开始时电路并没有正常工作。然后大家一起分析电路找原因。最后才发现，开始时并没有使用三极管驱动继电器。在Multisim中仿真的虽然不使用三极管继电器正常工作，但在实际电路中12V的继电器是无法工作的。接着在网上找继电器的驱动电路和TL084芯片的引脚图。经过一下午的调试后，电路才符合要求正常工作。比较器是集成在芯片上的，并不是一个一个分开的。在面包板上连好之后，再进行的调试，检测。六、制版、焊接与调试23 1、原理图设计(1)进入原理图设计系统，新建原理图文档schematicdocumentl(2)在设计管理其中添加相关的原理图元件库常用的有protelDosschematiclibraries.ddbl(3)选择相关器件到图纸（双击左键即可）(4)连接电线，注意连线时必须要用工具条上的placewire工具，而不能用placeline工具，器件之间的电路必须要连通。（5）修改元器件属性。注意：双击左键打开属性对话框，修改相关属性和参数。左键+空格键可以修改元件方向。l（6）保存文件，至此原理图以设计完毕2：PCB图设计（1）准备电路图和网络表，利用原先画好的原理图生成网络表，用设计菜单下的创建网络表命令。网络表创建好后要查看各元器件的封装类型，如有些元器件的封装没有，则必须在原理图中通过修改元件属性，添加其封装。重新生成网络表。l（2）规划电路板新建PCB文档，在机械（mech1）层确定电路板物理尺寸，用place/track命令。用同样的方法在禁止布线（keepout）层规划电路板的电气边界。画好后点右键释放鼠标。l（3）网络表与元件的装入装入pcb元件库，点击browsepcb窗口中的下拉列表框中选择libraries选项,单击add/remove按钮，添加相关pcb元件库。添加：“connectors”、“genericfootprints”、“ipcfootprints”。（4）利用网络表文件装入网络表和元件，用设计菜单下的家在网络表命令。可以预览有没有错误，如果有错误，则必须，知道没有错误，按execute按钮即可。在此过程中有可能预先没有装入全部的元件库，或者原理图中未给出封装类型，因而会造成网络表不全等。（5）元件的自动布局，用tools/autoplacement/autoplacer命令，选择statisticlplacer选项，选中group和rotate,在后面输入VCC和GND，点ok完成自动布局，更新pcb图。需要注意的是，自动布局并不一定合理，也会有飞线，所以根据需要我们应进行手动调整。（6）PCB布线在布线过程中采用手动布线，一开始曾想采用自动布线，但是效果很差。对于复杂点的电路图来说，手动布线对于我来说是一个很漫长和痛苦的事情，整个布线整整花了我一个晚上的时间。3、制版在制作电路板的过程中，也碰到了许多困难。第一次板子腐蚀时由于热转印不够在复试过程中导线都脱落了。所以在第二次制版了热转印了两次，最后顺利制作出了板子，接下来就是打孔了，一百多个孔将近打了一个多小时才完成。4、焊接焊接过程很顺利，由于之前金工实习时练习过焊接，因此这次焊接也得心顺手。1、调试在调试过程中，困难重重。由于之前面包板电路调试时没有十分认真的检查错误，所以制作出来的电路板也存在着很多问题。经过几天的不断努力之后，电路板基本达到设计要求。在继电器控制电路中，一开始时在继电器的两端接稳压二极管IN4735,在调试过程中，直接烧毁了三极管。一开始时并不知道问题出在哪里，后来经过老师的指导，把稳压二极管换成二极管时候电路就正常工作了。这一事件23 教导我们只有经过实践才能对于知识要有十分清楚的了解和运用。在调试显示电路时，显示的数值一直在跳动，十分不稳定。到最后也没能成功调试出来。经过检查可能存在的问题有（1）：ADC0809输入的电压不稳定，所以造成了显示一直跳动。（2）：由于之前把ADC0809的输出口的高低位与单片机的高低位接反，虽然在程序中用函数高低位互换调整回来，但是也造成了不稳定。电路原理图为PCB图为：23 元器件清单：图为：七、实验总结此次温控电路实物制作让我学习到了很多东西，只有经过实践，才会更清楚的认识到自身的不足。在制作过程中，我进一步学习了Aultimdesigner的使用，学会了遇到问题时如何思考和查找资料解决问题。但是也存在着一些遗憾，就是温度显示电路没有成功调试出来。23 在显示部分，数值一直跳动，不稳定。经过检查可能存在的问题有（1）：ADC0809输入的电压不稳定，所以造成了显示一直跳动。（2）：由于之前把ADC0809的输出口的高低位与单片机的高低位接反，虽然在程序中用函数高低位互换调整回来，但是也造成了不稳定。总之，有遗憾也有收获，感谢这次电子线路设计与测试课程，让我进一步了解掌握了书本知识，同时也感谢一直共同奋斗的队友，最后谢谢老师的指导。23