南昌大学电子线路设计测试实验报告资料.docx
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南昌大学电子线路设计测试实验报告资料
实验报告
实验课程:
电子线路设计与测试
学生姓名:
学号:
专业班级:
通信工程
2014年5月
目录
信号发生器设计
直流稳压电源设计
音频功率放大电路设计
温度控制电路设计
信号发生器设计
一、实验任务
设计一信号发生器,能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。
二、实验要求
基本性能指标:
(1)频率范围100Hz~1kHz;
(2)输出电压:
方波Up-p≤24V,三角波Up-p=6V,正弦波Up-p>1V。
扩展性能指标:
频率范围分段设置10Hz~100Hz,100Hz~1kHz,1kHz~10kHz;波形特性方波tr<30us(1kHz,最大输出时),三角波r△<2%,正弦波r~<5%。
三、实验方案
信号发生器设计方案有多种,图1是先产生方波、三角波,再将三角波转换为正弦波的组成框图。
图1信号发生器组成框图
主要原理是:
由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路,三角波在经过差分放大器变换为正弦波。
方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。
图2所示,是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统,则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波、方波发生器。
其工作原理如图3所示。
图2方波和三角波产生电路
图3比较器传输特性和波形
利用差分放大器的特点和传输特性,可以将频率较低的三角波变换为正弦波。
其基本工作原理如图5所示。
为了使输出波形更接近正弦波,设计时需注意:
差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好;三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。
图4三角波→正弦波变换电路
图5三角波→正弦波变换关系
在图4中,RP1调节三角波的幅度,RP2调整电路的对称性,并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
C1、C2、C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
波形发生器的性能指标:
输出波形种类:
基本波形为正弦波、方波和三角波。
频率范围:
输出信号的频率范围一般分为若干波段,根据需要,可设置n个波段范围。
输出电压:
一般指输出波形的峰-峰值Up-p。
波形特性:
表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r~和r△;表征方波特性的参数是上升时间tr。
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下:
仿真结果:
仿真数据如下,方波----三角波----正弦波,且符合实验设计要求。
直流稳压电源设计
一、实验任务
设计一直流稳压电源并进行仿真。
二、实验要求
基本性能指标:
(A1)输出直流电压+5V,负载电流200mA。
(B1)+3V~+9V,连续可调;(B2)IOmax=200mA;(B3)稳压系数Sr≤5×10-3;(B4)△UO≤5mV。
扩展性能指标:
扩展直流稳压电源的输出电流使10mA≤IO≤1.5A。
三、实验方案
直流稳压电源设计框图和直流稳压电源基本电路分别如图1和图2所示:
图1直流稳压电源框图
图2直流稳压电源基本电路
主要原理是:
电源变压器将交流电网220V的电压降压为所需的交流电压,然后通过整流电路将交流电压变成单极性电压,再通过滤波电路加以滤除,得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动(一般有±10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后,还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压稳定。
一般情况下,选用降压的电源变压器。
整流电路主要有半波整流电路、桥式整流电路和全波整流电路,一般情况下多用桥式整流电路,桥式整流输出脉动电压平均值为:
通过每只二极管的平均电流为:
每只二极管承受的最大反向电压为:
滤波电路亦可分为电容滤波、电感滤波、Π型滤波等多种滤波电路,而在小功率电源电路设计中多用电容滤波电路。
当在接上滤波电容后,UO会明显增大,其大小与时间常数RLC有关,通常情况下,RLC=(3~5)T/2(T为电网电压周期)。
稳压电路有二极管稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压电路等,可根据具体要求选择合适的电路形式(具体原理可查阅相关资料)。
稳压电源的性能指标:
最大输出电流IOmax:
电源的输出电压UO应不随负载电流IOL而变化,随着负载RL阻值的减少,IOL增大,UO减小,当UO的值下降5%时,此时流经负载的电流定义为IOmax(记下IOmax后迅速增大RL,以减小稳压电源的功耗)。
输出电压:
指稳压电源的输出电压,也是稳压器的输出电压。
当输入电压为额定值时,可直接用电压表测量。
纹波电压:
指叠加在输出电压UO上的交流分量。
可用示波器观测其峰-峰值或者有效值。
稳压系数:
指在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,即
输出电阻:
稳压电路输入电压一定时,输出电压变化量△UO与输出电流变化量△IO之比,即
(UI为常数)
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下:
仿真结果:
仿真数据如下,产生+5V直流电压,且符合实验设计要求。
音频功率放大电路设计
一、设计任务
设计一小功率音频放大电路并进行仿真。
二、设计要求
已知条件:
电源
V或
V;输入音频电压峰值为5mV;8
/0.5W扬声器;集成运算放大器(TL084);三极管(9012、9013);二极管(IN4148);电阻、电容若干
基本性能指标:
Po
200mW(输出信号基本不失真);负载阻抗RL=8
;截止频率fL=300Hz,fH=3400Hz
扩展性能指标:
Po
1W(功率管自选)
三、设计方案
音频功率放大电路基本组成框图如下:
音频功放组成框图
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右,通过话音放大器不失真地放大声音信号,其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗;滤波器用来滤除语音频带以外的干扰信号;功率放大器在输出信号失真尽可能小的前提下,给负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。
应根据设计要求,合理分配各级电路的增益,功率计算应采用有效值。
基于运放TL084构建话音放大器与宽带滤波器,频率要求详见基本性能指标。
功率放大器可采用使用最广泛的OTL(OutputTransformerless)功率放大电路和OCL(OutputCapacitorless)功率放大电路,两者均采用甲乙类互补对称电路,这种功放电路在具有较高效率的同时,又兼顾交越失真小,输出波形好,在实际电路中得到了广泛的应用。
对于负载来说,OTL电路和OCL电路都是射极跟随器,且为双向跟随,它们利用射极跟随器的优点——低输出阻抗,提高了功放电路的带负载能力,这也正是输出级所必需的。
由于射极跟随器的电压增益接近且小于1,所以,在OTL电路和OCL电路的输入端必须设有推动级,且为甲类工作状态,要求其能够送出完整的输出电压;又因为射极跟随器的电流增益很大,所以,它的功率增益也很大,这就同时要求推动级能够送出一定的电流。
推动级可以采用晶体管共射电路,也可以采用集成运算放大电路,请自行查阅相关资料。
在Multisim软件仿真时,用峰值电压为5mV的正弦波信号代替话筒输出的语音信号;用性能相当的三极管替代9012和9013;用8
电阻替代扬声器。
由于三极管(9012、9013)最大功率为500mW,要特别注意工作中三极管的功耗,过大会烧毁三极管,最好不超过400mW。
如制作实物,因扬声器呈感性,易引起高频自激,在扬声器旁并入一容性网络(几十欧姆电阻串联100nF电容)可使等效负载呈阻性,改善负载为扬声器时的高频特性。
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下:
仿真结果:
仿真数据如下,实现音频功率放大,且符合实验设计要求。
温度控制电路设计
一、实验任务
设计一温度控制电路并进行仿真。
二、实验要求
基本功能:
利用AD590作为测温传感器,TL为低温报警门限温度值,TH为高温报警门限温度值。
当T小于TL时,低温警报LED亮并启动加热器;当T大于TH时,高温警报LED亮并启动风扇;当T介于TL、TH之间时,LED全灭,加热器与风扇都不工作(假设TL=20℃,TH=30℃)。
扩展功能:
用LED数码管显示测量温度值(十进制或十六进制均可)。
三、实验方案
AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源,其输出电流与绝对温度成比例。
在4V至30V电源电压范围内,该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器,调节系数为1µA/K。
AD590适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。
低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点,使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。
应用AD590时,无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。
主要特性:
流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(K)度数;AD590的测温范围为-55℃~+150℃;AD590的电源电压范围为4~30V,可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件即使反接也不会被损坏;输出电阻为710mΩ;精度高,AD590在-55℃~+-150℃范围内,非线性误差仅为±0.3℃。
基本使用方法如右图。
AD590的输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Iout=(273+25)=298μA。
Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为10K×298μA=2.98V。
测量Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。
温度控制电路设计框图如下:
温度控制电路框图
由于Multisim中没有AD590温度传感器,根据它的工作特性,可以采用恒流源来替代该传感器,通过改变电流值模拟环境温度变化。
通过温度校正电路得到实际摄氏温度电压值(可适当放大到几伏特,不超过5V),再送温度判决电路判决,需根据报警温度确定门限比较电压值,电路均可用运算放大器及电压比较器来实现。
可采用三极管和继电器(RELAY)来控制驱动风扇与加热器,在仿真中用DCMOTOR代替风扇、HEATER代替加热器,并加上发光二极管来指示其是否工作。
温度显示部分可采用ADC模数转换芯片来实现,将实际温度电压值通过ADC芯片转换成数字逻辑信号再通过数码管显示。
四、电路仿真与分析
仿真结果:
仿真数据如下,实现温度控制功能,且符合实验设计要求。
温度小于20℃低温警报LED亮并启动加热器
当T介于20℃、30℃之间时,LED全灭,加热器与风扇都不工作
当T大于30℃时,高温警报LED亮并启动风扇
五、总结
通过一理论课程,使我明白了温度控制设计原理,并通过进一步了解,使我对温度控制设计的焊接调试过程充满信心。
但到了实践过程,我们遇到了一些困难。
焊接方面,首先,我们要掌握电烙铁的使用。
从网上查阅资料查到了一些电烙铁的使用技巧:
1.将烙铁头放置在焊盘和元件引脚处,使焊接点升温。
2.当焊点达到适当温度时,及时将松香焊锡丝放在焊接点上熔化。
3. 焊锡熔化后,应将烙铁头根据焊点形状稍加移动,使焊锡均匀布满焊点,并渗入被焊面的缝隙。
焊锡丝熔化适量后,应迅速拿开焊锡丝。
4. 拿开电烙铁,当焊点上焊锡已近饱满,焊剂(松香)尚未完全挥发,温度适当,焊锡最亮,流动性最强时,将烙铁头沿元件引脚方向迅速移动,快离开时,快速往回带一下,同时离开焊点,才能保证焊点光亮、圆滑、无毛刺。
用偏口钳将元件过长的引脚剪掉,使元件引脚稍露出焊点即可。
5.焊几个点后用金属丝擦擦烙铁头,使烙铁头干净、光洁。
遵照上述5个步骤,我们对电路板进行了焊接。
心得体会
经过了一个课程设计,我感想颇多。
首先,我明白了做事情一定要抓紧时间,不能一拖再拖。
在制作过程中会遇到了很多意想不到的问题,导致最后时间不够。
经过这次课程设计,我们懂得只有抓紧时间才能够适应快节奏的社会,拖拖拉拉最后会一事无成。
其次,我明白了实践的重要性。
理论知识固然重要,但只有将理论投入到实践中去检验,才能体现出理论的价值。
电路元件只有焊接到电路板上,才能发挥其真正的作用,单纯的研究理论知识,而不去动手实践,我们就不能全面发展,就不能成为真正对社会有意义的人。
最后,我还明白了团队合作的重要性。
二十一世纪是一个需要的是团队合作,而不是单打独斗。
一个大的项目,单纯靠一个人的力量是无法完成的。
只有在一个团队的共同努力下,才能最终走向成功。
这次课程设计,带给我很多的教训,但更多的是经验,我相信我会越来越成熟。
附录:
原理图、PCB图、元器件清单
原理图:
实物拍摄:
元件清单:
PCB原理图:
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