《电子设计综合实验》指导书.docx
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《电子设计综合实验》指导书
电子设计综合实验
实验指导书
编者:
李莉张磊王建新
电子信息工程系
北京电子科技学院
2007年5月
内容简介
本实验指导书是与电子设计综合实验课程配套的实验教材,适用于电子信息工程专业、通信工程专业和信息安全专业。
本实验指导书强调实际操作,注重对学生动手能力的培养,使学生掌握常用电子电路系统的分析、设计方法,更好地理解掌握电子电路的相关知识,通过分析问题、发现问题、解决问题,锻炼学生的系统思维能力,建立一定的工程意识,培养创新意识,提高实践动手能力。
本实验指导书可作为电类专业本科生的参考实验指导,或相近专业本科、专科生的选修参考书,也可作为相关工程科技人员的实验操作指导书。
实验一电源模块的设计
一、设计目的
通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试,要求掌握:
1.选择适当的变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源;
2.掌握直流稳压电路的调试方法及主要性能指标的测试方法。
二、设计内容及要求
设计一个集成稳压电源,主要技术指标如下:
1.同时输出±15V电压、+5V电压、输出电流为0.5A;
2.输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于5×10-3;
3.输出内阻小于0.1Ω;
4.加输入保护电路,最大输入电流不超过2A。
其中电源变压器只作理论设计,保护电路拟采用限流型。
三、基本原理
1.直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成,如图1.1所示。
其中电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。
变压器副边与原边的功率比为:
式中 η为变压器的效率;P2为副边功率;P1为原边功率。
图1.1直流稳压电源基本组成框图
整流滤波电路中的整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除纹波,输出直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路,如图1.2所示。
(a)全波整流滤波电路(b)桥式整流滤波电路(c)倍压整流滤波电路
图1.2 几种常见的整流滤波电路
各滤波电容C满足:
式中 T为输入交流信号周期;RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。
大部分集成稳压器都具有输出电压稳定的功能。
集成稳压器本身不能产生功率,只是将输入端功率取出传给负载,通过控制该功率的大小使输出电压不变。
电源的工作方式有线性和开关两种,集成稳压器也一样有线性集成稳压器和开关集成稳压器。
一般来说,线性集成稳压器的功耗较大,变换效率只有40%左右,不适用于大功率电源,而小功率电源采用线性稳压器较好。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器和可调式三端稳压器(均属电压串联型),下面分别介绍其典型应用。
固定三端集成稳压器分正压和负压两个系列,两系列除输出电压极性、引脚定义不同外,其他特点相同。
三端稳压器的三端是输入端子UI、输入出端子Uo和公共端子COM,使用时公共端子COM通常接地,其内部等效电路如图1.3所示。
它由调整管、保护电路、控制电路、误差放大器等组成,Uo-COM端子间电压与基准电压Uref进行比较,工作时经常保持一致,当输入电压UI或输出电流IO变化时,使输出电压Uo保持稳定。
图1.3 三端稳压器的内部等效电路
正压系列以78XX系列为代表,输出电压有5、6、8、10、12、15、18、20、24V等品种,输出电压精度基本上为4%。
该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护,以防过载损坏。
一般不需要外接元件即可工作,有时为改善性能也加少量元件。
78XX系列又分三个子系列:
78XX、78MXX和78LXX,其差别只在输出电流和外形,78XX输出电流为1A,78MXX输出电流为0.5A,78LXX输出电流为0.1A。
负压系列以79XX为代表。
78XX系列、79XX系列典型电路如图1.4所示,封装形式如图1.5所示,主要参数如表1.1所示。
(a)正电压输出(b)负电压输出
(c)正、负电压输出
图1.4 固定三端稳压器的典型应用
(a)TO3封装 (b)TO220封装 (c)TO92封装
图1.5 三端固定式集成稳压器的封装形式
表1-17805、7905的主要参数
输入电压
最小输入电压
输出电压
输出电流
电压调整率
电流调整率
静态电流
输出电压温漂
输出噪声电压
纹波抑制比
静态电流变化
最大输入电压
符号
Vi
Vimin
Vo
Io
Sv
Si
Im
Sr
VNO
SR
∆Im
Vimax
单位
V
V
V
A
mV
mV
mA
mV/oC
V
dB
mA
V
7805
10
7
5
1.5
7
20
8
1.0
40
63
0.5
35
7905
-10
-7
-5
1.5
7
20
8
1.0
40
63
0.5
-35
可调式三端集成稳压器也分为正压系列和负压系列。
正压系列以W317系列为代表,负压系列以W337系列为代表,两者除了输出电压极性、引脚定义不同外,其他特点都相同。
W317系列稳压块能在输出电压为1.25~37V的范围内连续可调,外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。
其芯片内也有过流、过热和安全工作保护区,最大输出电流为1.5A,其典型电路如图1.6所示。
图1.6 可调式三端集成稳压器的典型应用
其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器,输出电压Uo的表达式为:
式中 R1一般取值为120~240Ω。
输出端与调整压差为稳压器的基准电压(典型值为1.25V),所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。
若要连续取出1A以上的电流,采用加接三极管增大电流的方法,对集成稳压器电流进行扩展,如图1.7所示。
图中VT1称为扩流功率管,应选大功率三极管。
VT2为过流保护三极管,正常工作时该管处于截止状态。
其中,三级管VT1的直流电流放大倍数β必须满足:
另外,Ii的最大值由VT1的额定值决定,如需更大的电流,可把三极管接成达林顿管方式。
图1.7输出电流扩展电路
由图1.7可以得出输出电流为:
此时,三端稳压器内部过流保护电路已失去作用,而使用VT2和R1构成的外部保护电路。
当电流Ii在R1上产生的电压降达到VT2的UBE2时,VT2导通,于是VT1的UBE2值下降,使VT1关断,从而达到限制电流的目的。
保护电路的动作点是:
三极管的UBE2具有负温度系数,当确定R1的数值时,必须考虑此温度系数的影响。
这种通过外接功率管VT1来扩流方法的缺点是降低系统稳压精度,增加稳压器的输入与输出压差,这对大电流工作的电源是不利的。
若希望稳压精度不变,可采用集成稳压器并联方法来扩大输出电流,具体电路请参考有关电源类资料。
2.稳压电源的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分为两类:
一类是性能指标,包括输入电压、输出电压、输入电流及输出电流等;另一类是技术指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、温度系数及纹波电压等。
其测试电路如图1.8所示。
图1.8稳压电源性能指标测试电路
(1)纹波电压
纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。
用示波器观测其峰-峰值ΔUo(P-P),一般为毫伏量级,也可以用交流电压表测量其有效值,但因ΔUo不是正弦波,所以用有效值测量其波纹电压时会产生一定误差。
(2)稳压系数
稳压系数是指在负载电流、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:
(3)电压调整率
电压调整率是指输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量,即
稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压相对变化对输出电压的影响,因此只需计算其中之一即可。
(4)输出电阻
输出电阻是指当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值,即:
(5)电流调整率
电流调整率是指输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化值,即:
输出电阻ro和电流调整率Ki均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此只需计算其中之一即可。
3.设计指导
直流稳压电源的一般设计思路为:
(1)由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功率)选择器件;
(2)由稳压电路所要求的直流输入电压Ui、直流电流Ii确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容,并确定变压器的副边电压ui的有效值、电流ii的有效值及变压器功率η;
(3)由电路的最大功耗及工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。
图1.9为集成稳压电源LM7805的典型电路。
其主要器件有变压器T、整流二极管、滤波电容、集成稳压器。
图1.9 集成稳压电源的典型电路
4.器件选择原则
(1)集成稳压器
稳压电路输入电压Ui的确定:
为保证稳压器在电网电压低时仍处于稳压状态,要求:
式中 (Ui-Uo)min是最小输入输出电压差,典型值为3V。
按一般电源指标的要求,当输入交流电压220V变化±10%时,电源应稳压。
因此,稳压电路的最低输入电压为:
另一方面,为保证稳压器安全工作,要求:
式中 (Ui-Uo)max是稳压器允许的最大输入输出电压差,典型值为35V。
(2)电源变压器
确定整流滤波电路形式之后,由稳压器的最低输入直流电压Uimin计算出变压器的副边整流后的电压Ui、电流Ii。
5.设计示例
设计一个集成直流稳压电源,性能指标要求:
Uo为5~12V连续可调;输出电流Iomax为1A;纹波电压≤5mV;电压调整率Ku≤3%;电流调整率Ki≤1%。
选可调式三端稳压器W317,其典型指标满足设计要求,电路形式如图1.10所示。
图1.10 设计示例
首先选择器件,电路参数计算如下。
(1)确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin
代入各指标,计算得:
根据经验,可取电压值17V。
(2)确定变压器副边整流后的电压、电流及功率
根据经验,可取Ii为1.1A。
变压器副边功率为:
根据经验,可取P2=17W。
设变压器的效率η=0.7,则原边功率P1为:
由上分析,可选购副边电压为16V,输出1.1A,功率30W的变压器。
(3)确定整流二极管及滤波电容
选择电路形式为桥式整流方式,可通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。
已知整流二极管1N5401,其极限参数为URM=50V,ID=5A。
滤波电容C1为:
式中 T=2×104μs。
根据经验,可取2200μF/25V的电解电容做滤波电容。
(4)散热器及稳压功耗计算
当输入交流电压增加10%时,稳压器输入直流电压最大,即
因此,稳压器承受的最大压差为:
最大功耗为:
因此,应选用散热功率大于16.5W的散热器。
(5)其他措施
如果集成稳压器离滤波电容C1较远时,应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2。
电容C3用来旁路电位器RP两端的波纹电压。
当C3的容量为10μF时,纹波抑制比可以提高20dB,减少到原来的1/10。
另一方面,由于电路中接入了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中存储的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。
为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器,在R1两端并接一只二极管VD2。
W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作。
当输出端有500~5000pF的容性负载时,就容易发生自激。
为了抑制自激,在输出端接一只1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4,该电容还可以改善电源的瞬态响应,但是接上该电容以后,集成稳压器的输入端一旦发生短路,C4将对稳压器的输出端放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入与输出端之间,接一只保护二极管VD1。
(6)总装及指标测试
在电路总装时,首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损坏变压器及其它器件;整流二极管的方向不要接反,否则会损坏变压器;散热器安装时应根据其位置决定是否需要与集成稳压器间的绝缘;调试时,可用滑线变阻器或电位器作等效负载,调节电位器RP,若输出电压随之变化,说明稳压电路正常工作;应随时注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。
将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载,测量下列各值是否满足设计要求:
Ui为最高值(电网电压有效值为220×1.1=242V),Uo为最小值(此例为+5V),测试稳压输入、输出端压差是否小于计算值,并检查散热器的温升是否满足要求(此时应使输出电流为最大负载电流)。
Ui为最低值(电网电压有效值为220×0.9=198V),Uo为最大值(此例为+12V),测稳压输入、输出端压差是否大于3V,并检查稳压输出情况。
如果上述结果符合设计要求,便可按照前面介绍的测试方法,进行质量性能测试。
四、参考元器件
1、副边输出电压为15V×2,输出电流为0.5A,功率为20.1W的变压器
2、LM7815
3、LM7915
4、LM7905
5、整流二极管(桥堆)
6、保险管
7、散热片
8、开关
9、排线
10、系列电阻、电容若干
五、实验仪器
PC机、示波器、工具盒、万用表。
六、实验要求
同学们在实验前应该认真准备实验,根据实验讲义和课堂上学到的知识写出实验预习报告,带到实验现场。
要求按图1.11完成全电路理论计算、系统设计、安装调试、绘制ProtelDXP电路原理图及PCB图,提交电路原理图、PCB图、设计实物、实验报告及使用说明书,其中实验报告内容部分要包含电路原理、电路中各部分参数的计算方法及计算结果,结论部分要包含实验过程中问题的解决的方法,具体要求见实验报告写作规范。
图1.11 正负电源设计图
实验二输入通道的设计
一、设计目的
了解单片机输入通道的工作原理,掌握常用单片机输入通道的电路设计方法。
二、设计内容及要求
采用已有的单片机最小系统,设计一个单片机系统输入通道,完成被测信号的采集,并能够根据键盘输入的信号执行不同的操作。
具体要求如下:
(1)采用一种可进行转速测量的传感器,例如霍尔传感器、光电传感器或接近开关(金属传感器的一种),进行转速的测量,并将采集到的信号传输给单片机存储;
(2)外部键盘采用4×4贴片式键盘,要求设计可以根据键盘输入的信号开始或停止转速的测量。
感兴趣的同学可以选做下面的两个实验。
(1)采用一种A/D转换芯片,完成对被测电压的测量与转换,并存储到单片机的内存中;外部键盘采用4×4贴片式键盘,要求设计可以根据键盘输入的信号开始或停止被测电压的测量;
(2)设计一个测量范围为100pF~100uF,测量误差小于±10%的电容数字测量仪,并将测量出的电容值以数字方式显示出来。
三、基本原理
输入通道是测控系统的重要组成部分,典型测控系统的组成如图2.1所示。
单片机系统为核心,以人机通道、前向通道、后向通道和相互通道为桥梁,实现功能扩展,完成对被控对象的测控任务。
单片机系统主要是由中央处理器(CPU)、ROM和RAM等部分组成。
前向、后向通道的信号形式有模拟量、数字量、开关量和脉冲量。
由模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器以及相应的接口组成输入通道,也称为前向通道。
输出通道可以产生相应的控制量:
模拟量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出,输出通道也被称为后向通道。
在较大规模的测控系统中,不可避免地要采用多机系统,各处理器之间实现相互通信与控制,其通道接口被称为相互通道。
图2.1 测控系统组成框图
(1)霍尔传感器转速测量原理
霍尔传感器是利用霍尔效应的原理制成的。
霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过,此时如有一磁场也作用于该半导体材料上,则在垂直于电流方向的半导体两端,会产生一个很小的电压,该电压称为霍尔电压,如图2.2所示。
图2.2 霍尔效应原理图
在进行转速测量时,当磁性材料制成的传感器转子上的凹凸齿交替经过永久磁铁的空隙时,就会有一个变化的磁场作用于霍尔元件(半导体材料)上,使霍尔传感器产生脉冲信号,根据所产生的脉冲数目即可实现转速的测量。
(2)光电传感器转速测量原理
光电传感器是一种将转速通过光量的变化转化为电量变化的传感器。
直射式光电转速传感器的结构如图2.3所示。
它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。
开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接,光源发出的光,通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收,将光信号转为电信号输出。
开孔圆盘上有许多小孔,开孔圆盘旋转一周,光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数,因此,可通过测量光敏元件输出的脉冲频率计算被测转速,即:
式中 n为转速;f为脉冲频率;N为圆盘开孔数。
图2.3 直射式光电转速传感器的结构图
(3)接近开关转速测量原理
接近开关传感器是一种将转速转化为电感量变化的传感器,如图2.4所示。
例如,涡流式接近开关传感器,当金属导体在磁场中运动时,内部会产生闭合的感应电流,该电流叫电涡流。
在转轴上开一个或多个键槽,当轴转动时,涡流式接近开关传感器将周期性地改变输出信号,该信号经放大、整形后,可以用频率计指示输出频率值,由此即可计算转速。
图2.4 涡流式接近开关传感器示意图
(4)键盘扫描电路
扩展一个4×4键盘电路,如图2.5所示。
图中键盘的行线X0~X3通限流电阻接电源VCC,当键盘上没有键闭合时,所有的行线和列线都断开,行线都呈高电平。
当键盘上某一键闭合时,则该键所对应的行线和列线被短路。
例如,S9被按下闭合时,行线X1和列线Y2被短路,此时X1的电平由Y2的电位所决定。
如果把行线接到单片机的输入口,列线接到单片机的输出口,则在单片机的控制下,先使列线Y0为低电平,其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高电平,读行线状态。
如果X0、X1、X2、X3都为高电平,则Y0这一列上没有键闭合。
如果读出的行线状态不全为高电平,则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态。
如果Y0这一列上没有键闭合,接着使列线Y1为低电平,其余列线为高电平,用同样方法检查Y1这一列上有无键闭合。
以此类推,最后使列线Y3为低电平,其余的列线为高电平,检查Y3这一列上是否有键闭合。
这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。
图2.5 4×4键盘扫描电路
单片机对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式,CPU空闲时扫描键盘,也可以采取定时控制方式,每隔一定时间,CPU对键盘扫描一次,CPU可随时响应键盘输入中断,对键盘扫描,以识别哪一个键处于闭合状态,并对键输入信息做出相应处理。
CPU对键盘上闭合键号的确定,可以根据行线和列线的状态计算求得,也可以根据行线和列线的状态查表求得。
在图2.5中,若Y0为低电平,按下S*键时,X0上的电压波形如图2.6所示。
图中t1和t3分别为键的闭合和断开过程中的抖动期,抖动时间的长短和开关的机械特性有关,一般为5~10ms;t2为稳定的闭合期,其时间由操作员的按键动物所决定,一般为几百毫秒到几秒;t0和t4为断开期。
为了保证CPU对键的闭合做一次且仅做一次处理,必须去除抖动,在键的稳定闭合和断开时读键的状态。
图2.6 键按下和释放时的电压波形
给出一个键盘扫描的源程序。
;P3口接键盘,P3.0接键盘靠近S1的脚
;P0口接数码管段码端J7,再将任一数码管的位码接地
ADEQU30H
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0030H
MAIN:
MOVP3,#0FH ;P0-3输出1,作为输入位
MOVA,P3
ANLA,#0FH
CJNEA,#0FH,DELAY
SJMPMAIN
DELAY:
ACALLDELAY1 ;延时去键抖
MOVA,P3
ANLA,#0FH
CJNEA,#0FH,HAVE
SJMPMAIN
HAVE:
MOVA,#0EFH ;行扫描码
NEXT:
MOVB,A
MOVP3,A
MOVA,P3
ANLA,#0FH ;检测列
CJNEA,#0FH,YES
MOVA,B
RLA
CJNEA,#0FEH,NEXT
YES:
ORLA,#0F0H ;高四位置1
CPLA
MOVR2,#00H
MOVR2,A ;存列码
MOVA,B ;取行码,
CPLA
ORLA,R2 ;列码+行码=键植
MOVP2,A ;用P2口接发光二极管查看结果
MOVAD,#00H
ACALLDISPKEYV
JMPMAIN
DISPKEYV:
KEY0:
CJNEA,#11H,KEY1
AJMPWORD0
…
KEY14:
CJNEA,#84H,KEY15
AJMPWORD14
KEY15:
CJNEA,#88H,PASS
AJMPWORD15
WORD0:
MOVAD,#00
ACALLDISP
AJMPPASS
WORD1:
MOVAD,#01
ACALLDISP
AJMPPASS
WORD14:
MOVAD,#14
ACALLDISP
AJMPPASS
…
WORD15:
MOVAD,#15
ACALLDISP
PASS:
RET
DISP:
MOVA,AD
MOVDPTR,#NUMTAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
RET
NUMTAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH
DELAY1:
MOV R5,#10
D1:
MOVR6,#250
DJNZR7,$
DJNZR5,D1
RET
(5)A/D转换原理
A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。
按转换原理可分为四种:
计数式、双积分式、逐次逼近式以及并行式A/D转换器。
逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快,精度较高的转换器,其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。
逐次比较型A/D转换器是具有反馈回路的闭环系统,包括D/A转换器、数码设定器、电压比较器和控制器四部分如图2.7所示。
逐次比较型转换原理是由数码设定器给出二进制数,经D/A转换为模拟电压Uf,这个反馈电压作为比较标准电压,与输入的模拟电压Ui在比较器进行比较,比较结果通过控制器去修正输入到D/A转换器的数字量。
这样逐次比较,直到加到比较器两个输入端的模拟量十分接近为止,此时数码设定器输出的二进制数就是对应于输入模拟量的数字量。
图2.7 逐次比较型A/D转换框图
量化间隔和量化误差是A/D转换器的主要技术指标之一。
量化间隔由下式计算:
式中 n为A/D转换器的位数。
量化误差有两种表示方法,一种是绝对量化误差,另一种是相对量化误差。
其中,绝对量化误差为:
相对量化误差为:
ADC0809是8路模拟输入8位数字输出的逐次逼近法A/D器件,其芯片内部结构如图
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