学位论文电子技术报告恒流源的设计.docx
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学位论文电子技术报告恒流源的设计
电子技术课程
设计报告
学院:
核技术及自动化工程学院
专业:
电气工程及其自动化
目录
摘要2
第一章前言2
1.1电子技术简介3
1.2电子技术课程设计的目的和意义3
1.3课程设计的主要内容和步骤4
第二章电路设计5
2.1ProteusISIS简介5
2.2设计原理和过程5
2.2.1用理想运放构成的恒流源电路5
2.2.2用7805三端集成稳压器构成恒流源7
2.2.3用晶体管(稳压管)和理想运放构成的恒流源电路……………………………….8
2.3实验器件8
2.4实验过程与数据分析9
2.4.1用理想运放构成的恒流源电路9
2.4.2用7805三端集成稳压器构成恒流源)10
2.4.3用晶体管(稳压管)和理想运放构成的恒流源电路11
总结12
参考文献13
恒流源的设计
摘要
本设计运用ProteusISIS软件,设计恒流源电路,在电路图上连接万用表进行仿真分析。
恒流源,是一种能向负载提供恒定电流的电源装置,它在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。
恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。
恒流范围大致为1µA~20A。
它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。
并且在差动放大电路、脉冲产生电路中也得到了广泛应用,可分为直流稳压源,集成运放恒流源。
关键词:
ProteusISIS;恒流源,万用表。
ThedesignofEnlargementofthecircuit
Abstract
TheuseofdesignProteusISISsoftwaredesignedconstantcurrentsourcecircuit,thecircuitisconnectedtothemultimetersimulationanalysis.Constantcurrentsource,aconstantcurrenttotheloadtoapowersupplydevice,itisintheexternalpowersupplyfluctuationsandchangesevenwhentheimpedancecharacteristicoftheoutputcurrentremainsconstant.Constantcurrentsourcecircuitwithconstantoutputcurrent,goodtemperaturestability,theDCresistanceequivalentACoutputresistanceissmallbuthasgreatfeatures.Constantcurrentrangeisapproximately1μA~20A.Itcanprovideavarietyofamplificationbiascircuittostabilizeitsquiescentoperatingpoint,butalsoasanactiveload,inordertoincreasethemagnification.Andinthedifferentialamplifiercircuit,apulsegeneratingcircuithasalsobeenwidelyused,canbedividedintoDCpowersource,integratedamplifierconstantcurrentsource.
Keywords:
ProteusISIS;Multimeter,Constantcurrentsource
第一章前言
1.1电子技术简介
现代电力电子技术(ModernPowerElectronicTechnique)主要以该领域中那些后起的,目前最具发展前景的全控型电力电子器件如Power-MOSFET、IGBT、MCT、PIC等为背景,介绍它们的基本结构、工作原理、主要参数、应用特点,以及器件应用中的驱动、保护等基本问题,分别介绍在硬PWM开关和软PWM开关条件下的各类变换电路,如DC-DC,DC-AC,AC-AC,AC-DC等变换电路的基本原理、电路特点、波形分析和各种负载对电路工作的影响分析和初步设计、计算。
通过本课程的学习使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法,掌握各种变换电路的结构、工作原理和控制方法,获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能,为从事与电力电子技术应用相关的工程技术工作和科学研究打下一定的基础。
电子技术不仅大量用于传统电力系统中的交直流输变电装置,更广泛应用于工业生产各个领域中各种电机的交直流调速,材料加工领域中各种加热电源(如中高频感应加热电源、焊接电源等)的能量输出控制等。
随着技术的发展,以电压驱动的各种全控型高频大功率器件及其功率模块相继出现,这为制造各种小巧轻便、性能稳定的高效率和高品质高频开关电源提供了条件,这类电源目前广泛用于各种通讯设备、计算机乃至各类家电产品。
1.2电子技术课程设计的目的和意义
运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法,在单元电路设计的基础上,设计出具有不同用途和一定工程意义的电子装置。
深化所学理论知识,培养综合运用能力,增强独立分析与解决问题的能力。
训练培养严肃认真的工作作风和科学态度,为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。
让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。
即学生根据设计要求和性能参数,查阅文献资料,收集、分析类似电路的性能,并通过组装调试等实践活动,使电路达到性能指标。
课程设计为后续的毕业设计打好基础。
毕业设计是系统的工程设计实践,而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用,从已学过的定性分析、定量计算的方法,逐步掌握工程设计的步骤和方法,了解科学实验的程序和实施方法,同时,课程设计报告的书写,为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。
1.3课程设计的主要内容和步骤
我们组的设计题目为恒流源,主要是运用ProteusISIS软件设计电路。
设计一个电子电路系统时,首先必须明确系统的设计任务,根据任务进行方案选择,然后对方案中的各部分进行单元的设计、参数计算和器件选择,最后将各部分连接在一起,画出一个符合设计要求的完整系统电路图。
1.设计任务分析对系统的设计任务进行具体分析,充分了解系统的性能、指标内容及要求,以便明确系统应完成的任务。
2.方案论证这一步的工作要求是把系统的任务分配给若干个单元电路,并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。
3.方案实现单元电路设计:
单元电路是整机的一部分,只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。
每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务,详细拟订出单元电路的性能指标,与前后级之间的关系,分析电路的组成形式。
具体设计时,可以模仿成熟的先进电路,也可以进行创新或改进,但都必须保证性能要求。
而且,不仅单元电路本身要设计合理,各单元电路间也要相互配合,注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。
器件选择:
集成电路的选择:
由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能,所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活,它不仅使系统体积缩小,而且性能可靠,便于调试及运用,在设计电路时颇受欢迎。
集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。
国内外已生出大量集成电路,其器件的型号、原理、功能、特征可查阅有关手册。
选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案,而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。
4.电路仿真:
在完成电路的初步设计后,可以用仿真软件对电路进行仿真。
仿真可以对电路的逻辑关系、电压、电流、波形等进行分析,方便排除电路故障。
节省硬件的调试时间,节省电子元器件的开销。
5.安装调试:
安装与调试过程应按照先局部后整机的原则,根据信号的流向逐块调试,使各功能块都要达到各自技术指标的要求,然后把它们连接起来进行统调和系统测试。
调试包括调整与测试两部分,调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件,使之达到性能的改善。
测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形,以便准确判断设计电路的性能。
装配前必须对元器件进行性能参数测试。
根据设计任务的不同,有时需进行印制电路板设计制作,并在印制电路板上进行装配调试。
第二章电路设计
2.1ProteusISIS简介
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。
它不仅具有强大的原理图绘制功能。
还是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,将单片机仿真和SPICE电路仿真相结合,还能提供软件调试功能,具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态。
2.2设计原理和过程
基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成,输入级提供参考电流,输出级输出需要的恒定电流。
①构成恒流源电路的基本原则:
恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。
即要求恒流源电路输出恒定电流,因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。
这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT或者MOSFET来实现。
为了保证输出晶体管的电流稳定,就必须要满足两个条件:
a)其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源;b)输出晶体管的输出电阻尽量大(最好是无穷大)——输出级需要是恒流源。
②对于输入级器件的要求:
因为输入级需要是恒压源,所以可以采用具有电压饱和伏安特性的器件来作为输入级。
一般的pn结二极管就具有这种特性——指数式上升的伏安特性;另外,把增强型MOSFET的源-漏极短接所构成的二极管,也具有类似的伏安特性——抛物线式上升的伏安特性。
在IC中采用二极管作为输入级器件时,一般都是利用三极管进行适当连接而成的集成二极管,因为这种二极管既能够适应IC工艺,又具有其特殊的优点。
对于这些三极管,要求它具有一定的放大性能,这才能使得其对应的二极管具有较好的恒压性能。
③对于输出级器件的要求:
如果采用BJT,为了使其输出电阻增大,就需要设法减小Evarly效应(基区宽度调制效应),即要尽量提高Early电压。
如果采用MOSFET,为了使其输出电阻增大,就需要设法减小其沟道长度调制效应和衬偏效应。
因此,这里一般是选用长沟道MOSFET,而不用短沟道器件。
2.2.1用理想运放构成的恒流源电路
电路如上图,此电路是同相输入电流串联负反馈放大电路。
V1是4V的输入电压,导线4与导线1之间是输出电压V0,导线1与导线0之间是反馈电压Vf,R3是负载电阻RL,R2是反馈电阻Rf。
由理想运放特性可知:
Vf≈V1,IL=If,则I0=IL=If=Vf/Rf≈V1/Rf,即:
I0=V1/Rf
(2)。
若V1、Rf一定,I0=Vi/Rf
(2)也是定值。
当负载电阻RL增大(在一定范围内)时,输出电流I0=IL=If会减小。
但是由于引入了负反馈,电路会自动调整,使输出电流增大回到设定值。
由公式
(2)可知,当V1值固定,改变Rf就会输出一个电流。
这样恒流源的电流输出就可根据需要设定了。
缺点:
现实中理想运放难以实现这种情况适用于理论实验教学或者在精度低的恒流源场合中实现。
2.2.2用7805三端集成稳压器构成恒流源
电路如上图所示,V1是9V的输入电压,由于采用7805三端集成稳压器导线4与导线0(或2)之间是5V的固定输出电压V0,R1是负载电阻,导线0上的电流为静态电流I0(万用表3所示电流)。
最后的输出电流I=V0/R1+I0=I1+I0,V0/R1的电流I1是万用表2所示电流。
所以最终只要改变负载电阻R1的值就能改变输出电流的大小。
2.2.3用晶体管(稳压管)和理想运放构成的恒流源电路
电路如上图所示,D1是一个Vz=6V的稳压管,由上图电路特性知运放的V+=Vz=6V,而运放在电路中构成的是一个电压跟随器,所以V-=V+=Vz=6V,输出电流I=Vz/R1=6/R1,输出电流如万用表1所示。
所以最终只要改变R1的阻值就能改变输出电流的大小了。
2.3.实验器件:
元件类型
型号
主要参数
单组数量
变压器
带中间抽头
16V,40W
1个
二极管
IN4002
4个
独石电容
0.1μF
5个
电解电容
1000μF,25V
2个
100μF,25V
3个
三端稳压器
LM7812
1个
LM7912
1个
LM7805
1个
电源线
带插头
1条
万能板
17cm*22cm
1个
焊锡丝
1.0mm
2米
单股导线
0.3mm2
3米
元件类型
型号
主要参数
单组数量
三极管
9013
4个
稳压管
5V
2个
独石电容
0.1μF
1个
电解电容
470μF
3个
10μF
1
电阻
2KΩ
2个
100Ω
1个
4.7KΩ
3个
6.8KΩ
2个
15KΩ
2个
20KΩ
1个
10KΩ
5个
电位器
27KΩ
1个
100KΩ
1个
1KΩ
1个
100Ω
1个
10KΩ
1个
运算放大器
LM358
DIP封装
1个
焊锡丝
1.0mm
2米
单股导线
0.3mm2
3米
IC插座
8pin
1个
万能板
17cm*22cm
1个
2.4实验过程与数据分析
2.4.1用理想运放构成的恒流源电路
电流最小为0.1微安时,电阻R2=40兆欧,所以理论上的I0=4V/40M=100nA,仿真测得I0=100.023nA。
电流最大为500mA时,电阻R2=8欧,所以理论上的I0=4V/8=500mA,仿真测得I0=499.969mA.
实验误差比较小,大致上可以忽略不计。
可以采用此电路来设计可调恒流源电路设计。
2.4.2用7805三端集成稳压器构成恒流源
电流最小为0.1微安时,仿真测得
I1=
I0=
电流最大为500mA时,仿真测得,
I1=
I0=
由于静态电流I0远远超过了恒流源可调范围的最小电流了,因此该电路不满足原电路设计的要求。
2.4.3用晶体管(稳压管)和理想运放构成的恒流源电路
电流最小为0.1微安时,电阻R1=60兆欧,所以理论上的I0=6V/60M=100nA,仿真测得I0=100.034nA。
电流最大为500mA时,电阻R1=12欧,所以理论上的I0=6V/12=500mA,仿真测得I0=500.154mA.
实验误差较小,基本可以忽略不计,可以采用此电路来设计可调恒流源电路。
总结
在本次实验中我们小组的题目是“放大电路”。
这次课程设计让我明白了很多关于电力电子技术方面的知识,尤其是在课本中没有完全介绍的。
要完成这次课程设计,关靠书本知识是远远不够的,所以我查阅了很多的书籍,并且也通过网络查到了很多相关的知识,为这次课程设计做了很多帮助。
对于课程设计的内容,首先要做的应是对设计内容的理论理解,在理论充分理解的基础上,才能做好课程设计,才能设计出性能良好的电路。
整流电路中,基本元件的选择是最关键的,开关器件和触发电路选择的好,对整流电路的性能指标影响很大。
设计过程中,我明白了恒流源电路的重要性以及电路设计方法的多样性。
这次的课程设计是我设计时间最长的一次,也是收获最大的一次。
让我们明白团队合作以及分工合作的重要性。
这次设计中,我也遇到了一些困难:
1.当电流较小时(如nA级电流),对所要求的电阻值很大,达到兆欧级别,这种级别电阻在集成电路中很难实现,在市场上很难买到,这就对实验产生了一定的麻烦。
2.实验中某些仪器的参数容易受温度等外界因素的影响(如BJT的放大系数等)。
另外通过这次课程设计,我对文档的编排也有了一定的掌握,这对于以后的毕业设计及工作需要都有很大的帮助,在完成课程设计的同时我也在复习一遍模电这门课程,把以前一些没弄懂的问题这次弄明白了一部分,当然没有全部。
整个课程设计过程中,由于理论知识的缺乏,以及对课程设计的不熟悉,课程设计还有很多不足之处,在以后的课程设计中,希望能有所改善。
参考文献
[1]模拟电子技术基础实验指导书[M],李大军唐颖主编。
[2]电子技术基础模拟部分[M].高等教育出版社,康华光主编。
2005版
[3]通用电子电路应用400例[M].电子工业出版社,何希才主编。
2005版
[3]ISIS产品手册。
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- 关 键 词:
- 学位 论文 电子技术 报告 恒流源 设计