《电子课程设计论》word版.doc

自动化学院电子基础课程设计任务书 电子科学与技术 系 050831 班 学生： 陈淑萍 课题名称： 输出可调到0V的基准电压源 课题要求：一、具有以下功能：1、输出电压：0-8V连续可调2、输出电流（8V时）：0-40Ma 二、完成原理图、PCB图设计三、完成安装及调试。 四、写出设计报告。课题内容：第一周：查找相关资料；方案设计。第二周：设计原理图、PCB图。 第三周：完成安装及调试。撰写报告 主要参考资料：1. 王庆主编. Protel99SE & DXP 电路设计教程. 电子工业出版, 2006.62. 康华光等. 电子技术基础（模拟部分第四版）.高等教育出版社, 1999.63. 康华光等. 电子技术基础（数字部分第四版）.高等教育出版社, 1999.6 系负责人： 王庆 指导教师： 肖慧荣 时间：2008年1月12日输出可调到0V的基准电压源学生姓名：陈淑萍 班级：050831摘要：基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度电压源。目前，它已被广泛用于数字仪表、智能仪表和测试系统中，是一种颇有发展的新型特种电源集成电路。它的主要特点是电压稳定度高，不受环境温度变化的影响，能通过外部元件作精细调整，获得高准确度的基准电压值。可采用齐纳稳压管来获取基准电压。当稳压管被反向击穿时，其稳定电压基本保持恒定。其主要优点是成本低廉，缺点是稳定性差、高温度漂移、功耗及噪声较高、输出阻抗较高。此设计应用稳压管及集成运放、三极管来组成稳压电源，可用电位器来实现其可调，电路主要功能是能输出由0V到8V连续可调的电压。关键字：可调 0V 基准电压源（次页与下一页对调）自动化学院电子基础课程设计评分标准平时表现评分：（20%）优秀：（90-100）遵守纪律，尊敬老师，爱护设备，工作量饱满，动手能力强，无缺勤,很好按课题进度进行。良好：（80-89）遵守纪律，爱护设备，工作量饱满，动手能力较强，考勤情况良好，较好按课题进度进行。中等：（70-79）遵守纪律，爱护设备一般，工作量一般，动手能力一般，偶尔缺勤，基本按课题进度进行。及格：（60-69）遵守纪律一般，人为因素损坏设备，工作量一般，动手能力差，偶尔缺勤，能按课题进度进行。不及格：（59以下）不遵守纪律，人为因素损坏设备，有技术安全事故，工作量不饱满，动手能力很差，经常迟到，早退，缺勤。课题完成情况评分：（50%）优秀：（90-100）全部完成任务书要求，完成质量优良、结果正确，所完成的设计有一定的独立见解。良好：（80-89）全部完成任务书要求，完成情况良好，所完成的设计正确，解决了一些实际问题，结果正确。中等：（70-79）基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但存在一些不足。及格：（60-69）基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但有小错误。不及格：（59以下）未完成任务书要求，所作的设计有严重错误，基本概念不清。电子基础课程设计报告质量评分（30%）1、文献资料收集、整理、分析；对课题研究意义的阐述；文字精练、流畅、绘图整洁、符合标准规范、字体工整；2、基本概念、基本理论及专业知识掌握扎实，运用灵活；设计思路、设计内容、计算方法及结果、计算机运用正确无误；3、试验数据的获取（软件调试方法及过程）试验过程（调试过程）的正确性；4、电子基础课程设计的结论，存在的问题，研究结果的创新性；目 录1 前言 （5）2 设计方案2.1 方案一 （6）2.2 方案二2.2.1设计思路 （7）2.2.2系统框图 （11）2.2.3原理图及工作原理 （11）2.3 方案比较 （14）2.4 PCB板设计2.4.1PCB板图 （15）2.4.2元器件清单 （16）3 电路安装调试3.1 仪器仪表及安装 （17）3.2 测量参数 （17）4 结论 （17）5 参考文献 （18）6 致谢 （19）1 前 言可调基准电压源与传统的电源相比，具有电路新颖，功能奇特，性能先进，种类繁多，应用领域及其广泛的特点。目前我国已成为世界上生产电源及电源模块的大国，国内外生产的基准电压源多达上千种，而的应用领域非常广泛，几乎所有的数字仪表都用到基准电压源，它们可以是独立的、也可集成在芯片种。它根据电压温度系数的大小，大致可分成三类：精密型基准电压源、准精密型基准电压源、普通型基准电压源。传统电源成本高、结构复杂、可靠性低、输出没有变压，在使用过程中不方便，设想是否可设计一种输出可调且电压稳定度高，不受环境温度变化的影响的电源。稳压管的静态工作电流较大，适合对功耗要求不高的应用场合，外部需要接限流电阻，只能流入灌电流及滞后电压大，其存在主要问题是长期稳定性差。随着科技的发展，带隙基准电压源渐渐发展起来，它可以解决传统的基准电压源的缺点，并实现其可调、稳定等要求。但带隙基准电压源也存在一些缺点及问题，其电源电压范围较窄且部分器件不能吸入电流，它适合低功耗应用场合。针对稳压管与带隙基准电压源的优缺点，在未来基准电压的发展道路上，应将其的优点结合，并避免其所产生的缺点，目前基准电压源在其稳定性能差、电源电压范围较窄及精度低等问题上还需进一步研究，来解决此问题。在实际应用中可用此基准电压源来给MP3、手机等数码产品做充电器，电压较稳定，而且可当作为万能充电器，根据其所需要的电压来调节基准电压源的输出电压来给各产品充电，相比于市场中的普通万能充电器来说，其稳定性好，对手机、MP3等数码产品电池损伤小，且普通万能充电器构造简单，工艺很粗糙，没有一定的规格，基准电压源可根据其需要来达到其要求，使其对产品的损害减小。根据人们的需要及对技术的要求越来越高，我们可通过创新来使基准电压源实现更多的功能，且基准电压源的成本低，为社会减少不必要的浪费，也符合国家节能要求。因此，在传统的基准电压电源基础上我们应勇于创新，创造出功能更多，精度较高的电源。2 设计方案2.1 方案一芯片LM317是集成的稳压芯片，用于正电压调压器，其额定电压的选择只需要一个电阻性的分压器，其主要性能如下：输出电压范围：1.2到37V 输出电流可超过1.5A 0.1的输入和负载调节率 用于高电压的浮动运行 全系列保护：限流、热断开和SOA控制 LM317T有一个最小负载电流的问题，即只有负载电流超过某一值时，它才能起到稳压的作用，在负载端接一个合适的电阻使其达到稳压作用。而LM317的 输出电压=1.25（1+ADJ端到地的电阻/ADJ端到+Vout端的电阻），所以其有一个最小电压值为1.25V，若要使其调到0V则考虑在其输出端加个-1.25V电压，使其电压抵消而等于0V。要使它两端有个稳定的-1.25V可考虑使用稳压管，但稳压管的稳压电压要为1.25V。通过滑动变阻器来调节阻值即调节ADJ端到地的电阻来使LM317达到所需的输出电压。根据以上思路得其系统框图如图【1】所示：输出LM317直流电源(此处两箭头应反向)滑动变阻器稳压管图【1】系统框图稳压管要求其稳压电压为1.25V，则可得输出从0V调起，但由于市场上没找到稳压电压为1.25V的稳压管，而采用了稳压电压为2.2V，通过计算得R1=1.0K，R2=10K,R3=22，且稳压管型号为02BZ2.2,可得其输出电压近似为0V，大约为1mV，而最大电压也达到12V。由以上系统框图及计算设计电路原理图，其整体电路图如下图【2】所示：图【2】方案一原理图用EWB仿真测其输出电压最小只调到了830uV, 而最大达到11.92V，由于买不到所需型号的稳压管，且最小及最大电压没有达到所要求的值即未达到0V8V连续可调，所以放弃此方案。2.2 方案二2.2.1 设计思路根据基准电压源的特点及其原理，可用稳压管来获得基准电压，而用集成运放、电位器、电阻、三极管来构成基准电压源。当稳压管被反向击穿时，其稳定电压（即击穿电压）基本保持不变。它在工作时需要串联一只限流电阻。其主要优点是成本低廉，缺点是稳定性差、高温度漂移、功耗及噪声较高、输出阻抗较高。但其稳压范围很宽，输出功率很大。此设计选用三个稳压管，其型号分别为两个2CW61,一个2CW107。2CW61的稳压电压为12.514V，工作电流为16mA，2CW107的稳压电压为8.5-9.5V，工作电流为5Ma.集成运放采用的是芯片F007。F007属第二代集成运放，采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护、不需要外部频率补偿、无阻塞和振荡现象、输入由过压保护等。它是仿国外型全补偿通用运放，不需外接补偿，广泛用于模拟运算，电压比较器、程序控制、信号的放大处理交换等电子电路中。它由偏置电路、输入级、输出级和中间级构成。其内部框图如图【3】所示： （此图中各信号线都应加箭头）图【3】F007内部框图偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。输入级对集成运放的多项技术指标起着决定性的作用。它的电路形式几乎都采用各种各样的差动放大电路，以发挥集成电路制造工艺上的优势。中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，有时还要完成双端输出变单端输出，电位移动等功能。输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。其内部原理电路图如下图【4】所示：图【4】F007内部原理电路其引脚图如下图【5】所示： 图【5】F007引脚图其基本接线图如下图【6】所示：图【6】F007基本接线图F007的电参数如下表（1）所示：表（1） F007电参数但由于市场上没买到F007而使用LM741代替。LM741的管脚图如图【7】的(a)所示，其特点是电压适应范围较宽，可在518V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为15V和30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零，如图【7】的(b)所示。 图【7】管脚图及调零电路图LM741的功能与F007基本相同2.2.2 系统框图稳压管来获得基准电压，用滑动变阻器来实现其可调，其系统框图如下图【8】所示：反 馈直流电源输 入输 出放 大基准电压可调（此箭头应反向）图【8】方案二系统框图直流电源接电阻（其保护作用）将电压输入集成放大器，并接稳压管，使稳压管产生反向击穿电压而获得基准电压送入运算放大器中，并在输入端接入一个反馈电阻，反馈电阻另一端接滑动变阻器滑头，来改变电位器阻值，而三极管将运放的输出电压放大。电路根据滑动变阻器阻值的不同而得到不同电压值，使其输出可调。2.2.3原理图及工作原理设计各单元电路如下输入电路：输入电路由输入保护电路和输入基准电压电路组成输入保护电流由稳压管D1和D2及一个限流电阻组成根据D1、D2型号求得限流电阻，取稳压管稳压电压为13V，工作电流为16Ma,则输入基准电压电路由稳压管D3及电阻和滑动变阻器组成所以得其单元电路如图【9】和图【10】 图【9】输入保护电路 图【10】输入基准电压电路放大及反馈电路：此电路由集成运算放大器LM741及三极管组成，三极管起稳定作用而运算放大器的 ，运放与三极管的工作电压为，根据以上公式求得当时，要求，则说明应远小于，取；当即滑动变阻器的中间值时，要求其输出最大，达到;通过计算的，根据参数计算的其放大反馈电路如图【11】所示：图【11】放大及反馈电路根据各单元格的设计及系统框图设计其原理图。其设计思路是将直流电源通过输入保护电路，输入保护电路在电路中其保护整个电路的作用，防止电路中电流过大而损坏器件，而根据稳压管的特点，若其反向电压过大会产生反向击穿，即产生了一个基准电压，再通过一个电阻来输入给运放的输入端，当放大电路工作，运放及三极管工作电压都为，其达到工作电压，从而输出稳定的电压，而运放的放大倍数通过反馈电阻与输入电阻的比值的改变而改变，其反馈电阻应用一个滑动变阻器，从而实现可调。 如图【12】所示：图【12】方案二电路原理图通过计算得其最低输出电压可达到，改变滑动变阻器阻值来得其输出电压可调，连续可变，最高电压达到,可实现课题要求，故采用此方案。工作原理是、组成稳压管保护电路，为其工作时的限流电阻，为输入提供一个稳压电压，当其反向电压达到一定值时产生反向击穿，而电压值保持在其稳压电压，将电压提供给集成运放的输入端，由于集成运放的放大倍数，通过电位器阻值的改变来改变运放的放大倍数，从而来获得输出电压，再经三极管的稳定作用输出。当时约等于，其输出亦为，当时，根据可求出其放大倍数，得其输出电压。2.3 方案比较方案一所用元件相对较少，电路简单清晰，但最终无法调到0V，其原因是稳压管的稳压值没达到所需要的值，而且各元件值有相差。在实际应用中此类型电路应用较广泛，不过其要求不一定是从0V开始可调，较多数都是从其基准电压1.25V开始调起。此电路可称为是可调式三端稳压源，可根据各端电阻值的改变来达到其所需要的电压值。而方案二所用元件相对方案一较多，其原理也较简单，通过稳压管来获得基准电压，并用两个稳压管来组成其保护电路，使用集成运算放大器来放大其电压，放大器的放大倍数通过其反馈阻值与输入阻值的比值的改变而改变，使电压能连续改变，且能使其输出准确的达到0V，但由于元器件未能买到完全一样的而当F007用LM741代替了，可能会使结果有一些偏差。2.4 PCB板设计2.4.1 PCB板图根据其原理图画出其PCB板图如下图【13】所示：图【13】PCB板图1由于布局不清晰，看不出元件的参数，通过小组讨论采用如图【14】的PCB板图图【14】PCB板图2此PCB板排列清晰，一目了然，且布局整齐，便于焊接电路板。2.4.2 元器件清单根据原理图得其元器件清单如下表（2）所示：表（2） 元器件清单Part TypeDesignatorFootprintDescription1.3KRfaxial0.41.5KR4axial0.42CW61D1DIODE0.4Zener Diode2CW61D2DIODE0.4Zener Diode2CW107D3DIODE0.4Zener Diode3CG23DTto-92APNP Transistor10KR5axial0.410KR3axial0.433KWTO-126Potentiometer130R1axial0.4180R2axial0.4741IC13 电路安装调试3.1 仪器仪表及安装主要仪器：直流电源、电压表、电流表、示波器、欧姆表电压表与电流表及欧姆表用万用表代替，用万用表的欧姆档测量每个电阻的阻值以检测电阻元件的好坏。稳压管的正负极确定直接从元件上读取，有黑色一杠的表示正。根据电路图的各部分功能确定元器件在实验箱的插接板上的位置，并按信号的流向将元器件顺序地连接。 导线直径应和插接板的插孔直径相一致，过粗会损坏插孔，过细则与插孔接触不良。为检查电路的方便，根据不同用途，导线选用不同颜色。连接用的导线紧贴在插接板上，避免接触不良。尽量做到横平竖直，便于查线和更换器件。根据PCB板焊接电路，要看清每个元件是怎么接的，在焊接电路板时，每焊一个元器件都用万用表测量其是否有电流或电阻、电压，以保证其焊接成功，并再次检查板上元件是否和PCB板上相同，保证它的准确性。电路板焊接完成后，用导线引出去正负接线头及输出接头以便输入与测量输出。用直流电源提供30V电压，以达到电路所需输入电压。3.2 测量参数输出电压范围三极管各端电压值为：当时， 当时， 当输出电压为2V时，在输出端并联一个电阻通过计算得其电流为根据课题要求其精度要达到0.04%，则其电流应为0.9996Ma,由于在测量精度时电压加得过大使集成运算放大器烧坏，其放大倍数改变，再此测量其输出电压其最大只达到了0.5V。4 结论所接电路板输出未能达到0V8V可调，其最大输出电压只达到了5.2V,由于元器件的更换，及各元器件的误差未能达到所要求的，在调试过程中，由于没有把握好输入电压的值而电路板几次烧坏，电压过大，使电阻烧了，最后检查由于R2的阻值过小而使其两端压降太大，而无法达到要求。并且，通过测量运放与三极管的工作电压也不等于，说明此电路的各参数有错误，而通过计算得其输出可调范围能达到0V8V，此方案还有待改进，可考虑改变其输入电压或电阻来实现。对比于方案一，此方案能实现由0V可调，且思路清晰。通过此次课程设计懂得的要做好一个课题需从最基础的元件开始，对于此次课设，由于开始没有认真对待，对电路及其工作原理不够了解，最近这个星期通过去图书馆借书及网上查资料对此电路有了了解，原来对集成运算放大器不了解，并不知道它的放大倍数可通过改变其反馈来改变，看了集成运放的介绍与说明后懂得其基本工作原理及其各个接口的作用。通过这个课题的实践，懂得了稳压管及其集成运算放大器、三极管的工作原理，也懂得了基准电压源的特点、分类及其工作原理。希望以后可以有各种不同的课题，来丰富自己的课余知