毕业设计197数字显示多路电压设计.docx
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毕业设计197数字显示多路电压设计
毕业设计(论文)
论文摘要
本设计主要讲了运用模拟技术和数字技术设计数字显示多路电压的一些原理工作的方法,以及在设计中应该注意的一些事情,而且在设计中也详细的介绍了所用芯片的功能及一些使用方法,因为我们所设计电路图时用到了Protel2004因此在本设计中也介绍了一点Protel2004的知识。
虽然对于本书设计中我们介绍的芯片知识和Protel2004的知识可能较多,由有经验的设计者来看,这根本是不适用,是没有必要做的事。
但我想如果面向的是那些初学者以及一些业余爱好者就不一样了,本设计中的知识不仅能让他们知道数字显示的制作过程,注意要则,而且我们所介绍的基础知识也能扩展出他们的思维让他们在以后的设计中举一反三,对于他们以后的设计生涯有着很好的帮助。
本设计中的特点是简单、易懂、入门块,是初学者不错的选择。
当然本设计中也有很多不足,设计中不能体现出专业人的一面,希望多多提出意见,我们及时改正。
关键词:
数字显示多路电压,模拟技术,数字技术,Protel2004
Abstract
Thisdesignmainlyspoketheutilizationsimulationtechnologyandthenumeraltechnicaldesignnumeraldemonstrationmulti-channelvoltagesomeprincipleworkmethod,aswellassomematterswhichshouldpayattentioninthedesign,moreoverthedetailedintroductionhasalsousedthechipinthedesignthefunctionandsomeapplicationmethod,becausewedesigntimethecircuitdiagramusedProtel2004thereforealsointroducedProtel2004knowledgeinthisdesign.AlthoughweintroducedregardingthisbookdesigninthechipknowledgeandtheProtel2004knowledgearepossiblymany,lookedbytheexperienceddesigner,thisisnotsuitable,isnotthematterwhichunnecessarydoes.ButIthoughtiffacesisthesebeginnersaswellassomeamateursisdissimilar,notonlyinthisdesignknowledgecanletthemknowthedigitaldemonstrationthemanufactureprocess,theattentionimportantregulation,moreoverweintroducedtheelementaryknowledgealsocanexpandtheirthoughttoletthemextrapolateinlaterdesign,hastheverygoodhelpregardingtheylaterdesignprofession.Inthisdesigncharacteristicissimple,easytounderstand,thebasicblock,isthebeginnergoodchoice.Certainlyinthisdesignalsohasverymanyinsufficiencies,inthedesigncannotmanifestspecializedperson'soneside,hopedverymuchgivesthecomment,wecorrectpromptly.
Keywords:
Digitaldemonstrationmulti-channelvoltages,simulationtechnology,digitaltechnology,Protel2004
目 录
第1章设计基础
我们要知道在电子电路系统的设计中,电源电路的设计占十分重要的地位。
电源电路工作是否稳定可靠直接影响到整个系统,因此对电源电路的设计,从电路的选型、调试到与系统的配合,都应注意。
本章介绍电子设计中的一些常用的元器件的有关知识,以及本文设计中所要用到的芯片的一些原理、应用还有用其的一点注意事项等。
这些基础理论知识,这是学习本书后续内容的必要准备,也是本书设计中选择的要点。
1.1常用电子元器件
或许人人都知道这些元器件,但你是真的知道,了解并且会很好的应用他们吗?
那我们先看看下面的介绍,看看和你了解的是不是一样。
1.1.1电阻器
电子产品制作中常用的电阻器有:
碳膜电阻器、金属膜电阻器、线绕电阻器以及热敏电阻器等。
(1)碳膜电阻器。
碳膜电阻器是通过将真空高温热分解出的结晶碳膜沉积在柱形或管形陶瓷骨架上制成的。
通过改变碳膜的厚度和使用刻槽的方法,可以变更碳膜的长度,得到不同的阻值。
由于此类电阻器价格低廉,故应用最广泛。
(2)金属膜电阻器。
金属膜电阻器是用高真空加热蒸发(或高温分解、化学沉积火烧身等方法)技术,将合金材料(有高阻、中阻、低阻3种)蒸镀在陶瓷骨架上制成的。
通过刻槽或改变金属膜厚度控制电阻值的大小。
这种电阻器的耐热性及稳定性均比碳膜电阻器好。
同时,它的噪声低、体积小,但价格贵,被广泛运用于稳定性和可靠性较高的电路中。
(3)线绕电阻器。
线绕电阻器是用高阻值的合金丝(即电阻丝,采用镍铬丝、康铜丝、锰铜丝等材料制成)缠绕在绝缘基棒上制成的。
它具有组织范围大(0.1Ω~5MΩ)、噪声小、电阻温度系数小、耐高温及承受负荷功率大(最大可达500W)等特点,缺点是高频特性差。
线绕电阻器有固定式和可调式两种,可调式是从电阻体上引一个滑动端子,可对阻值进行调整。
(4)热敏电阻器。
热敏电阻器是一种对温度反应较灵敏,阻值会随温度的变化而变化的非线性电阻器,通常由单晶、多晶等半导体材料制成。
有正温度系数(PTC)和负温度系数(VTC)两种类型。
正温度系数热敏电阻器。
在常温下其电阻值较小,仅有几欧姆至十几欧姆。
当流经它的电流超过额定值时,其电阻器能在几秒钟内迅速增大指数百欧至数千欧以上。
负温度系数热敏电阻器。
其电阻值与温度变化成反比,即当温度升高时,电阻值会随之减小。
(5)电阻器的选用。
在选用电阻器时,不仅要求各项参数符合电路的使用条件,还要考虑外形尺寸和价格等多方面的要求。
一般来说,其阻值应选用标准系列,允许偏差多用±5%的,其额定功率应大于实际电路功率要求的1.2~2倍以上。
在进行电子产品制作时,应仔细分析电路的具体要求。
·对于要求稳定性、耐热性及可靠性较高的电路中,可考虑选用金属膜电阻器。
·对于要求功率大、耐热性好及使用频率不太高的电路,则可选用线绕电阻器。
·对于无特殊要求的电路,可选用价格较低的碳膜电阻器,以降低产品成本。
1.1.2电位器
电位器是一种阻值可调的电位器,对外有3个引脚,其中有两个为固定端,另一个为滑动端(也称中心抽头端),改动滑动端的位置,可使其与固定端之间的电阻值发生改变。
在电路中常用电位器来调节阻值或电位。
(1)合成碳膜电位器。
合成碳膜电位器(WTH型)是使用最多的一种,其电
阻体是用碳黑、石墨、石英粉及有机黏合剂等配制的混合物,涂在胶木板或玻璃纤维板上制成的。
其特点是分辨率高,阻值范围宽,但滑动噪声较大,耐热耐湿性不好,精度不高(±20%)体积较大,使用寿命短。
由于其价格低,故广泛应用于一般电路中。
(2)有机实芯电位器。
有机实芯电位器(WS型)的电阻体是用碳黑、石英粉、有机黏合剂等材料混合加热后,压入在塑料基体上,再经加热聚合而成。
其分辨率高、耐磨性好、阻值范围宽、可靠性高、体积下、寿命长;但耐压稍低、噪声较大、转动力矩大。
主要应用于对可靠性和温度要求较高的电子仪器中。
(3)线绕电位器。
线绕电位器(WX型)的电阻提示有电阻丝绕在涂有绝缘材料的金属或非金属板上制成的,簧片在电阻丝上滑动。
可制成精度达±0.1%的精密电位器和功率达100W以上的大功率电位器。
线绕电位器可分为单圈、多圈、多联结构;根据用途可制成普通型、精密型、微调型;阻值变化规律有线性和非线性两种。
这种电位器的额定性高、耐压好、精度高、噪声小,但阻值范围较小(一般为几欧至几十千欧)。
(4)电位器的选用。
选用电位器时,除了应根据实际电路的使用情况在确定外,还要考虑调节和操作等方面的要求。
·对于一般的电子仪器或家用电器,可选用有机实芯电位器或合成碳膜电位器。
·对于大功率的低频电路,可选用线绕电位器。
·对于调整好以后不需再动的电路,可选用轴端锁紧式的电位器。
·对于音响电路中用于音量调节的电位器,可选用指数式的电位器。
必须说明的是:
电位器的额定功率是指固定端之间允许耗散的功率,滑动端与固定端之间所能承受的功率通常小于电位器的额定功率,设计时应注意。
1.1.3电容器
电容器的种类较多,分类标准也不同,通常可按材料、用途、封装外形等分类。
在电子产品制作时,最常用的电容器有如下几种。
(1)金属化纸介电容器。
金属化纸介电容器(CJI型)是采用真空蒸发技术在
涂有期末的纸上再蒸镀一层金属膜作为电极,卷制成圆柱体后封装在铝壳内,有单向与双向两种引线方式。
这种电容器的体积小、容量大、成本低,突出的特点是受高压击穿后能够“自愈”。
但其电容量不稳定,自身电感和损耗都较大,通常仅适合频率和稳定性要求不高的电路。
(2)云母电容器。
云母电容器(CY型)是采用云母作介质,在云母表面上喷一层金属膜(通常为银)或用金属箔作为电极,按需要的容量叠片后经浸渍压塑在胶膜壳(或金属外壳、陶瓷外壳、塑料外壳)内构成的。
云母电容器具有稳定性好、分布电感小、精度高、损耗小、绝缘电阻大、温度特性及频率特性好等优点,其容量范围为5~51000pF,工作电压为50V~7KV,适用于高频电路、脉冲电路和要求高稳定性的电路。
(3)瓷介电容器。
瓷介电容器(高频CC型、低频CT型)也称陶瓷电容器,它用陶瓷材料作为介质,在陶瓷的表面涂覆一层金属(通常为银)薄膜,再经高温烧结后作为电极。
若在陶瓷薄膜上印刷电极,叠层烧结,就可制成独石电容器,独石电容器的单位体积比瓷片电容器小。
根据其使用的陶瓷材料的介电性能不同,有高频瓷介电容器与低频瓷介电容器两种。
·高频瓷介电容器。
由于高频瓷介电容器体积小、耐热性好、绝缘电阻高、损耗低、稳定性高,故常应用于要求低频损耗和容量的高频电路和脉冲电路中,也可用于温度补偿电路中。
·低频瓷介电容器。
其绝缘电阻低、损耗高、稳定性差,但其容量大,特别是独石电容器的容量可达2uF以上,故常用于对损耗和容量稳定性要求不高的低频电路中或作为信号旁路或欧和使用。
(4)涤纶电容器。
涤纶电容器(CL型)是用聚酯薄膜慰藉着制成的一种正温度系数无极性电容器(即温度升高时,电容量较大)。
它具有耐高温、耐高压、耐潮湿、价格低等优点,一般应用于中、低频电路中作为旁路电容等。
(5)铝电解电容器。
铝电解电容器(CD型)是将附有氧化膜的铝箔(正极)和浸有电解液的衬垫纸,与阴极(负极)箔叠片一起卷成圆筒形,封装在铝壳内。
由于极间单向导电特性,电解电容器不能用于交流电路。
它的损耗大、绝缘电阻小、漏电大,但其单位体积的电容量比其他任何电容器都大得多,容量可达数千微法。
故适用于电源滤波和音频旁路电路中。
(6)钽电解电容器。
钽电解电容器(CA型)有无极性钽电解电容器和有极性钽电解电容器之分。
有极性钽电解电容器的阳极材料采用金属钽材料,与铝电解电容器相比,其介质损耗小、频率特性好、耐高温、漏电流小,但生产成本高、耐压值低,广泛应用于对电性能要求较高的电路,如积分电路、计时电路和延时电路等。
(7)可变电容器。
可变电容器由很多定片与动片组成的平行板式结构,动片与定片之间用介质(空气、云母或聚苯乙烯薄膜)隔开,动片组可绕轴相对定片组旋转0°~180°,从而改变电容值的大小。
可变电容器按其结构分为单联、双联和多联,双联可变电容器又分为两组片子最大容量相同的等容双联,以及两组片子最大容量部的差容双联。
较常见的小型密封薄膜介质可变电容器(CBM型)采用聚乙烯薄膜作片间介质,体积小,在半导体收音机中(作调谐选台用)应用相当广泛。
串联可变电容器容量范围一般为7/270pF或7/360pF,双联可变电容器的最大容量一般为270pF。
(8)微调电容器。
微调电容器(CCW型)在两块同轴的陶瓷片上分别涂一层半圆形的银层,定片固定不动,通过旋转动片来改变两银片之间的距离,即可在较小的范围内改变电容量的大小,通常在高频回路中需要微调电容时使用。
电容器的选用要根据实际电路的使用条件和要求来确定。
·对于一般极间耦合,多选用金属化纸介电容器或涤纶电容器。
·对于电源滤波和低频旁路,通常选用铝电解电容器。
·对于高频电路或对电容量要求稳定的场合,应选用瓷介电容器、云母电容器或钽电解电容器。
·对于经常调整的电路,应选用可变电容器。
对于不经常调整的电路,则可选用微调电容器。
·定时电路对容量允许偏差有较高要求,一般电路对电容器的容量允许偏差要求不高,特别是在耦合或旁路电路中,往往电容量相差几倍也没有很大关系。
·额定直流工作电压一般应选为实际电路中所承受的电压的2倍以上。
但对于电解电容器,如果实际电路中的电压低于其额定直流工作电压的一半,则反而容易使电容器的损耗增大,故一般电解电容器的实际承受电压为额定直流工作电压的50~70%。
·极性电容器在使用时,不能将极性接反。
1.1.4半导体二极管
按照结构工艺的不同,二极管分为点接触型和面接触型两种。
由于点接触型二极管的PN接触面积小,结电容也小,故适用于高频电路;又因为其允许流过的电流较小,通常用作检波和在小电流状态下工作。
面接触型二极管的PN接触面积大,允许流过的电流也大,但结电容相应也大,故不适合在高频电路中使用,通常多用于频率较低的场合,如整流电路。
二极管有硅管和锗管两种,它们的电阻和正向导通(PN结电压)均不一样。
·锗二极管。
其正向电阻很小,正向导通电压约为0.2~0.3V,适用于小信号检波。
·硅二极管。
其反向漏电电流比锗二极管小得多,其不足之处是要有较高的正向电压才会导通(约0.6~0.7V),只适用于信号较大的电路。
·二极管正向导通时,要特别注意它的正向电流不能超过最大值,否则将烧坏PN结。
·由于二极管的核心是一个PN结,它的导电性能与温度有关,温度升高时二极管正向特性曲线向左移动,正向压降减小;反向特性曲线向下移动,反向电流增大。
在电子产品制作中,普通二极管应按极性安装与电路中,稳压二极管的负极应与电源的正极相接,其正极应与电源负极相连。
1.2电源设计芯片
为了更好的应用芯片,我们必须很好的了解应用到的每个芯片的原理及其应用,因此我们在此介绍了本设计中所应用到的芯片。
1.2.1LM317和LM337芯片介绍
1.2.1.1基本原理
LM317和LM337系列是美国国家半导体公司生产的三端可调稳压集成电路,广泛应用于各种电器的电源电路中。
LM317系列是正稳压集成电路,其内含稳定电路、取样电压放大电路、调整电路以及其他一些辅助功能电路;LM337系列是负稳压集成电路。
其特点是:
(1)输出电压,LM317为1.2V~37V;LM337为-1.2V~37V。
(2)封装、输出电流与功率容量见表
LM317
器件号后缀
封装
额定功率
设计负载电流
K
TO-3
20W
1.5A
H
TO-39
2W
0.5A
T
TO-220
20W
1.5A
MP
TO-202
2W
0.5A
LM337
K
TO-3
20W
1.5A
H
TO-39
2W
0.5A
T
TO-220
15W
1.5A
MP
TO-202
7.5A
0.5A
(3)LM317引脚功能及数据见表
引脚
功能
电压(V)
在路电阻
红笔测量
黑笔测量
①
调整
2.07
0.28
0.28
②
输入
8.22
6.4
4.8
③
输出
3.3
0.48
0.48
(4)只需两只外接电阻以设定输出电压和一只电容做频率补偿元件。
(5)线路电压调整率和负载调整率都优于标准固定稳压器。
(6)内部保护措施完善。
有内部电流限制、热关闭和输出晶体管安全区补偿,即使调节端没有连接,所以超载保护电路也可完全保留其功能,提供全超载保护。
(7)输出短路保护,悬浮特点。
1.2.1.2典型设计应用
以LM317正三端可调稳压电源应用为例介绍,LM337负三端可调稳压电源应用可类推。
(一)1.2V~25V可调稳压器
如图所示是LM317接成可调稳压电源最典型的应用,其输出电压范围为1.2V~25V。
该电路十分简单,输出电压
Vout=1.25(1+R2/R1)+IgndR2
其中,1.25V电压为调整端的固定基准电压;Ignd为调整端引脚电流,典型值为50Ua。
注意事项:
(1)一般地,R1≤240Ω。
(2)厂家提供的设计负载电流在1.5A以上,但在高输入输出电压时实际上芯片无法提供全负荷输出电流,设计电路时要特别注意,考虑到这点。
(2)C1滤波电容应尽可能靠近集成稳压器的输入端,特别的整流电路的滤波电容距集成稳压器10㎝以上时,必须加上C1。
(3)C2的作用是改进瞬态响应和输出阻抗,一般采用1~1000uF的铝电解电容器。
(4)用LM317T制作可调稳压电源,常因电位器接触不良时输出电压升高而烧毁负载。
如果增加一只三极管(如下图所示),在正常情况下,T1的基极电位为0,T1截止,对电路无影响;而当W1接触不良时,T1的基极电位上升,当升至0.7V时,T1导通,将LM317T的调整端电压降低,输出电压也降低,从而对负载起到保护作用。
如去掉三极管、断开W1中心连线,3.8V小电珠立刻烧毁,测出输出电压高达21V。
而加有T1时,小电珠亮度减小,此时LM317T输出电压仅为2V,从而有效地保护了负载。
(二)数控可调稳压器
如图所示是数控可调稳压器,电路实质上是用输入信号来控制不同的三极管导通,使稳压器的下分压电阻值变化,从而改变稳压器的输出电压。
输入的控制信号可以是A/D转换器来的信号,也可以是模拟开关切换来的信号。
R2可选择不同阻值电阻,以满足不同的Vout值。
注意:
输入的控制信号幅度要足够大,使三极管处于饱和导通状态,否则输出电压将不准确。
(三)具有保护二极管的稳压器
如图所示是具有保护二极管的稳压器。
D1用于防止输出电容C1在输入端电压低于输出端电压时,C1放电灌入稳压器而损坏稳压器。
D2用于防止输出端短路时,调整端电容C2放电灌入稳压器而损坏稳压器。
C2用于抑制纹波。
设计注意:
LM317内部连有一个50Ω电阻,限制电容峰值放电,当其电压为25V或者更低,以及输出电容量为10uF时,无需保护。
(四)大电流可调稳压器
如图所示是大电流可调稳压器,电路的扩流原理与三端固定稳压器的扩流原理相同。
(五)1A恒流源
如图所示是1A恒流源,电路利用了调整端1.25V电压固定这一特点构成,即输出电流:
Iout=1.25V/R1﹦1.25V/1.2﹦1A
设计注意事项:
(1)用LM317构成恒流源的恒流特性比用三端固定稳压器要优越的多。
为LM317调整端1.25V电压的稳定性和精度都非常好,因此如果条件许可,应尽可能选用LM317构成恒流源。
(2)如果将图中R1改为电位器,则该电路变为可调恒流源,电流可在1A内变化。
(六)高大增益放大器
如图所示是高大增益放大器。
该电路将LM317接成恒流源,作为放大管T的集电极负载,利用恒流源动态电阻很大的特点构成高增益放大器。
(七)具有电子关闭功能的5V逻辑稳压器
如图所示是具有电子关闭功能的5V逻辑稳压器。
当控制端TTL输入为低电平时,三极管T截止,稳压器正常工作输出;当控制端TTL输入为高电平时,三极管T饱和,稳压器关闭,无电压输出。
注意:
控制端TTL的输入电压幅度要足够大,使T处于饱和状态,才能将稳压器关闭,无电压输出,否则将造成稳压器不能可靠关闭,仍有一定电压输出。
1.2.1.3设计应用注意要则
(一)外接旁路电容
(1)在输入端接一只0.1uF瓷介电容对所有应用都适应。
(2)在调节端加滤波电容可阻止当输入电压增大时纹波被放大。
采用10uF滤波电容可将纹波抑制80dB,但当滤波电容的容量增至10uF以上时,并不能抑制120Hz频率以上的纹波。
(3)LM317输出端可以不用滤波电容就能稳定工作。
但像任何反馈电路一样,输出端外接负载中电容的某些值可能引起过度的减幅振荡。
这种振荡发生在电容量为500~5000pF的电容之间,因此在LM317输出端采用滤波电容,就可阻塞这种效应,一般在输出端接25uF铝电容,以保证电路的稳定。
(二)提高负载调整率
负载调整率是指当芯片温度不变而负载电流变化时输出电压的变化。
LM317可以提供极好的负载调整,但如果将调整端至输出端的设定电阻(通常为240Ω)接在靠近负载端,则负载调整率将成倍地变坏。
设计者在布置印刷电路板时一定要考虑到这点,应将该电阻接在芯片的输出端。
(三)采用保护二极管
保护二极管应选用能经受瞬间大电流冲击的管子。
大多数10uF电容器都具有低的内部串联电阻,在短路时足以提供20A的尖峰电流,虽然这种冲击电流是短暂的,但有足够的能量造成元件损坏。
因此应选用IN4000系列的二极管。
(四)悬浮特点
LM317和LM337三端可调稳压电源系列的一大特点是“悬置”,即仅看到输入及输出的电压的差值,只要输入与输出电压差不超过额定值,即可避免输出短路,就可以稳定数百伏的电源电压。
1.2.278xx和79xx系列芯片
1.2.2.1基本原理
78xx和79xx系列是应用非常广的稳压集成电路。
78xx系列是正稳压集成电路,79xx系列是负稳压集成电路,其特点是:
(1)输出电流,78xx和79xx为1A;78Mxx和79Mxx为500mA;78Lxx和79Lxx为100mA。
(2)输出电压为5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。
(3)无需外接元件,内部保护措施完善,有内部电流限制、热关闭和输出晶体管安全区补偿,不易损坏。
(4)78xx和79xx系列产品实质上是串联型集成稳压电源,与分立元件组成的串联型稳压电源一样,有调整管、电阻分压取样、基准、比较放大等环节。
与分立元件组成的串联型稳压电源相比,78xx和79xx系列具有内部多种保护措施,且内部保护措施十分完善。
1.2.2.2典型设计应用
78xx和79xx系列内部有许多保护措施,因此使用方便,除了接成固定的稳压器外,还可以有许多功能的扩展应用。
(一)
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