高低电平课程设计.docx
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高低电平课程设计.docx
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高低电平课程设计
目录
摘要
引言
1、课程设计任务书
2、总体设计方案(画出一个实现电路功能的大致框图)
3、单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明
4、元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算
5、总体电路原理图及其整个电路的工作原理
6、课程设计中的收获和体会
7、参考文献
摘要
此报警器可由以下几部分组成,首先要产生输入电压VI:
0~10V的步进电源;第二部分是比较器,将VI与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,即
或
,电路报警,而
电路不报警,所以这里选用窗口比较器;第三部分则为报警电路。
关键词步进电源比较器报警电路
引言
在我们的日常生活中,经常会用到一些仪器设备只能在一定的输入电压范围内工作,超出此范围,电路工作就不正常。
由于这个原因,就需要对输入电压进行监控。
本课题从教学训练的角度出发,要求设计一个高低电平报警电路。
1、课程设计任务书
在日常生活中,经常会用到一些仪器设备只能在一定的输入电压范围内工作,当电压范围内工作,当电压超过此范围,电路就不能正常工作了,因此需要对输入电压进行监控。
要求设计一个高低电平报警电路。
(1)课程设计的基本要求
1设计任务应在规定时间内完成;
2说明书书写工整;
3电路原理图图面清晰,内容准确;
4元件参数计算项目完整,计算说明清楚,计算结果基本正确。
(1)课程设计说明书的格式
1.封面
2.目录
3.正文
1)课程设计任务书
2)总体设计方案(画出一个实现电路功能的大致框图)
3)单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明
4)元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算
5)总体电路原理图及其整个电路的工作原理
4.课程设计中的收获和体会
5.参考文献
(2)技术指标
当输入电压
或
时电路报警,其中
为0~10V步进电源,步进1V。
(3)设计内容
此报警器可由以下几部分组成:
1.步进电源:
产生0~10V的输入电压V1;
2.比较器:
将V1与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,如电路图当
上边发光二级管亮,如电路图当
下边发光二级管亮,而
电路不报警,此时比较器可选用窗口比较器。
(5)评分依据
1.平时的出勤情况占10%;
2.设计过程中的动手能力占20%;
3.课程设计说明书的总质量(包括课程设计思路是否合理,单元电路正确与否,整体电路是否完整,电路原理说明是否基本正确等)占40%;
4.答辩过程中回答问题的情况占30%。
2、总体设计方案
根据技术要求,此报警电路由以下几个部分组成,首先要产生输入电压V1为0~10v的步进电源;第二部分应是比较器,将V1与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,即如电路图当
上边发光二级管亮,如电路图当
下边发光二级管亮,而
电路不报警,此时比较器可选用窗口比较器。
总体框图:
3、单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明
1.0~10V步进电源的组成如1所示,其中电源变压器,整流电路,滤波电路等部分的设计。
输出
电压
上图为直流稳压电源的组成
步进电源由直流电源和求和电路组成,而直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路和加法电路5部分组成。
由于要求输出0~10V步进电源,在此选用三端可调输出集成稳压器LM317,LM317输出电压范围为1.25V~37V,为了能满足技术要求输出0~10V,可再选用一片LM337(输出-1.25~-37V),使之输出-1.25V,与LM317的+1.25V相加,从而使输出电压达到0V。
V01
V0
V02
该电路由整流部分、滤波部分、稳压部分和同相加法器组成。
整流部分的作用:
实际是将变换后的交流电压转变为单方向的脉动电压。
直流电路的任务是将交流点变为直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。
因此二极管是整流电路的关键元件。
滤波电路的作用:
对整流电路输出的脉动直流进行平滑,使之成为含交变成份很小的直流电压。
滤波电路用于滤去输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成。
由于电抗元件在电路中有储能作用,并联的电容C在电源供给的电压升高时,能把部分能量存储起来,而当电压降低时,就能把能量释放出来,使负载电压比较平滑,即C具有平波作用。
三端可调输出集成稳压器LM317的作用:
它的内部电路有比较放大器、偏置电路、电流源电路和带隙基准电压VREF等,它的公共端改接到输出端,器件本身无接地端。
所以消耗的电流都从输出端流出,内部的基准电压接至比较放大器的同相端和调整端之间。
它的特点是输出电压连续可调,调节范围较宽。
R2的大小根据输出电压调节范围确定。
C2和C6是用来实现频率补偿、防止稳压器长生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。
C3、C4和C7是用来减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
同相加法器的作用:
该电路是求和电路,
和
从同相输入.
参数计算:
图中用4个开关的不同组合方式来调节LM317的输出电压V01,已知VREF是LM317的基准电压,其值为VREF=1.25V,且VO=VREF(1+R2/R1),
所以
改变
即可改变
,根据上式,可以很容易的推导出四个开关不同的闭合方式下Vo1的值。
理论值
闭合开关序号
实际测量值(V)
R2阻值(Ω)
实际测量值(Ω)
V01
(V)
V02
(V)
1.25
-1.25
1,2,3,4
0.19
0
0.15
2.25
-1.25
2,3,4
1.19
80
82
3.25
-1.25
1,3,4
2.1
160
156
4.25
-1.25
3,4
2.94
240
238
5.25
-1.25
1,2,4
4.24
320
330
6.25
-1.25
2,4
5.11
400
412
7.25
-1.25
1,4
6.15
480
486
8.25
-1.25
4
6.9
560
568
9.25
-1.25
1,2,3
7.91
640
636
10.25
-1.25
2,3
8.71
720
718
11.25
-1.25
1,3
9.8
800
792
理论值:
R1=80Ω,R2=160Ω,R3=320Ω,R4=640Ω
实验数据:
R1=82Ω,R2=156Ω,R3=330Ω,R4=636Ω
由于R2的取值范围是(0~1200)
,根据上面的公式计算得
的取值范围是:
1.25(1+0)V~1.25(1+800/100)V,即
=(1.25~11.25)V。
而LM337的输出Vo2始终为1.2V。
A1组成同相加法器,根据电路图,由虚短和虚断的概念可得:
------------①
---------------------------------------②
----------------------------------------------------③
3个方程式联立得
,
由
的范围可得
的变化范围是(1.25~11.25)V。
其它电阻和电容的大小由经验可得。
2窗口比较器的设计与报警电路的设计
电路如图(a)所示,传输特性如图(b)所示。
根据技术要求,UL应为
,UH应为
取R1=R2=R3=15K可满足技术要求,工作过程如下:
当VI>UH时,LED1导通并发光,Vo为低电平
当VI
当UL 电路如图(a) 传输特性如图(b) 4、元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算 1.LM317器件 LM317的输出电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。 它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。 LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 通常LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。 使用输出电容能改变瞬态响应。 调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比.LM317能够有许多特殊的用法。 比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。 当然还要避免输出端短路。 还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。 特性简介 可调整输出电压低到1.2V。 保证1.5A输出电流。 典型线性调整率0.01%。 典型负载调整率0.1%。 80dB纹波抑制比。 输出短路保护。 过流、过热保护。 调整管安全工作区保护。 标准三端晶体管封装。 电压范围 LM3171.2V至37V连续可调。 其封装形式如下: 调制 输出 输入 绝对最大额定值 符号 参数 值 单位 VI-O 输入-输出电压差 40 V IO 输出电流 内部限制 Top 工作结温 LM117 -55到150 ℃ LM217 -25到150 LM317 0到125 Ptot 功耗 内部限制 Tstg 储存温度 -65到150 ℃ LM317工作原理: LM317的输入最同电压为30多伏,输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。 LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。 输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容. LM317内部原理图: LM317标准应用电路图 2.LM337器件 LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V,负载电流最大为0.4~2.2A。 它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。 LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 通常LM337不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM337输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。 使用输出电容能改变瞬态响应。 调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。 LM337能够有许多特殊的用法。 比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM337的极限就行。 当然还要避免输出端短路。 还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。 为前置级音响电路、精密电路、电子制作等对电源要求实现高精度供电的电路,其内阻小,电压稳定,噪音极低,输出纹波小(输出端仅用100uf),能有效的保证电路的高度稳定工作,提高瞬态特性和高频特性。 特性简介 典型线性调整率0.01%。 典型负载调整率0.1%。 80dB纹波抑制比。 输出短路保护。 过流、过热保护。 调整管安全工作区保护。 输入输出最小压差降为0.2V。 功能与LM317差不多,只是是LM317的反向输出。 附封装的引脚识别图: 输入 调制 输出 LM337工作原理: LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V,负载电流最大为0.4~2.2A。 它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。 LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。 3.LM324器件 LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。 每一组运算放大器有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。 两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。 可工作在单电源下,电压范围是3.0V-32V或16V. 特性简介: 短跑保护输出,真差动输入级,可单电源工作: 3V-32V,低偏置电流: 最大100nA,每封装含四个运算放大器,具有内部补偿的功能,共模范围扩展到负电源,行业标准的引脚排列,输入端具有静电保护功能。 运算放大器如下: LM324引脚图如下: 部分功能: LM324应用作比较器 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。 此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。 当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。 附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R1ˊ组成分压电路,为运放A1设定比较电平U1;电阻R2、R2ˊ组成分压电路,为运放A2设定比较电平U2。 输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间,当Ui>U1时,运放A1输出高电平;当Ui<U2,则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这便是一个电压双限指示器。 若选择U2>U1,则当输入电压在[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这是一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用,稍加变通,便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。 5、总体电路原理及整个电路的工作原理 比较电路 6、课程设计中的收获和体会 两个星期的课程设计就这么的结束了,虽然只是短短的两个星期,但是学到的东西并不比两个星期的理论课学到的少,而是更多。 这两个星期的学习让我们学到了很多课堂上学不到的东西。 比如说独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高等等。 这些都是完成一件事必不可少的,让我受益匪浅。 以前我们只是学的一些理论知识,可以这么说,光有理论知识是远远不够的,只有把理论知识跟实践相结合起来。 这次的课程设计就是这样。 由于是第一次做课程设计嘛,所以做的过程中,遇到很多的问题,由于线比较的细,在做线路的过程中,不是太好弄,线做的有点弯弯曲曲的,不是那么的美观,还有就是插元器件时,有些排布的有点密,老师说如果电路有错的话,元器件会烧坏,由于排布比较密,可能靠近的也会烧坏,基于安全等因素,排布不能太密。 在我们检验电路板的过程中,也不是太顺利,第一次去的时候电路一个正确的现象都没出现,这对我们打击非常的大,老师说让我们好好的检查一下。 第二次验电路板时,稳压器lm317、lm337端输出的电压都不对,lm337端的输出电压应该是负值,但是测出来的却是正直,有点匪夷所思。 最后老师给我们检查了一下电路,发现稳压器lm337控制端没有接地,才会出现这种怪现象。 有了前2次的失败,我们把电路接了地,然后又仔细的检查了一遍。 第三次检验电路板时,基本都正确了,lm317端输出电路是1.25v左右,lm337端是-1.25v。 步进电路也正确了,可以从0v~10v调出来,只是有点小小的误差,可能是电阻选择上有点小误差,然后窗口比较电路跟报警电路也实现了输出电压>8v和<4v时报警电路led灯会亮报警,在输出4~8之间的电压时报警电路led灯不亮,也就是不会报警。 看到了我们2个星期幸苦做出来的电路板成功了,我们的心里真的很高兴。 最后老师让我们把电路板稍微调整一下,把误差降低。 可能接线处,与电路板没有很好的接触,导致阻抗大了,导线的电阻就大了。 高低电平报警电路终于完成了,其中有过成功,有过失败,有我们洒下的汗水,有老师的孜孜教诲。 在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。 既然发现了问题,就要改正嘛。 2个星期的课程,很艰辛,但是我做的很快乐,能够成功,不是只靠自己,有伙伴有老师的帮助,老师对我们的帮助,我是记忆犹新,在验电路板时,老师很认真的给我们检验,出现问题时,老师还会很用心的检查原因,有些女生不敢调节开关时,也是老师帮她们调的,老师对我们真的是很用心,很感谢老师。 希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些! 7、参考文献 1.《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》1998年第02期作者: 郑建彬,周伟,曾翠林 2.《电子技术基础》模拟部分【M】第五版高级出版社康华光主编 3.《运算放大器原理与应用》【M】科学出版社2005蔡锦福主编 4.《快速学会认电子元器件》第一版人们邮电出版社门宏 5.《XX文库》即网上的资料查询及分析应用 6.《常用电子测量仪器的使用》电子工业出版社1999鲁特金著 7.《数字万用表的原理使用与维修》电子工业出版社1988沙古友沙古著 元件名称 参数 个数 电解电容 100uf 3 电解电容 470uf 2 电容 0.1uf 2 电阻 80 1 电阻 100 2 电阻 160 1 电阻 320 1 电阻 640 1 电阻 15k 7 电阻 100k 5 电阻 300k 1 运算放大器 LM324 1 稳压块 LM317 1 稳压块 LM337 1 发光二级管 LED-RED 2 8、元件详细清单
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