现代电子技术综合实验.ppt

1,现代电子技术综合实验,电子工程学院实验中心,E-mail：chenxueying,2,实验任务,实验内容,实验仿真,实验器件,实验仪器,实验报告,课程内容,3,实验任务,系统功能分析与设计方案选定,系统原理设计与仿真验证,系统PCB设计与装配,系统调试与故障分析,撰写总结报告,返回,4,实验内容,一、实验要求 设计一个用于楼道路灯的声光控制开关：白天灯不亮，夜间在声音的作用下使灯点亮，灯亮20秒后自动熄灭，要求电路简单、成本低、安全可靠 设计一个夜间使用方便的灯控开关：用气囊哨声开关灯，抗干扰能力强，一般的说话声、打击声不能开关灯，要求电路简单、成本低、安全可靠 在老师引导下学生自主完成：系统的方案设计，原理图设计与仿真验证、 PCB设计与装配、系统调试与故障分析、撰写总结报告,返回,5,二 、方案设计 1、原理框图,声光控制灯开关,6,2、原理简述 声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变 的控制信号，该信号经延时电路达到设计要求时间，经执行机构直接控制负载动作，处理电路如下图：,声光控制灯开关,7,三、单元电路设计 以楼道灯控开关典型电路为例,见下图:,图中分为电源、放大、信号处理、延时、执行机构等五大部分,声光控制灯开关,8,1、电源设计 电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流 全波整流；Lc、Rc滤波；三端稳压器稳压等。具体 采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构 不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。 电源的设计结构如下：,声光控制灯开关,9,本系统电源设计结构,220V的交流市电经电容C1、1降压，D1、2整流，C2滤波，R2和稳压管稳压后输出稳定的直流电压 电源参数的选定 （一）负载电压，电流的选用与估算： 负载由两级晶体管放大，MOS型D触发器和可控硅组成，估计需用最大电流约25mA，电压选用12V。,声光控制灯开关,10,（二）稳压管及R2的选用 稳压管的作用是尽量减少因负载的变化和电网电压的变化，引起的输出电压的改变。本例的稳定电压12V，电流变化的范围约5mA至40mA，以此确定稳压管的参数 R2决定了向稳压管和负载输送电流的总量，当R2选得太大时，供应电流不足。如负载Ro减小，使Io增加到流人稳压管的电流小于5mA时，就不能稳压；Ro太小，也会因Io变小时，使流人稳压管的电流超过允许值，损坏稳压管。一般以R2上降压38V为宜。,声光控制灯开关,11,（三）C2及D1, D2选用原则 Dl做半波整流用，D2为反向保护二极管。二极管的主要参数是耐压和允许通过的电流。选用原则是增加一倍的富裕量，即管子耐压为反向峰值电压的两倍。允许通过的电流亦为实际电流的两倍。 C2起着滤波作用，为使脉动系数减少，须选用较大的滤波电容。如选用2200F，滤波电容的耐压一般选为稳定电压的3.52倍。,声光控制灯开关,12,（四）C1、Rl的选用 R1为C1的泄放电阻，选用1M、 W即可。 C1为市电220V的降压电容，以负载电流30mA为依据，计算电容的大小。 为市电50Hz角频率。 选用标称值0.47F，耐压400V的无极性电容器。,声光控制灯开关,13,2、信号放大电路(见下图),注：放大电路实现方法很多，除分立器件实现之外，还可采用运放作比较放大实现，也可采用与非门电路来实现等等,声光控制灯开关,14,放大电路简述 本放大器输入是音频信号，幅值约10mV左右。要使此信号控制后面的开关，要求放大器有约60dB的放大倍数，由于一级放大电路的倍数不满足要求，故采用两级放大。因用作开关信号，可让晶体管直接工作于开关状态，如上图。要求白天灯不亮时，可用光敏电阻做晶体管的偏置电阻，白天光敏电阻阻值小，基流大，使晶体管处于深度饱和，致使话筒传过来的声音信号，不能使其退出饱和达到放大的目的。晚上光敏电阻阻值很大T1饱和，T2截止，输入信号经1、T2放大整形后变成幅值为12V的一组不规则的脉冲信号。,声光控制灯开关,15,、 延时处理电路 为使放大电路输出的一群脉冲信号转变为灯开的单一状态控制信号，要求声音信号到来灯亮后，延迟一段时间自动熄灭可采用基本触发器或时基“555”来完成信号的延时并自动翻转。其用触发器作延时处理的功能如下:,声光控制灯开关,16,延时处理功能简述: 上图中D触发器的CP信号为声音信号经放大处理后变成的一组非规则脉冲信号，设D触发器的初态Q=“0”，Uc=0，R为0，D端恒为“1”，CP到达时，Q翻转为“1”，负载灯打开，电容C被充电，当R复位端的 Uc1/2VDD 时，触发器Q端被复位为“0”，灯熄灭。电容上电压逐渐放电到0，等待下次CP信号到来时Q又重新置”1”。这种电路用于楼道路灯开关，当人走近楼道发出声音时，灯亮、经过一段时间延迟后、灯自动熄灭。,声光控制灯开关,17,延时时间td的计算 利用电容充、放电原理延时的电路，其延时时间td的计算如下：当用MOS器件时，阈值电为 ，电容充、放电到 ，所须时间td皆为0.693RC，所以如选C=200F。要求td=15秒时 选R为110k或100k都能满足要求。,声光控制灯开关,18,用555作延时处理的功能如下图,CP,负载灯,声光控制灯开关,19,4、执行机构 通常作为开关使用的器件有晶体管、可控硅、继电器、集成电路等，而负载则为电灯 、电机等多种多样。声控开关的输出如能直接带动负载，就可以直接接上、如直流电机等，对于大负荷、交流市电等、声控开关的输出，还须去控制满足负荷要求的开关，如可控硅，继电器等，如负载功能更大，声控开关的输出还不能推动可控硅，继电器时，则须通过共集电路把信号电流放大后，再去触发可控硅等。可控硅的导通角是可控制的，其控制极电流IG的大小将直接影响灯的亮度，IG越大、导通角越大、灯越亮。经实验测试IG 10mA时，可控硅全部导通。,声光控制灯开关,20,执行机构电路如下图：,声光控制灯开关,21,四、系统设计仿真 用PSPICE软件画好系统的原理图，对设计的原理图进行模拟仿真的瞬态分析，根据静态工作点和输出波形失真情况及延时要求时间，修改各单元电路中的电阻、电容的设计数值，调试电路工作正常并以满足声光控制系统的设计指标和各级波形达到设计要求。参见课程内容的 部分。,声光控制灯开关,实验仿真,22,仿真波形图参考如下：,声光控制灯开关,23,五、系统的PCB设计与装配 （一）PCB设计 用OrCAD-PSPICE软件或Protel等软件对设计仿真好的系统原理图转换成PCB（印制板）图，要求元件排列合理、布线整齐。见本课程的 部分。 （二）PCB装配 对制作好的PCB板进行器件装配，装配之前需先进行以下的工作。,声光控制灯开关,实验仿真,24,元器件检测 （用普通万用表来判别元件好坏） 、驻极体话筒 用万用表来判断话筒的漏极和源极。首先将万用表拨至 档，黑红表笔分别接S.D两接点，记下所测阻值，比较两次测试值，阻值较小的那组测试，黑表笔的接触点为源极（S），红表笔的接触点为漏极（D）。 同样用万用表来判断其灵敏度的高低。具体为：将万用表拨至 档。黑笔接漏极，红笔接源极，同时接地，这时用嘴吹话筒，观看表头的指示。若无指示，则话筒失效；若有指示，则据指示范围的大小，说明其灵敏度的高低。,声光控制灯开关,25,驻极体话筒 检测结构如下图：,声光控制灯开关,26,、晶体三极管 用万用表的档分别测管子每两极间的正反向电阻。当用一表笔接一电极，另一表笔分别接余下两极所测得阻值较小时，则表笔固定接的那极即为基极b。如果是黑表笔接b，则此管为PNP管；反之即为PNP管。在余下的两极中先假定一极为集电极C，另一极为e，如果是NPN管，黑笔接，红笔接e；若是PNP管则相反。测试放大作用，并记住表针偏转位置；然后把假定的c、e极对换，再测试其放大作用，比较两次结果，其中偏转角度大（电阻小）的那次假设是正确的，这样c、e极也区发出来了。,声光控制灯开关,27,、二极管 将万用表拨至 或 档，当所测的电阻值较小时，所测的是正向电阻，黑表笔接的是二极管的正极、红笔接的是负极。 、电阻的测量 用万用表的欧姆档来测量电阻阻值。首先将万用表的开关拨至欧姆档的适当量程，然后进行调零（两表笔短接，调节“0”电位器，使指针指向“0”），接着对电阻进行测量。两表笔分别接电阻的两端，看表头的读数确定阻值的大小。注意：每次变换量程，都需重新调零。,声光控制灯开关,28,、双向可控硅 用万表来判别双向可控硅极性。首先将万用表拨至 或 ，分别测管脚间的正反向电阻。若测得两管脚间的正反向电阻很小（约100），则这两管脚为T1和G极，余下的即为T2。接着区分开T1和G极；任选一极为T1，将万用表拨至 ，不分表笔的正负，将两表笔分别接至T1（假设）和T2，在保持和T2相接的情况下和G（假设）相连，这时可看到阻值变小，说明此时可近代硅因触发导通而处于通态。再在保持和T2相接的情况下和G断开，若仍处于通态，则对换两笔表，重复上述步骤，如仍能处于通态，则假设成立，否则不成立。,声光控制灯开关,29,PCB板的检测与器件的准备 焊接器件之前先用万用表对照原理图检查PCB板的通断情况，对有问题的地方进行修改。同时对器件的管脚进行处理干净。对电烙铁头处理净。 PCB的装配 一切准备就绪之后，对照装配图用烙铁和焊锡与焊剂安装到PCB板对应的位置上，注意焊点要圆而光滑和牢固。,声光控制灯开关,30,六、 系统的调试与故障分析 （一）调试准备 仪器准备：准备好系统需要的具有开关性能的交流市电插座、函数信号发生器和示波器。用专用导线连接好PCB板需求的220V电源，220V的市电对人体有危险，应注意人体及仪表的安全 。 通电准备：打开电源之前先取下PCB上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的220V点上的值，同时检查板上的直流电源是否有输出，且直流值是否正确，一切完好之后再关掉220V电源插上集成块。,声光控制灯开关,31,（二）调试及故障分析 1、调试通用方法 打开电源，给系统加上激励信号源，如系统的啪手声、打击声，用眼睛直接观察灯泡是否亮和按时熄灭。如有问题，用万用表检查各点的静态电压值，用示波器检查各级的波形值（本着从输入到输出逐级检查的原则），观看各点是否符合理论要求，并对有问题的地方进行修改，直到完整为止，并记下系统各点的静态电压值和动态波形值。,声光控制灯开关,32,2、故障寻、检常用方法 直观检查法：通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。 电阻法：用万用表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位。 电压法：测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。 电流法：测量各级工作电流，即可找出故障源来。,声光控制灯开关,33,信号寻迹法：外加信号源提供的信号，观测信号的流程，找出故障。 替换法：采用已知性能良好的元器件来替换电路中被怀疑的元器件或分板（分块），找出故障。 分隔法：将本级的多个负载依序断开，观测故障所在。,声光控制灯开关,34,3、 本系统调试及故障分析 宏观检查： 用眼、镊子等工具检查是否有漏掉、虚焊、脱焊等现象。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。 电源检查 断掉电源的负载电路，用万用表测试电源的输出是否正确，如下图所示：,声光控制灯开关,35,用万用表检查各点间的阻值，与参考值对照，相差甚大时，查找故障所在,声光控制灯开关,36,信号采集、放大、处理、延时等电路的查： 电路图如下所示。,声光控制灯开关,37,延时电路调试：给D触发器加上12V的直流电压，断开D触发器的CP输入信号，直接加入信号发生器产生的标准单脉冲信号，看负载指示灯是否亮并保持一段延时自动熄灭。如果有问题检查连线或更换器件。 放大整形电路调试：给两三极管加上12V的直流电源用信号源FG1617代替话筒MIC（输出60dB,f=1kHz）示波器接至T2的集电极C2，灵敏度开5V/div，调节信号源的输出幅度及示波器的各开关旋钮，观测波形和