北京工业大学电子工程设计报告---第一阶.doc

电子工程设计一阶报告电子工程设计报告题目：稳压电源与变送器电路设计专业：电子信息工程小组：14组姓名学号：09024129 ；09024126 指导老师：司农完成日期：2009，10摘 要 电子工程设计训练是一门新开的实践教学课程，其宗旨是以课堂教学的形式，根据训练内容，提出功能和指标，通过训练，培养每一个学生的电子工程设计方面的综合实践能力，初步了解在完成一个工程课题时所应具备的基本条件和素质。电子工程设计全部三个阶段的任务是设计小型温度测量与控制系统 - 典型电子系统。包括采集温度，传感，变送，A/D转换，单片机处理，D/A转换，驱动，控温几个部分。 其中第一阶段主要完成电源，变送器的设计与制作，调试。电源部分：为其他模块供电。由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。完成将市电交流电压变为所需要的低压交流电，交流电变为直流电，不稳定的直流电压经滤波后，变为稳定的直流电压输出。输出+12，-12，+5V直流电压（包括整流桥，电容滤波，稳压）。变送器部分：将输电流通过集成运放op07转化为输出0-5V电压信号（对应于0-100 ）。 目录第一部分 直流稳压电源设计与实现一 需求分析4二 方案选择4三 电路设计6四 电源调试方法及注意事项10五 直流稳压电源PCB图11第二部分 变送器设计与实现一 需求分析12二 电路设计12三 注意事项16四 变送器PCB图17第三部分 体会与总结18第四部分 致谢18第五部分 参考文献及其他18第一部分 直流稳压电源设计与实现一、需求分析由于元件所限和电路较为简单，采用统一电路，共三组电源，其中有（+5V，1A）（+12V,1A）（-12V，1A）二、方案选择（1）集成线性稳压电路纹波、噪声小；效率低；实现电路相对简单，成本低（2）集成开关稳压电路效率高；纹波、噪声大；实现电路相对复杂，成本较高交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的角度考虑应选择集成线性稳压电路的实现方案。（一）线性稳压电路特点：利用晶体管进行电压调整电压调整晶体管工作在放大区 适用于低压差、小功率的场合集成线性稳压电路（三端稳压器） 采用带隙（能隙）基准电压电路 温度稳定性好、噪声小 多种保护措施 过流、断路、过热保护 无需其他外围元件使用方便无需调整（二）开关稳压电路特点：调整管工作在开关状态输入和/或输出电流不连续 适用于高压差、大功率的场合采用储能元件维持输出电压稳定电路复杂、外围元件多、对元件要求高开关稳压电路基本类型及其特点串联（Buck）型 Vo Vi（升压），输出电流不连续电感储能（Buck-Boost ）型 输出电压不限并反向，输入输出电流均不连续Cuk型 输出电压同上，输入输出电流均连续其中：各种开关电源电路均从以上4种基本型电路引申而来，开关电源电路复杂，不易实现。三、电路设计原理图：220V市电经变压器变压后，得到50HZ正弦交流电压。输入到整流桥输入端，正负半周分别导通得到恒为正的直流电压，经电容滤波，减小波动，再经三端稳压器得到所需稳定直流电压。稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器：将市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器：将交流电变为直流电。稳压器：将不稳定的直流电压经滤波后，变为稳定的直流电压输出。（一）变压器将市电交流电压变为所需要的低压交流电。（二）整流器整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。本实验采用桥式全波整流电路。1. 半波整流电路半波整流原理 半波整流电路分析2全波整流电路原理图全波整流电路等效为由两个半波整流电路合成。在线圈中引出大小相等但极性相反的两个电压E2a、E2b，形成2个回路 E2a、D1、Rfz和E2b 、D2 、Rfz 。分析图3桥式整流电路正半周期负半周期E2为正半周时，对D1、D3加方向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成E2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压； E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成E2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。最终电路选择方案三：桥式整流电路。整流后，经电容滤波：将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 滤波电路 原理图 ：通过电容进行滤波，可以对比滤波前后的波形：（三）稳压器三端集成稳压电路为固定输出正压(或负压)，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V共7种。其中7805稳压输出为5V，7812和7912稳压输出为12V为了保证稳压器能够正常工作， 要求输入电压Ui与输出电压Uo的差值应大于3V。压差太小，会使稳压器性能变差，甚至不起稳压作用；压差太大，又会增大稳压器自身消耗的功率，并使最大输出电流减小。厂家对每种型号的稳压器都规定了最大输入电压值。一般取UiUO为37V。三端稳压器属于功率半导体器件，一般需要加装散热片。下图为管脚序号示意图：四、调试方法及注意事项1现在学生调试台上进行调试， 插上电源板后，打开试验台电源，如果焊接良好，电源板正常工作，工作台上方三个红色指示灯亮。2故障诊断流程图：3在学生试验台上调试完成后，将电源板插到教室前方调试台上，若整个温度控制系统运行良好，则说明电源板焊接良好，调试完成。4注意事项1）电源板焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试；2）测试时，电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有9V、14V的插座连接，左插座悬空；3）连接完毕后，打开调试台电源远离电源板12分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试；4）用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出。5）若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复2、3、4的步骤。6）输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的设计工作结束。否则，检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题。五、直流稳压电源PCB图第二部分 变送器设计与实现一、 需求分析温度变速器实现一个具有较高精度和稳定度的直流放大器，是将传感器输的信号转变成采集电路所需的信号。为降低误差，在设计中要考虑电路元器件的温漂、时漂和噪声问题，建议用OP07运算放大器。温度变送器输出电压0-5V（对应温度0度100度）二、电路设计采用恒压补偿原理变送器电路原理图恒压补偿变送器电路标定方法设置T = 0，调整VR1阻值，改变取样电压，使V0=0V设置T = 100，调整VR2阻值，改变放大器增益，使V0=5V以上操作重复23遍，标定工作完成。特性分析1AD592 特性分析T() 1uA/当T=0时i1=273uAi2-i1=100uA当T=100时i2=373uA2. 变送器特性分析电路图分析曲线当T=0时vo=0V当T=100时vo=5V综上得出 5V/100 = 0.05V/3. 电流电压转换电路方案 电阻取样电路当T = 0时i = 273uAVi=0.273V当T = 100时i = 373uAVi=0.373V 运算放大器电流电压转换电路i1=0i0=0Vo=Ri0=5Vi2=i0-i1=i0Vo=Ri0=0VT = 0T = 100V1=V2=0i0=100uAi0 = 273uAi0 = 373uAVo=Ri0Vo=Ri0=5VVo=13.65VVo=18.65V4运算放大器电流电压转换电路的平移方案（1）AD592的恒流补偿电路T = 0i1 = 273uAi2 = 273uAi = 0uAT = 100i1 = 373uAi2 = 273uAi = 100uA（2）平移后的电流电压转换电路特性V1=V2=0Vo=50(i1- 273)10-3i2= +V/R1 = 273uAi1 = 273uA(0)Vo=0Vi = i1- i2=i1- 273uAi1 = 373uA (100) Vo=5V5电阻取样电路的平移方案（1）电阻取样恒压补偿电路Vs= -0.273VT = 0VR = 0.273VVi=VR+VS=0VT = 100VR = 0.373VVi=VR+VS=0.1V 用同相比例放大电路实现设计要求V1=Vi, V0=V1(1+Rf/Rl)T=0, V1= 0V, Vo= V1(1 + Rf /R1)=0VT = 100, 0.1V, Vo= 0.1(1 + Rf /R1)=5V解得：Rf /R1=49稳压电路 为恒流补偿电路提供稳定的电压稳压二极管 D1 工作电流取 3mA 限流电阻 R1=（12V-3.3V）/3mA=2.9kR1 取 3K恒压补偿电路 提供 3.3V 恒定压降电阻R2+VR1=3.3V/273uA=12.1R2 取 10K，VR1 取 5K增益控制电路 控制输出满度电压为 5V满度输入电压为 100uA*12.1K=1.21V电阻R4+VR2=5V/1.21V=4.13KR4 取 39K，VR2 取 5K 恒压补偿变送器电路标定方法设置T = 0，调整VR1阻值，改变取样电压，使V0=0V设置T = 100，调整VR2阻值，改变放大器增益，使V0=5V以上操作重复23遍，标定工作完成。三、注意事项1. 滑动变阻器的使用 电路中电阻的阻值需要调整的可以使用滑动变阻器。使用中滑动变阻器应串接电阻，使滑动变阻器单位旋转角度的阻值变化尽量小，以保证调整更精确，并减小各种因素对阻值稳定的影响。2. 稳压二极管的使用 为了获得稳定的电压，可以利用稳压二级管的反向击穿特性设计稳压电路。使用中应注意稳压二极管只有通过一定的电流的情况下，才能获得稳定的电压，应正确计算限流电阻的阻值。3. 电路干扰的抑制 可以在直流放大电路的负反馈电阻上并接电容来降低交流增益抑制噪声。但是电容不宜太大，否则会延长放大器对于被测信号的响应时间。4. 模拟/数字电源的区分使用 模拟电路与数字电路的电源尽量分开，否则会产生不良耦合，干扰模拟测量电路的正常工作。5. 限幅电路设计注意 限幅电路由限幅二极管和限流电阻组成，用于保护后级电路。限流电阻不可以没有，也不可以太大，否则会造成信号衰减，影响测量精度。6故障诊断流程四、PCB图第三部分 体会与总结在这次第一阶段实验中，我们的整体情况不是很理想。在焊接电源板的过程中，尽管板子上已经有线，省去了很好不必要的线。但是我们焊的板子的线还是有些线短路了。我们插在实验台之后，很幸运的是电容没有爆炸。但是只有一个正12V有显示。其他两个都没有反应。开始的时候我们以为是后面焊的有些线虚了或者有些线断了。我们及时的把板子拿下来检查，庆幸的是在我们不断轮流的检查中，发现有一根线掉了，有一根线练错了地方。这充分的说明了我们的焊接水平还有很需要有进一步的提高。之后我们在插上实验台发现这次多亮了一个等，而负12V的怎么也是不亮。我们又那先来反复的检查线路，但是始终没有发现问题。这使我们百思不得其解。我们只好拿着万用表一个个的来测试每一根线是否导通。但是还是没有反应。最后我们把注意力转移到器件上，终于发现是保险管烧了。之后的变送器也是有很大的一个周折我们才做出来的。但是这次不是焊接的问题。而是电路最初的原理图设计的问题，其中开始时分配的分压电阻就不够满足1:5的要求。而且在这个比例当中，我们的滑动变阻器的阻值偏小。导致在调整滑动变阻器的阻值调零的时候，电压没有什么反应。之后我们把几个电阻短路，又并联上一些电阻来减小电阻的阻值。之后又剪了几个对结果没有什么实际影响的op07芯片的保护电容来腾出些地方来焊接电阻。最终终于完成了这个变送器。在这次的实验当中，我们还通过Protel9