北工大电子工程设计实验报告

1 课设报告封面示例 北京工业大学课程设计报告 （ 数电课设题目 ） 实验四 直流电机测速 （ 模电课设题目 ） 实验 十二 可编程 放大器 班 级： 130242 学 号： 13024229 姓 名： 胡鑫旭 组 号： 14 2015 年 6 月 2 目录 数电课设 报告目录 一、设计题目 . 4 二、设计技术指标及设计要求 . 4 （ 1）设计任务 . 4 （ 2）基本要求 . 4 （ 3）扩展要求 . 4 三、设计框图 . 4 四、系统选用的元器件 . 6 （ 1）元器件清单 . 6 （ 2）关键器件的选取及说明 . 6 五、系统各部分电路说明 . 11 （ 1）各单元的工作原理 . 11 （ 2）各单元的工作过程 . 12 （ 3）公式推导和参数计算 . 16 六、系统的调试 . 17 （ 1）调试顺序说明 . 17 （ 2）调试步骤的具体说明 . 17 （ 3）实验结果 . 22 七、附录 . 23 （ 1）电路照片 . 23 （ 2）元器件的识别方法 . 24 （ 3）参考资料 . 25 八、收获和体会 . 26 3 模电 课设报告目录 一、设计题目 . 28 二、设计技术指标及设计要求 . 28 （一）设计任务 . 28 （二）基本要求 . 28 （三）发挥部分 . 29 三、设计框图 . 29 四、设计方案的选择及比较 . 29 五、系统选用的元器件 . 30 （一）元器件清单 . 30 （二）关键器件的选取及说明 . 30 六、系统各部分电路说明 . 32 （一）各单元工作原理 . 32 （二）各单元的工作过程 . 33 七、系统的调试 . 37 （一）调试顺序说明 . 37 （二）调试步骤的具体说明 . 37 （三）实验结果 . 38 八、心得体会 . 39 九、附录 . 40 （一）电路照片 . 40 （二）元器件的识别方法 . 41 （三）参考资料 . 42 4 一、 设计题目 直流电机测速 二、 设计技术指标及设计要求 （ 1）设计任务 设计一个能对直流电动机运行速度进行调速和测速的电路。 （ 2）基本要求 设计一个脉宽调速电路，实现对直流电机转速的控制。利用光电脉冲转换、整形、门控电路和计数电路测出直流电机的转速，并显示在数码管上。要求转速可达到 300转分以下，越低越好。 （ 3）扩展要求 在完成基本要求的基础上加光电耦脉冲计数和相位判别电路，进而识别电机的转向，并由 示转向的正反。 三、设计框图 实验指导书上将整个电路分为：方波发生器、脉宽调整、驱动电路、直流电机、控制转向电路、测量转向电路、光电脉冲转换电路，脉冲整形、计数器、门控电路、脉冲显示电路。具体设计框图如下： 5 但是，经过实际操作发现，省略驱动电路部分和脉冲整形部分这两部分对实验并无较大影响。所以，为了简化电路，我们将整个电路分为：方波发生器、脉宽调整、直流电机、控制转向电路、测量转向电路、光电脉冲转换电路 、 计数器、门控电路、脉冲显示电路。具体设计框图如下： 方波发生器 脉宽调 整 驱动电路 直流电机 控制转向电路 测量转向电路 光 电 脉冲 转 换电路 脉冲整形 计数器 门控电路 脉冲显示电路 测量转向电路 方波发生 器 脉宽调 整 直流电 机 光电脉冲转换电路 计数器 脉 冲 显示电路 门控电路 控制转向电路 6 四 、系统选用的元器件 （ 1）元器件清单 元器件清单 元件名称 元件标称或型号 电阻 4 . 7 1 1 1 、 电位器 1 0 2 1 0 0 1 、 电容 1 2 0 . 1 2u F u F 、 集成电路 5 5 5 2 7 4 1 6 1 5 7 4 0 0 2 7 4 2 0 1N E L S L S L S 、 、 、 其他 微型直流电机（ 9V）、槽型光耦、双刀双掷开关、导线若干 （ 2）关键器件的选取及说明 555时器 555时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。因而 555泛用于信号的产生、变换、控制与检测。其工作原理如下： 7 555 电路 的内部电路方框图如右图所示。它含有两个电压比较器，一个基本 个放电开关 T，比较器的参考电压由三只5们分别使高电平比较器 相比较端和低电平比较器 反相输入端的参考电平为 2/3 1/3 输入信号输入并超过 2/3 ，触发器复位， 555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2脚输入并低于 1/3 ，触发器置位， 555 的 3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 复位端，当其为 0 时， 555 输出低电平。平时该端开路或接控制电压端（ 5 脚），平时输出 2/31 的参考电平，当 5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个 滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7的电容器提供低阻放电电路。 电路如图 4示，只要将脚 2 和 6 连在一起作为信号输入端，即8 得到施密特触发器。图 4出了 波形图。设被整形变换的电压为正弦波正半波通过二极管 D 同时加到 555 定时器的 2脚和六脚，得到的 半波整流波形。当 升到 2/3高电平转换为低电平；当 ， 从低电平转换为高电平。 回差电压： V= V C 图 4555构成施密特触发器 图 4555构成施密特触发器的波形图 如右图为由 555定时器和外接定时元件 R、 C 构成的单稳态触发器。 态时 555 电路输入端处于电源电平，内部放电开关管 出端 有一个外部负脉冲触发信号加到 并使 2 端电位瞬时低于 1/3电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容 C 开始充电， 指数规律增长。当 ，高电平比较器动作，比较器 出 电开关管 容 C 上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如下： 暂稳态的持续时间 为延时时间）决定于外接元件 R、 w= 通过改变 R、 C 的大小，可使延时时间在几个微秒和几十 分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。 如图 4 555定时器和外接元件 C 构成多谐振荡器，脚2 与脚 6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 充电，以及 2向放10 电端电路产生振荡。电容 C 在 2/3，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图 4示。 图 4555构成多谐振荡器 图 4多谐振荡器的波形图 输出信号的时间参数是： T=21 ww 12） C 2中，1，2 放电所需的时间。 74 161数器 74 位二进制加法集成计数器。其符号图和管脚的排列如下图（ a）、（ b）所示，逻辑功能如下表所示。 7411 74P 2 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 2 0 2 0 2 0 加法计数 由表所示可知， 74以下功能： 当复位端 0时，输出 现异步清除功能（又称复位功能）。 当复位端 1，预置控制端 0，并且 时， 现同步预置功能。 当 1D，且 C T 时，输出 当C R L D C T C T ，并且 时，计数器进行加法计数，实现计数功能。 五 、系统各部分电路说明 （ 1）各单元的工作原理 整个电路分为：方波发生器、脉宽调整、直流电机、控制转向电路、测量转向电路、光电脉冲转换电路、计数器、门控电路、脉冲显示电路。 各部分实验原理如下： 脉冲发生电路： 利用 外接阻容元件组成一个多谐振荡器，提供 100方波信号。 脉宽调整电路： 利用 整脉冲的宽度 而达到调节电机速度的目的。 12 控制转向电路： 利用双刀双掷开关控制转向。 测量转向电路： 利用二极管的正向导通特性测量电机的转向，当电机正极引出的线经电阻后，到达数字箱上的二极管，当其亮时，说明直流电机正转，如不亮则反转。 光电脉冲转换电路 ：采用槽型光耦。 计数部分： 电机不断转动，槽型光耦 就不断地发出信号，此信号通过传给计数器，此计数器是由三个 74来一次脉冲，计数器就自动计一次数，计数器的输出端接到数码管上，从而显示电机的转速。 计时部分： 此部分利用数电箱上 10 进制计数器的计数脉冲，每来 1 个脉冲，计数器就计 1 次数，计数器可以显示1数。此计数器的十位片计到 6 时，则停止计数。即把计数器的十位片的 输出端与十位片的 出端一面接到上面计数部分个位计数器的，一面接到 60 进制个位片的 。当 60 进制计数器计到 60时， 60 进制计数器会停止计数，当前数码管上显示的数就是直流电机一分钟的转速。 （ 2）各单元的工作过程 驱动控制部分 1 方波发生器 电路为 成的多谐振荡器，提供 100 3管脚为输出管脚 ,为电动机提供信号 . 13 5 5 5 5 C 8 k o h 8 k o h u 0 1 u C 1图 5谐振荡器 下面两图分别为仿真波形和实际波形。 图 5真波形 图 5际波形 2. 脉宽调整电路 电路是由 成的单稳态触发器，改变滑动变阻器 阻值，从而改变脉冲的宽度，实现对直流电机转速的控制。 14 1 5 5 _ V I R T U A u F 0 1 u %6 k O h mK e y = 5 5 5 5 C 8 k o h 8 k o h u 0 1 u 5 5 5 C %1 0 k O h mK e y = u 0 1 u C 1图 5宽调整电路仿真连接图 下图为经单稳态触发器之后的仿真波形和实际波形： 图 5单稳态触发器的仿真波形 图 5单稳态触发器的实际波形 15 计数 计时 部分： 电机不断转动，槽型光耦就不断地发出信号，此信号通过传给计数器，此计数器是由三个 74成的三位计数器，每来一次脉冲，计数器就自动计一次数，计数器的输出端接到数码管上，从而显示电机的转速。计时 部分利用数电箱上 10 进制计数器的计数脉冲，每来 1 个脉冲，计数器就计 1 次数，计数器可以显示 1数。此计数器的十位片计到 6 时，则停止计数。即把计数器的十位片的 输出端与十位片的 出端一面接到上面计数部分个位计数器的 面接到 60 进制个位片的 。当 60进制计数器计到 60 时， 60进制计数器会停止计数，当前数码管上显示的数就是直流电机一分钟的转速。 计数记时部分仿真图： 16 （ 3）公式推导和参数计算 100 1波发生器参数的计算 根据 成的多谐振荡器的性质， 由 的充电时间1T 和放电时间 2T 各 为 ( 211 ( 21 2， 2 2 故电路的振荡周期为 T=1T +2T = 2( 21 2， 荡频率为 f= )2( 1 21 . 当 f=100， 2( 21 =可令 C=1 f, 1R = 2R ,则可求得 1R = 2R=. 单稳态触发器脉宽的调整 根据由 成的单稳态触发器的性质， 输出 脉冲的宽度暂稳态的持续时间取决于外接电阻 R 和电容 C 的大小。 上升到32 此得 C V V )3/2( 0 = 3=空比 q= 5 5 5 5 C 8 k o h 8 k o h u 0 1 u C 11 5 7O U 48T H 5T R 5 _ V I R T U A u F 0 1 u %6 k O h mK e y = 用上式，根据电路中所需的脉宽计算出相应的电阻电容值。 本实验中要对 100脉冲进行脉宽调整，可令 3C=1 f,则对应的电阻3R 6 k 即可。在此试验中电阻303的电位 器， 可根据直流电机的转动情况来适当的增加或减少脉宽（即调节电位器3 六、系统的调试 （ 1）调试顺序说明 第一步： 单独调试计数部分，使计数部分能正常计数。 第二步 ：单独调试计时部分，使计时部分能正常计数。 第三步： 将计数部分和计时部分连接，共同调试，使计数记时部分满足实验要求。 第四步： 单独调试方波发生器部分，使其能正确产生 100方波。 第五步 ：在方波发生器的基础上加上脉宽调整电路，共同构成电路的驱动控制部分。 第六步 ：加上直流电机、双刀双掷开关、光耦调节电路。 （ 2）调试步骤的具体说明 单独调试计数部分 这部分用三片 74成一个三位计数器，实现从 0计数，我们采用的设计方法是异步清零法，并用数电箱上 10际操作过程中，我们组很快就能完成这部分18 的调试。 单独调试计时部分 这部分用两片 74成一个 60 进制计数器，因为上学期做过这样的实验，于是我们直接采用上学期的方法连接电路， 60 进制计数器也很快完成。 计数记时部分共同调试 这部分的调试 ，我们组 遇到了较多问题， 花了较长时间。 下图是我们一开始设计的计数记时部分连接图： （这种练法是错误的） 后来听从老师建议：没有必要再使用 555 构成单稳态触发器，提供1接使用数电箱上的 1们听从了老师的建议，简化了电路 ，去掉了图中的 555 部分和 74片 。 到实验室后，我们按上图连接好电路， 实际操作发现， 60 进制计19 时部分单独工作时是能正确计数的，但是一旦通过 74片与计数部分 连接后就不能正确计数，要么不从 1 开始，要么不会计到 60时停止，当然也不能锁住计数部分。 对于这些问题，我们组是这样解决的：先断电，检查电路是否连接正确，连线是否有虚接情况，但是我们发现我们电路的确是连好了的。然后我们对计时部分不断地做修改，但还是没成功，于是我们想既然一旦接入 74片就不能正确计数，那就问题应该出现在 74开始我们 是这样想的： 先采用异步清零法设计出一个 60 进制计数器，然后 当 60 进制计数器从 0 计到 59 时，即个位片计到 9，十位片计到 5 时就锁定计数部分，计时部分也停止计数，于是我们 74个输入端分别接的是： 60进制计数器个位片的 0和十位片的 是实际操作发现，这样并不可行。 于是我们换了种思路： 根本不需要先设计一个 60 进制计数器，只需考虑 当 计时部分 计数器的十位片计到 6 时就停止计时，并且锁定计数部分，于是我们 74的 4 的输入端分别接的是 60 进制计数器十位片的 输出端与十位片的 4 输出端一面接到上面计数部分个位计数器的 面接到 60 进制个位片的 。当 60 进制计数器计到 60 时， 60 进制计数器会停止计数，当前数码管上显示的数就是直流电机一分钟的转速。 调试了近一个下午，终于把计数记时部分调试好。得到正确的计数记时部分连线图，仿真电路图如下： 20 单独调试方波发生器部分，使其能正确产生 100这一部分我们按照仿真图连接好实际电路后，调好示波器，很快就完成。 在方波发生器的基础上加上脉宽调整电路，共同构成电路的驱动控制部分 这一部分我们组遇到的问题也不大，很快完成这一部分的调试。 加上直流电机、双刀双掷开关、光耦调节电路 这一部分的调试，我们组花了比调试计数记时部分更长的时间。当我们将直流电机、双刀双掷开关、光耦连入电路后，遇到的第一个问题就是：电机在飞速地转，但是计数部分并未计数。在实验室值班老师的帮助下，我们怀疑是电机上的塑料片遮光性不好，导致光耦 不能向计数部分传递信号，于是我们将电机上的塑料片换成小纸片，并订21 上一颗载书钉，提高遮光性，这样我们解决了我们遇到的第一个问题。 于是我们开始解决我们遇到的第二个问题：电机转速太快，如何将电机转速慢下来。我们想电机转速太快是因为频率太快， 于是我们将方波发生器改成一个频率可调的方波发生器，具体做法是将仿真图5的 04 电位器，调节 而改变频率，使电机转速慢下来。实际操作证明这种做法是正确的。 所以我们组最后实际连线图的仿真图为： 图 6实际连线仿真图 但是我们又遇到了第三个问题：正反转不能同时满足低于 300 转的要求，正转总是比反转要快。下表是我们调节 机正反转转速情况 ： 1 正转转速 802 280 849 726 152 反转转速 220 不 转 294 不 转 不 转 22 由表可以看出 正反转总不能同时满足，对此，我们组的解决方案是：调节 让反转满足要求，然后因为正转太快，在正转电路接一个电位器 ，即图 6 节电位器 际操作过程中，我们发现这个电位器需要的阻值时相当难调的，要么还是转得特别快，要么 就停下来了，但是这样的阻值还是存在的，当调到10 时正转转速降下来了，并且转速满足实验要求。 图 6双刀双掷开关向下掰，电机正转时，电平指示灯亮的电路仿真图。 下图为双刀双掷开关向上掰，电机反转时，电平指示灯灭的电路仿真图： （ 3）实验结果 按照图 6仿真图，我们实际测得的参数为： 1 3 1 1 1C 2 5 3 3 4 4 1C 后的结果为：正传转速 =238 转 /转转速为 =258 转 /足实验正反转均在 300转 /要求。 七、附录 （ 1） 电路照片 系统的实际连线图 24 计数记时部分仿真图 驱动控制电路部分仿真图 （ 2）元器件的识别方法 电阻色环的识别及其色环对应表 25 用色环标注电阻器的准确度和标称值的优点是：电阻被安装在电路中后，从各个角度都能清楚地读出组织和误差，所以应用较普遍。紧靠电阻器端的为第一色环，其余依次为第二、三、四、五色环。其中，普通电阻用四道色环表示，精密电阻用五道色环。下面将五色环电阻每道色环表示的意义列表如下： 颜色 第一色环表示第一位有效数字 第二色环表示第二位有效数字 第三色环表示第三位有效数字 第四色环倍率 第五色环表示容许误差 黑 0 0 0 100 棕 1 1 1 101 +1%或 红 2 2 2 102 +2%或 橙 3 3 3 103 黄 4 4 4 104 绿 5 5 5 105 +蓝 6 6 6 106 +紫 7 7 7 107 +灰 8 8 8 108 白 9 9 9 109 金 10 银 10 （ 3）参考资料 1 清华大学电子学教研组编，阎石主编；数字电子技术基础（第四版），北京，高等教育出版社， 1998年。 2江捷主编 ，数字电子基础北京工业大学出版社。 3 北京工业大学电工电子实验教学中心编 ； 电子技术实验 京工业大学 出版社， 2015年。 26 另外参考了一些专业网站 八、收获和体会 此次 实验 我们通过不断地调试，最终 完成了我们的课程设计。在这个过程中我受益匪浅，主要有以下几点收获和体会 ： （ 1） 分模块调试电路 对于一个比较复杂的电路，合在一块儿想要一次调试成功几乎是不太可能的，最高效的方法是分模块调试电路。 而当遇到问题时，也应该分模块检查电路。 就比如我们此次的实验：直流电机的测速，我们组就分了计时部分、计数部分、计时计数部分、驱动控制电路部分分别调试，在计时计数部分出现了较多问题，然后又分模块排查电路，看是否有电线虚接情况。在计数记时部分弄好了以后，我们才总的调节电路，在总电路调节部分，为了满足实验要求，我们只需对驱动控制电路做修改，因为计数计时部分已完成，这大大提高了我们做实验的效率。 （ 2） 合理布线 布线 布得好的话，当我们检查电路时是相当方便的，而且让人看起来感到愉悦。我们组的实验就需要连接数电箱上的 5 个数码管， 1 个数码管 需要 4 根线，还有高电平线和 接地线，那么至少得引 20 根线，如果这 20 根线太乱， 连接数码管时就容易插不稳，老是被弹出来，就不能正确计数，检查时也相当不方便。所以我们组把这 20 根线每 4 根固定在一块，这样不仅节约了我们每次插线的时间，也方便了我们检查线路。 27 （ 3） 不能忽略任何一点细节 一个成功的实验真的需要太多的认真和仔细。我们组在此次实验中，遇到过这样的问题：电机在转可就是没有计数，于是我们又再次检查计数计时部分，终于在实验值班老师的帮助下，才发现原来是我们的电机上不应该粘塑料片，塑料片遮光性不好，光耦不能向计数器提供信号。可就是这么一个小小不 起眼的问题，就困扰了我们组好久，所以做实验，真的要考虑到好多可能影响实验的因素。 （ 4） 要有耐心 善于总结规律 发现实验的规律，并善于总结，会为我们解决问题有很大帮助。我们组实验最后发现正反转总是不能同时满足要求，于是我们就对两个电阻不停地做修改，并记录结果（论文正文第六部分表格），然后发现规律，再想新的办法终于让正反转同时满足要求。 （ 5） 团结合作很重要 一个实验要是有很好的分工的话，不仅可以减少完成实验的时间，还可以从队友身上学习到很多。我们组对于电路的插线部分分工是很明确的，在电路的调试部分，通常是一个人动手测，一个人动笔记录，然后共同观察数据，发现规律，遇到问题时，也是分人分模块 检查电路。在合作过程中，我也学习到了队友身上的优点。 （ 6） 理论知识的收获多多 此次实验，我们有两个重要的元器件：4在整个实验后，我对这两个芯片的认识更加丰富，更加会使用这两种芯片了。当然，对示波器和万能表的使用也更加熟练了。 28 模拟部分：可编程放大器 一、 设计题目 可编程放大器 二、设计技术指标及设计要求 （一）设计任 务 采用基本的数字 、模拟电 路方法，设计一个可预置放大倍数的放大器，并实现简单的自动增益（ 制功能。 （二）基本要求 1. 使用双电源供电 。 2. 设计差模信号为 50，共模信号为 0信号源。 3. 输入电阻 100M。 4. 输入信号与输出信号的关系：O V V地址 00 01 10 11 00 01 10 11 差小于 1% 。 29 （三）发挥部分 1. 具有自动增益控制功能，即当给定某一幅度的输入信号后，可以自动选择合适的增益档位。提示：可以从最高增益开始，比较检测输出电压，调整增益至合适档位。 2. 提高可编程放大器的增益步进精度，扩大可调范围，改善调整方式。 3. 采用单电源供电 。 三、设计框图 我们将整个实验分为三部分： 负载转换 电路部分、放大电路部分、双端信号电路部分。具体设计框图如下： 四、设计方案的选择及比较 我们一开始设计的电路是由 74现放大器八个不同的量程，后来经过老师的提醒，直接使用数电箱上三个电平来实现量程的转换，从而简化了电路。 另外，在设计由 成的放大电路部分的设计时，我们比较了单运放构成的放大电路与三运放构成的放大电路，发现三运放构成的放大电路共模抑制比单运放构成 的放大电路高得多，而且为了满足实验输入阻抗很大的要求，我们更应选择由三运放构成的放大电路。 双端信号电路 负载转换 电路部分 放大电 路部分 30 五、系统选用的元器件 （ 一）元器件清单 元件名称 元件标值或型号 集成电路 3 2 4 1 , 3 5 8 1L M L M 电位器 1 0 4 3 , 1 0 3 6电 位 器 电 位 器 电阻 3 9 6 1 0 2 1 0 0 2K K K ， ， 其他 模拟多路电子开关 二） 关键器件的选取及说明 芯片管脚 芯片原理 一个四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 或者高到 32伏的电源下，静态电流为 模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一个放大器有 5 个引出脚，其中“ +”、“ -”为两个信31 号输入端，“ V+”、“ 正、负电源端，“ 输出端。两个信号输入端中， -）为反相输入端，表示运放输出端 信号与该输入端的 相 位相反； +）为同相输入端，表示运放输出端 信号与该输入端的相位相同。 芯片管脚 芯片原理 片在电路中起模拟开关的作用，在电路中通过对开关 A 到 通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端 A、B、 C 和 有低导通阻抗和很低的截止漏电流。 C、 B、 、低位，控制 输出。幅值为 20V 的数字信号可控制峰值至 2