北工大电子工程设计任务书.doc

第1章 概述第1章 概述1.1 课程简介电子工程设计是电子信息工程、通信工程、自动化等多专业本科生必修的实践类课程，按课程设计进行管理。该课程以小型电子系统的设计为载体，使学生了解产品研发的一般过程，掌握产品设计的基本方法，积累初步的实际工作经验，为从工科大学生向工程师的角色转换做好准备。1.2 设计题目电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。完成上述设计工作涉及传感器、非电测量、模拟电子技术、数字电子技术、计算机原理、接口技术、程序设计、自动控制、通信等知识应用，具有广泛的知识涵盖面。完成“小型温度控制系统”的设计，不需要特殊的电子元器件和专用仪器设备，作为一般的实践教学任务具有较好的可操作性。1.3 任务与安排1.3.1 小型温度控制系统设计要求在实施小型电子系统设计工作之前，应明确系统基本的功能、指标要求，采用的元件要求，以及结构安装要求等。本系统为教学实验系统，只提出功能、指标和采用元件的设计要求。 温度控制范围：0100 测温元件：半导体温度传感器AD592 温度控制执行元件：半导体制冷片 核心控制部件：C8051F系列单片机1.3.2 小型温度控制系统基本组成 图1-1 小型温度控制系统组成框图 受控对象：或称温度控制执行元件，为半导体制冷片。通过改变半导体制冷片电压的极性实现制冷/制热转换；通过改变半导体制冷片的控制电压（须有4安培以上的电流驱动能力）改变制冷或制热温度。 前向通道：包括热力学温度到电信号的转换部件（温度传感器），测温信号的处理电路（变送器或信号调理器），模拟信号到数字信号转换电路（数据采集单元）。主要完成温度测量工作，获取的温度数据经数据处理单元分析计算后，转换为显示数据通过人机交互单元输出显示。 后向通道：包括控制数据（数字量）到控制信号（模拟量）的转换电路（控制信号产生单元），提供电流驱动能力的电路（控制驱动单元）。数据处理单元以测量温度和设定温度作为基本参数，通过某种控制算法得到温度控制数据，通过后向通道实施对半导体制冷片的温度控制。 数据处理单元：以单片机为核心部件，通过编写程序完成数据采集，数据处理，温度控制，人机信息交互管理等工作。 人机交互单元：通过按键、编码器进行功能设定和数据输入，通过LED或LCD进行系统运行状态、运行结果等信息的输出。1.3.3 内容安排电子工程设计训练分为准备和实施二个过程，准备过程进行必要的知识和技能准备，实施过程进行系统的设计与实现。小型温度控制系统的设计又分为基本系统设计和扩展功能设计2个部分，扩展功能设计部分又包括多个设计题目。图1-2 小型温度控制系统扩展及延伸功能关系示意图电子工程设计课程的整个进程又分为三个阶段，每个阶段2个学分，60学时，独立为一门课程，分别为电子工程设计1、电子工程设计2、电子工程设计3。第一、二阶段（电子工程设计1、电子工程设计2）为强化训练，学生在教师的带领下完成温度控制系统基本部分的设计；第三阶段为自主训练，由学生在温度控制系统的扩展功能部分选择题目独立完成设计工作。1.4 专用实验设备电子系统的设计与实现需要从微观和宏观2个方向验证设计结果的正确性。微观上是指在设计、实现过程中对每一个模块或一个模块内部的局部电路进行检测，以确认电路的运行情况是否满足设计的预期。宏观上是指在完成所有硬件、软件的设计、实现工作以后，对系统总体性能与技术指标的全面测试。“微观检测”可以在模拟环境中进行：电路模块的激励信号可以由专用设备模拟产生，优点是可以对输出信号做任意改变或设置；控制执行部件的运行特性可以由专用设备进行软件模拟，安全、节能，并且保证了检测过程的可操作性。“宏观测试”必须在真实环境中进行：由真实的探测器为系统提供测量信号；用真实的执行部件反应系统的控制结果。精准测试出系统在真实环境中实际的运行性能和技术指标。不管是“局部检测”还是“全面测试”，也不管是“虚拟环境检测”还是“真实环境测试”都需要相应的设备支持，电子工程设计训练提供2款专用设备满足教学中对设计成果正确性验证的需求。“电子工程设计教学调试台”简称“调试台”，是专门用于在“虚拟环境”中进行“微观检测”的设备。调试台主要包括2方面的功能，一个是提供检测多数电路模块使用的测试信号，另一个是给出电路输出的测量结果。其辅助功能是为所有的电路模块提供互连通道，以及为人与设备之间提供信息交互通道。调试台除了可用于电路的功能检测外，还可以借助测试设备对不能正常工作的电路进行故障诊断和排除。“电子工程设计教学模板”简称“模板”，是主要用于在“真实环境”中进行“宏观测试”的设备。模板有二大功能：设计任务布置阶段的教学示范功能；系统设计与实现工作全部完成以后，在真实环境中的标定与测试功能。其辅助功能与调试台相同。- 61 -第2章 知识与技能准备第2章 知识与技能准备知识与技能准备包括四个方面的内容：元器件基本常识学习，电路焊接技能训练，工程图设计训练，电路模块的设计与实现训练。2.1 电抗元件的标称值及偏差2.1.1 电抗元件标称值的构成1基本构成由三个部分组成：数字+倍率符号+基本单位例：1.5+K+2基本单位分别为：电阻（欧姆），电容F（拉法），电感H（亨利）3信率符号T（太）1012G（吉）109M（兆）106K（千）103m（毫）10-3u（微）10-6n（纳）10-9p（皮）10-124数字元件标称值的数字部分是按照一定的数字规律产生的，不是任意的。通常分为若干个系列，用如下公式计算得到。E通常取24，12，6，计算结果四舍五入，计算出的数值通常称为E24，E12，E6系列。E6系列 1.01.52.23.34.76.8E12系列 1.01.21.51.82.22.7 3.33.94.75.66.88.2E24系列 1.01.11.21.31.51.61.82.02.22.42.73.03.33.63.94.34.75.15.66.26.87.58.29.1通常E24系列用于普通电阻的标识，E12系列用于小电容的标识，E6系列用于误差较大的电解电容的标识。每一个系列只能取若干个值，密度最大的E24系列也仅取24个值。也就是说，如果在产品设计中需要1支1.4K的电阻，市场上是买不到的，只能就近取1.3K或1.5K，或用1.3K串接100的电阻得到。还有一种方法就是去生产厂家订做，但需要有一定的订货量，并且成本较高。2.1.2 电抗元件标称值的偏差电抗元件的实际值与标称值之间有一定的偏差，偏差大小由生产过程决定，通常电抗元件的偏差值专门进行标注，表示方法有百分数标识和字母表示二种。精密元件（电阻）的偏差表示百分数表示 英文字母表示 BC D FE24，E12，E6系列一般电抗元件的偏差表示百分数表示 英文字母表示 J K M罗马数字表示 2.1.3 元件参数表示方法1直标法将元件的参数直接标示在元件上。例如：56nj63 表示容量5610-9 F，精度为5 % 耐压63V的电容。2数码法用数字表示倍率富豪的方法，NNZ。其中NN为二为有效数字，Z为“0”的个数。例如：排阻上标有152J，表示阻止为1500，精度为5 %的排电阻。3色码法用颜色表示数字，倍率符号，偏差的方法。“棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑”分别表示“1、2、3、4、5、6、7、8、9、0”10个数字。用“金、银、无色”分别表示5 %、10 %、20 %三种偏差。例如：电阻上标有“黄、紫、红、金”四种颜色环，则表示电阻的阻值为4700，精度为5 %。例如：电阻上标有“橙、橙、黑、棕、红”五种颜色环，则表示电阻的阻值为3300，精度为2 %。标有4个颜色环的电阻前三环为电阻阻值最后一环为阻值偏差。前三环中最后一环为“0”的个数，前二环为有效数字。标有5个颜色环的电阻前四环为电阻阻值，最后一环为阻值偏差。前四环中最后一环为“0”的个数，前三环表示有效数字。2.1.4 元件参数标识习惯1电容电容的容量标注通常省略基本单位F，仅保留有效数字和倍率符号。一般情况下倍率符号p也做省略处理。2电阻电阻的标注通常省略基本单位，仅保留有效数字和倍率符号。即无基本单位也无倍率符号的标注表示为。3电感通常不作省略处理。2.2 电路板焊接常识及要求2.2.1 焊接工具及焊锡焊接主要分为熔焊、压焊、钎焊三种，电路板的焊接指的是钎焊中的锡焊。锡焊又有手工烙铁焊、波峰焊、再流焊（主要用于表面安装元件的焊接）三种焊接工艺，电路板的人工焊接采用手工烙铁焊。锡焊的熔接材料为焊锡，称为焊料，被焊接的金属称为焊件。锡焊实际上是按一定比例混合的铅锡合金，目的是降低熔点，铅锡比不同熔点不同。为了保护焊件，焊锡的熔点一般低于200。为了焊接牢固焊锡的熔点也不是越低越好。用于手工烙铁焊的焊锡为丝状，习惯称为焊锡丝，内含助焊剂，加热时助焊剂蒸发起助焊作用。助焊剂完全蒸发后焊锡流动性变差，因此加热时间不宜过长，12秒为宜。手工烙铁焊接使用的电热烙铁按供电方式分为高压供电和低压供电二种，低压烙铁通过电源变压器将 220V 高压交流电变换为24V低压交流电，在通过电热丝加热烙铁头，可以有效保障焊件和人身的安全。电热烙铁按其工作方式还分为控温与不控温二种，控温电热烙铁又分为恒温和调温二种。恒温电热烙铁，是利用磁控开关和铁磁材料的居里效应实现烙铁的恒温控制。调温电热烙铁可以人为设定烙铁温度，通过传感器测试烙铁头的温度，通过电子电路对设定温度和测试温度进行比较，通过电子开关或机械开关控制烙铁电源的通断达到控制烙铁温度的目的。调温烙铁的温度不可以设置过高，否则烙铁头会快速氧化。2.2.2 焊接准备工作1烙铁棉加水烙铁棉用于清理烙铁头，但必须在湿润的状态下使用，否则容易破碎，清理效果也不好。烙铁棉加水时应按规定方法操作注意安全。2清理烙铁头烙铁头使用一段时间后，由于氧化作用表面会生成一层氧化物质，影响焊接操作和焊接质量。因此在烙铁使用中，应该经常在烙铁棉上清理烙铁头，保持烙铁头清洁。由于烙铁头为铜金属制品质地较软，为延长使用寿命烙铁头做了硬化处理，所以不要用硬物强行清除烙铁头表面的氧化物质，以免造成硬化层脱落影响烙铁头的使用寿命。3剪腿、剥线焊接前要对焊件进行处理，电路板的焊接焊件主要为电路板的焊盘、元件的引脚、导线的线头。对于电阻、电容这类引脚比较长的元件，要将引脚剪短。对于导线，要剥除焊接部分的护套。元件引脚长度以在焊接面露出23毫米为宜。过长，影响焊接，同时还吸收烙铁头的热量。过短，可能造成漏焊或虚焊。导线的线头一定要短，对于普通导线由于焊接时塑料护套遇热收缩，更要短。高温导线线头不要超过1 毫米，普通导线 0.5 毫米。4引脚、线头润锡为了保证焊接质量，多数元件的引脚在出厂时已经做了润锡处理，这类元件可以不作处理直接焊接。但由于铅锡容易氧化，出厂时间较长的元件仍然需要重新进行润锡处理。导线的品种很多，有镀银的，有镀锡的，也有铜裸线。为保证焊接质量，铜裸线必须进行润锡处理，其他品种视氧化情况而定。不论元件引脚还是导线线头，润锡时掌握2个原则：一个是用锡要少；另一个是加热时间要短。润锡时助焊剂肯定要蒸发，用锡过多的话，后续焊接过程中，用于熔接焊件的焊料主要来自于元件引脚或导线的线头，焊锡由于助焊剂蒸发活性变差而影响焊接质量。加热时间过长，助焊剂完全蒸发也会影响后续焊接质量。2.2.3 电路板焊接方法1烙铁用法焊接时保证烙铁头与焊件、焊料有足够的接触面使热传导通路畅通，迅速加热，缩短焊接时间，保证焊接质量。烙铁头要少挂锡，焊接前后都要清理掉烙铁头上多余的焊锡。2主要焊接内容印刷电路板焊接主要包括如下几方面内容： 引脚焊接-元件引脚与焊盘之间的熔焊 单线搭接焊-在已经焊好的元件引脚上，焊接一条导线 多线先后搭接焊-在焊接有导线的元件引脚上，再先后焊接一条或多条导线 多线同时搭接焊-在已经焊好的元件引脚上，同时焊接多条导线3焊接方法 引脚焊接接触顺序：引脚焊锡烙铁引脚烙铁焊锡焊锡烙铁引脚 单线搭接焊接触顺序：导线焊锡烙铁导线烙铁焊锡焊锡烙铁导线 多线先后搭接焊焊接时首先固定住已经焊好的线避免脱落，采用与已经焊好的导线顺向或逆向的平行方向焊接焊点规则、美观。焊接顺序可参考单线搭接焊。 多线同时搭接焊线头可以稍微长一点，绞扭在一起后，润锡剪短。焊点挂锡（加热时间务必短），焊接时手抓导线可以不再用锡。如果是独自焊接，其他形式的导线焊接也可以采取这种方法。2.3 使用Protel99SE绘制电路原理图2.3.1 Protel99SE基本操作1启动Protel 99 SE2开始工作 建立工程文件 建立设计文件3结束工作2.3.2 绘制原理图基本操作1准备工作 打开或建立工程文件 打开或建立原理图设计文件 使设计窗口最大化 确定图幅A0（最大） A4 5种A （最大） E 5种选A4 调整图面显示PgUp 放大 PgDn 缩小Home 窗口以光标为中心移动工具栏按钮全屏显示 增删及选择元件库 选择画线工具箱2放置元件 选择元件 放置元件 移动元件直线移动旋转 Space翻转 X 水平 Y 垂直 元件放置确认3修改元件属性Lib Ref - 元件在库中的名称Footprint - 元件的外形构造参数Designator - 元件标号Part - 元件电器参数Part - 元件在整体封装中的序号4放置导线 选择线型Wire - 电连线 Bus - 总线 BusEntry - 总线交连 放置导线步骤：选择起点 - 选择拐点 - 选择终点5修改连线属性 连线尺寸smallest、small、medium、large 4种 连线颜色0238 共239种6元件引脚连线基本方法： 端点对端点交叉相连放置节点7放置节点 选择节点并放置 修改节点属性尺寸： smallest、small、medium、large 4种颜色： 0238 共239种2.3.3 其它操作1放置字符、放置网络标号、放置非电连线2元件、导线、节点、字符等单独移动3元件、导线、节点、字符等单独删除4成片移动、成片复制、成片删除5常用环境设置6生成、编辑库元件7属性的批量修改8转换为Word文档2.4 使用Protel99SE设计印刷电路板2.4.1 印刷电路板设计图绘制基本操作1创建印刷电路版图设计文档2基本环境参数设置 单位及网格设置操作命令：Design - OptionDocument Option - Option度量制：Matric（公制）Imperial（英制） 单位：mil(千分之一英寸)可视网格：Lines（线） Dots（点）捕获网格：50 mil (X、Y)元件放置网格： 50 mil (X、Y)电子网格： 8 mil (缺省) 显示选择操作命令：Design - Option Document Option - Layers信号层：Toplayer（顶层） Bottomlayer（底层）符号层：Top overlayer（顶端符号层）其它层：Keepout layer（禁止布线层） Multi layer（多层）其他选项可视网格1：显示/不显示 设为 100 mil可视网格2：显示/不显示 设为 1000 mil设计规则校验结果：显示/不显示网络连线：显示/不显示焊盘过孔图形：显示/不显示层状态栏：表明当前显示的层和当前打开的层 层颜色（推荐）选择操作命令：Tools Preferences Colors信号层：Toplayer 红（227）Bottomlayer 蓝（229）符号层：Top overlayer 黄（230）其它层：Keepout layer 洋红（231）Multi layer 灰（213）其他选项可视网格1： 白（233）可视网格2： 白（233）设计规则校验结果： 浅绿（228）网络连线： 深绿（225）焊盘过孔图形： 浅黄（218）背景： 黑（3）选中： 白（233） 封装库加载操作命令：Design Add/Remove Library封装库路径：Program FilesDesign Explorer 99SELibraryPCB封装库名称：Advpcb.lib 通用元件封装集合General.lib通用元件封装集合Miscellaneous.lib 主要为无源元件封装3放置元件 选择元件封装库 浏览封装名及图形 选择元件封装 放置元件封装 Place或双击封装名4编辑元件属性 进入元件属性编辑操作放置元件确认前按 Tab 键放置元件完成后双击元件图形 元件属性Designator 元件标号 例如：R1Comment 元件参数 例如：10KFootprint 元件封装名 例如：AXIAL0.4Layer 所在图层 在显示图层内选择Rotation 旋转角度 0360X/Y Location 所在图面坐标 099999milLock prims 封装元素锁定 可选Locked 位置锁定 可选Selection 圈选状态 可选5放置连线 选择当前工作层鼠标直选*键Top layer/Bottom layer 往复切换+键、-键 各层间正、反方向循环切换 选择放线工具Place Line 菜单选择View - Toolbars - PlacementTools工具箱选择 放线单面走线鼠标操作左键：选择起点、拐点、终点右键：一次，结束放线/二次，退出放线操作双面走线鼠标操作左键：选择起点、拐点、终点*键：换面右键：一次，结束放线/二次，退出放线操作6编辑连线属性 进入连线属性编辑操作结束放线操作前任一时刻按 Tab 键放置连线完成后双击连线 连线属性Width 线宽 在设计规则限定范围选择 Layer 所在图层 在显示图层内选择Net 所在网络名 例如：GND Locked 位置锁定 可选Selection 圈选状态 可选Star X/Y 起始点坐标 099999milEnd X/Y 终点坐标 099999mil7放置焊盘 选择放焊盘工具Place Pad 菜单选择View - Toolbars - PlacementTools工具箱选择 放置焊盘鼠标左键确认放置位置，直接放置8编辑焊盘属性 进入元件属性编辑操作放置焊盘确认前按 Tab 键放置焊盘完成后双击焊盘图形 焊盘属性X/Y size 焊盘X/Y方向尺寸 199999milShape 焊盘形状 圆形/方形/八角形 Designator 焊盘标号 例如：EHole size 焊盘孔径 199999milLayer 所在图层 在显示图层内选择Rotation 旋转角度 0360X/Y Location 所在图面坐标 099999milLocked 位置锁定 可选Selection 圈选状态 可选9放置过孔操作与放置焊盘相同10编辑过孔属性操作与编辑焊盘属性相同11放置说明文字 选择放说明文字工具Place String 菜单选择View - Toolbars - PlacementTools工具箱选择 编辑文字内容选中放置字符串功能后按“Tab”键，在“属性”选项卡的 “Text” 对话框中填入字符内容后确认。12编辑文字属性 进入文字属性编辑操作放置文字确认前按 Tab 键放置文字完成后双击文字串 文字属性Text 文本内容 限西文Height 字符高度 199999milWidth 线宽 199999milFont 字形 三种可选Layer 所在图层 在显示图层内选择Rotation 旋转角度 0360X/Y Location 所在图面坐标 099999milMirror 字符镜像 可选Locked 位置锁定 可选Selection 圈选状态 可选13其他操作 元件、焊盘、过孔、字符串单独移动 连线、焊盘、过孔、字符串单独删除 单个元件复制、删除 连线的移动 成片移动、成片复制、成片删除 生成、编辑元件封装 属性的批量修改2.4.2 手工绘制印刷电路版图1创建印刷电路板图设计文档2基本环境参数设置3确定印刷电路板外形尺寸选择 Keepout（禁止布线）层或 Multilayer (公共层）为当前工作层。在 Keepout或 Multilayer 层沿印刷电路板外轮廓放线。4放置元件5调整布局6放置连线7放置说明文字2.4.3 自动绘制印刷电路版图1完善原理图 原理图检查 封装检查 元件引脚确认2准备工作 建立PCB设计文档 确定电路板外形边界 装载元件及网络表 元件布局 选择设计规则连线走向选择 Routing layer连线拓扑逻辑选择 Routing Topology连线线宽选择 Width Constraint3手工预布线4预布线锁定5自动布线 Auto Route整板自动布线 All区域自动布线 Area网络自动布线 Net元件自动布线 Component飞线自动布线 Connection7布线拆除 Re-Route整板拆除All区域拆除Area网络拆除Net元件拆除Component第3章 简单电路的模块化设计与实现第3章 简单电路的模块化设计与实现一个比较复杂的电路系统，可以按照电路实现的功能或电路的类型分为若干个模块。其中有些模块与其它模块之间的界面清晰，入口参数和出口参数明确，能够独立工作，这类电路模块可以称之为独立电路模块。为了简化系统电路的设计工作，并且使系统便于组装、调试，这类电路模块可以单独进行设计、实现、调试和检测。小型温度控制系统中有三个电路模块具有上述独立电路模块的特征，可以单独拿出来进行设计、实现。它们是稳压电源电路模块，传感器信号调理模块（或称变送器）。控制信号驱动模块。3.1 直流稳压电源模块的设计与实现3.1.1 设计要求交流输入：9V14V2直流输出：+5V/1A12V/0.5A安装： 独立电路板结构3.1.2 电路方案选择1线性稳压电路 特点利用晶体管进行电压调整 动态响应特性好 纹波、噪声小电压调整晶体管工作在放大区 功耗大、发热量大 效率低适用于低压差、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2开关稳压电路 特点调整管工作在开关状态 功耗小、发热量小 效率高适用于高压差、大功率的场合输入和/或输出电流不连续 纹波、噪声大精密的模拟电路不适用采用储能元件维持输出电压稳定 动态响应特性差电路复杂、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 输出电压不限并可以反向，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。 DC-DC变换器利用开关稳压电路基本原理设计的集成开关稳压器，外围元件少，易于实现。例如：MC34063，可工作于Buck 或Buck-Boost型。输入电压：3V40V，开关电流：1.5A。 LM2574/5/6，可工作于Buck 或Buck-Boost型。输出电压：3.3V/5.0V/12V/15V/1.23V37V可调。电流：LM25740.5A/ LM25751.0A/ LM25763.0A。 LM2577 工作于Boost 型输入电压：3.5V40V，开关电流：3.0A 3电路方案 用集成线性稳压电路设计的电源电路方案图3-1 用集成线性稳压电路设计的电源电路方案框图 用集成开关稳压电路设计的电源电路方案图3-2 用集成开关稳压电路设计的电源电路方案框图 电源电路方案选择 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。 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。设计要求的交流供电电压低，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，或选择线性集成稳压电路与开关稳压电路相结合的电路方案。3.1.3 推荐直流稳压电路原理图1用集成线性稳压器设计的电源电路图3-3 全部采用集成线性稳压器设计的直流稳压电源电路图2用集成线性稳压器和DC-DC开关稳压器设计的电源电路图3-4 采用集成线性稳压器和DC-DC开关稳压器设计的直流稳压电源电路图3.1.4 安装结构图3-5 直流稳压电源安装结构示意图3.1.5 制作基本要求及注意事项1区分电路板的元件面和焊接面2. 焊接元件 先焊小元件 先安装结构件3按要求安装左右插座引出插针并焊接 所有插针全部与焊盘焊接不要遗漏 先焊少量插针确认安装到位后再焊其它插针 焊锡不要沾到插针上4安装集成线性稳压电路的散热片 将稳压集成电路安装在散热片上 确认稳压电路安装位置 对准电路板上为散热片预留的安装孔将稳压集成电路引脚插入对应的焊孔中 用螺钉将散热片固定在电路板上焊牢稳压集成电路引脚5安装保险管插座和整流桥DIP8脚插座并焊接6正确辨别电解电容的极性、耐压并焊接 极性不得接反 正、负12V电源整流输出的滤波电容耐压不得低于25V3.1.6 调试方法及注意事项对组装完成的电路模块进行测试是一项十分重要的工作。需要设计科学、严谨的测试方法，提供所需的激励信号，搭建完整的测试电路。目的是使被测电路或系统能够将所有的功能、指标、特性淋漓尽致地表现出来，同时也可以发现电路或系统在设计、组装上存在的问题以及所使用的原材料的瑕疵。直流稳压电源电路相对比较简单，电路的调试相对容易。调试台上提供了直流稳压电源电路必须的交流电源，按照下面的要求进行操作即可完成电路的基本测试工作。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。3.1.7 常见故障及其现象对于初学者，由于实际操作经验不足，很难保证设计、组装的电路一次成功。如果测试中发现电路不工作或工作不正常，则需要对电路进行故障诊断，以便排除故障完成测试工作。故障诊断和排除对于操作人员的知识、能力、实际操作经验有着很高的要求，能否快速、准确的找到故障的原因并加以排除，可以成为衡量一个工程人员是否优秀的重要标准。这里根据以往的经验，给出了部分故障现象和可能的原因，不全面也不唯一，仅供参考。故障原因故障现象 整流桥接错或损坏 无整流输出或输出不正常 集成稳压电路引脚接错或损坏 无稳压输出或输出不正常 交流输入中心抽头漏接 12V输出不正常 滤波电容漏接 输出纹波大 交流输入漏接 保险管无输入 保险管损坏 整流桥无输入 电解电容极性接反 电解电容发热或爆裂 电解电容耐压不够 电解电容发热或爆裂 直流输出漏接 无直流输出3.2 传感器信号处理电路模块的设计与实现3.2.1 设计要求测量温度： 0 100输出电压： 0V 5V测量误差： 满刻度1%（0.05V或1 ）负载阻抗： 30K限制条件： 0.7V 输出电压5.7V安装： 独立电路板结构3.2.2 测温元件选择测温元件选择主要考虑激励源、输出形式、电器特性三个方面。激励源主要考察是否需要激励源（有源或无源），激励源是电压源还是电流源，是否需要恒定激励源（恒压源或恒流源）。测温元件的输出主要关注输出是数字电量还是模拟电量。如果是模拟电量，其类型是电流、电压还是电抗。信号是平衡输出还是非平衡输出。电器特性主要包括灵敏度、精度、稳定性等。传感器的选择需要综合考虑设计要求、工作环境、成本等多方面因素，需要对所设计的系统由深入的了解，需要丰富的设计经验。在强化训练阶段推荐使用单导体温度测量元件AD592，该测温元件为电流输出，精度高、稳定性好，信号调理电路（变送器）易于设计。AD592主要特性： 供电：+4V +30V 温度系数：1uA/oK 0输出：273.2uA 工作温度：-25 +105 非线性误差：0.1 0.5 重复误差：0.1 时飘：0.1/月3.2.3 传感器信号处理电路设计传感器信号处理电路叫做信号调理器或叫做变送器。由于电子系统中主要的信号形式是电压，所以变送器的主要功能就是进行信号变换，包括信号形式的变换和信号幅度的调整，最终将传感器输出的不同形式的弱电信号转换为后续电路能够处理的标准电压信号。对于AD592输出的微安级的电流信号，变送器设计的主要任务是电流到电压的转换和电压信号的放大。另外相对于0 100的测温范围，AD592的电流输出范围为273uA373uA，也就是在温度测量的0点，传感器输出的电量信号不为0。为了信号后续处理的方便，变送器还要进行电压信号的平移处理，使得对于温度测量的0点，变送器的输出电压也为0。为了简化设计电路，变送器采用运算放大器作为核心运算元件。OP07是一款高精度、低漂移、稳定性好、成本低的运算放大器。推荐使用OP07进行变送器的设计。3.2.4 安装结构图3-6 变送器安装结构示意图3.2.5 设计要求及注意事项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。3.2.6 电路调试与标定变送器是信号变换电路，按照设计要求，输入电流在273uA373uA范围内变化时，输出电压的变化范围为0V5V，并且具有线性对应关系。调试台为变送器调试提供了AD592的测温信号，并且可以在-10+110之间任意设置。调试中，改变温度设置，AD592测温信号输出引脚上就会输出与设置温度对应的电流，如果变送器的输出电压与设置的温度同步变化，表明电路能够正常工作，可以开始标定工作。变送器在温度控制系统中是精密的测量电路，整个系统温度测量与控制的精度取决于变送器的测量精度，而变送器的测量精度又取决于其输入输出之间的信号关系能否得到满足。因此，变送器的标定就是通过调整电路设计中预留的可调元件，改变电路参数，尽最大可能提高输入电流与输出电压之间的实测关系与理论设计关系之间的匹配程度。3.2.7 常见故障及其现象当变送器的输出不跟随输入变化或有变化但通过调整仍然不满足预期的输入输出关系时，需要对变送器进行故障诊断和排除。为了使初学者少走弯路提高学习效率，下面给出了变送器可能的故障原因和对应的故障现象，仅供参考。故障原因故障现象运算放大器损坏输出不随输入变化运算放大器开环输出接近正或负电源电压放大器增益控制电阻过小输出达不到满刻度平移电路未工作输出不能到达0点平移电路元件选择有误输出不能到达0点接+5V保护二极管反接输出总是高于+4.3V接地保护二极管反接输出总是低于+0.7V保护二极管全部反接二级管全部烧毁保护电路限流电阻过大加载后输出有明显的衰减运算放大器电源漏接无输出运算放大器单电源漏接输出偏向电源一侧不随输入变化3.3 控制信号驱动电路模块的设计与实现通常信号或数据处理电路输出的控制信号，由于信号形式和信号幅度的原因无法直接推动控制执行部件正常工作，必须通过对信号形式的变换和对信号幅度的放大才能够满足执行部件控制的需要。小型温度控制系统通过对温度数据的运算、比较，发出温度控制指令和数据。对于以半导体制冷片为温度控制执行部件的温度控制系统，需要连续变化的电功率推动半导体制冷片的制冷和制热工作。通常数/模转换电路可以将以数字量形式存在的温度控制数据转换为连续变化的模拟电压，但其电流驱动能力十分微弱，必须通过电流放大电路提升控制信号的电流驱动能力，才能有足够的功率推动半导体制冷片工作。3.3.1 设计要求控制半导体制冷片的驱动电路实际上是一个电压增益为1的功率放大器，要求如下：输入电压： -10V +10V输出电压： -10V +10V电流输出能力：3A 输入阻抗： 1k负载阻抗： 3.5负载驱动形式：共地安装： 独立电路板结构3.3.2 控制信号驱动电路设计要求分析从根本上说，半导体制冷片还是电压控制，通过改变电压改变制冷、制热的温度。之所以提出电流的要求，是因为半导体制冷片的阻抗太小，如果不保证足够的电流驱动，就无法建立起所需的控制电压。因此，控制信号驱动电路的主要任务是在负载很重，并且很不稳定的情况下，保证输出电压在设计范围内尽可能跟随输入电压变化。从需求上讲，该电路是一个电流放大器，但如果讨论该电路的电流增益则是一件让人非常费解的事情。因为该电路的输入是电压，输出电流同时与电路参数、输入电压、负载三个因素有关，并且负载又极不稳定，因此无法写出该电路的输入输出表达式，试图用解析的方法对该电路进行分析与设计是很难做到的。控制信号驱动电路的前级通常为电压放大电路，为了设计、实现方便通常采用运算放大器作为放大元件，而运算放大器的短路电流一般也就是十几个毫安。所以，设计要求中提出了输入阻抗的限制，输入阻抗越大，前级放大电路的负担就越小。3.3.3 控制信号驱动电路设计在保证有足够的电流驱动能力的情况下，只要改变电压就可以改变半导体制冷片的温度。因此，可以用2种电量控制半导体制冷片的温度：幅度可变的连续电压；占空比可变的脉冲电压。数/模转换器是一种将数字电量转换为模拟电量的电路，脉宽调制器是一种将数字电量转换为可调宽度脉冲的电路，用这2种电路都可以将控制半导体制冷片温度的数据转换为控制半导体制冷片温度的电压信号。因此，温度控制数据到温度控制信号的变换电路不同，所需的控制信号驱动电路也不同。放大连续变化的模拟信号，应使用乙类推挽放大电路。而驱动可变脉冲信号，则需要使用双极脉冲放大电路。乙类推挽放大电路和脉冲放大电路是较为成熟的电路，可以找到大量的参考设计资料。借鉴成熟的电路方案，按照设计要求进行修改，将可以达成设计目标。3.3.4 安装结构图3-7 驱动器安装结构示意图3.3.5 设计要求及注意事项1电路保护的设计信号驱动电路的电压高、电流大，在调试阶段以及电路出现故障的情况下，极易损坏放大元件。虽然在设计要求中没有提出来，但在电路设计中需要考虑放大元件保护电路的设计。2功率元件的使用在微弱信号处理电路中，由于电压、电流均较小，在选用元件时不必考虑功率要求。在大信号驱动电路中，通过元件的电流可能很大，需要通过计算确认元件可能承受的最大功率，为元件选择过程中的功率参数确定提供依据。3.3.6 电路调试控制信号驱动电路的调试比较简单，只要保证输出电压对输入电压有良好的跟随就算达到设计要求。为了测试控制信号驱动电路的带载能力，调试台内部设计了15的假负载，并且能够测量、显示负载上的电压。但是，控制信号驱动电路所需的激励信号需要自行供给。从安全与节能的角度考虑，调试台提供的假负载远大于半导体制冷片的阻值。因此，在调试台上测试表现良好的电路并不一定能够驱动半导体制冷片正常工作。调试台主要用于电路与系统功能的测试，电路指标的测试则要在具有真实温度控制环境的模板上进行。对于其他的电路也是如此。第4章 温度控制系统的设计与实现第4章 温度控制系统的设计与实现4.1 概述系统设计是以实现系统的总体功能、指标要求为目标的一系列设计工作。以电路系统设计为例，指的是对实现系统的总体功能、指标起决定性作用的核心电路及其外围电路的设计工作。4.1.1 系统设计工作的范畴图4-1 小型温度控制系统组成框图图4.1是第1章（概述）中给出的小型温度控制系统的解决方案。在该方案中，单片机是系统的控制管理核心，系统的细节设计工作将主要围绕单片机的电路应用设计展开，包括：