13组电子工程设计报告.docx
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13组电子工程设计报告
电子工程设计报告
题目:
稳压电源与变送器电路设计
专业:
自动化
小组:
第13组
姓名:
于天予学号:
11020215
姓名:
冀思锐学号:
11020211
指导教师:
贾惠忠
2013年10月8日
中文摘要
本报告为电子工程训练第一阶段的实验报告,主要内容包括以下三个模块的设计和实现,以及个人的一些心得体会。
直流稳压电源模块为其他模块供电,由变压器、整流滤波电路和稳压电路三部分组成,完成将市电交流电压变为所需要的低压交流电,再将交流电经整流滤波变为稳定的直流电压输出,输出+12,-12,+5V直流电压。
传感器信号处理电路(或叫做变送器)模块的功能就是进行信号变换,包括信号形式的变换和信号幅度的调整,最终将传感器输出的不同形式的弱电信号转换为后续电路能够处理的标准电压信号。
控制信号驱动模块主要是在负载很重,并且很不稳定的情况下,保证输出电压在设计范围内尽可能跟随输入电压变化。
该电路从需求上讲是用来放大电流,前级通常为电压放大电路。
之所以要放大电流,是因为半导体制冷片的阻抗太小,如果不保证足够的电流驱动,就无法建立起所需的控制电压。
目录
课题背景1
第一部分直流稳压电源电路2
一、设计要求2
二、设计要求分析2
三、设计方案2
1、线性稳压电路特点2
2、集成线性稳压电路(三端稳压器)2
3、DC-DC变换器2
4、直流稳压电路原理2
四、设计实现5
1、直流电源模块PCB图5
2、调试原理与方法5
3、焊接电路与调试6
第二部分传感器信号处理电路7
一、设计要求7
二、设计要求分析7
三、设计方案7
1、测温元件选择7
2、电路方案7
3、传感器信号处理电路原理8
四、设计实现9
1、调试原理与方法9
2、焊接电路与调试9
第三部分控制信号驱动电路10
一、设计要求10
二、设计要求分析10
三、设计方案10
四、设计实现11
1、调试原理与方法11
2、焊接电路与调试11
致谢12
参考文献12
体会和建议12
课题背景
温度是我们生活中经常用到的物理量。
在农业上,对于温室大棚等控制好温度显得尤为重要;在工业生产中,温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
考虑到小型温室(如城市周边的菜农、花农的温室)和日光温室只需要对温度进行监测,如果采用目前市场上的温室控制系统就会造成成本过高的问题。
然而这些小型温室对于解决城乡人民的蔬菜、花卉供应发挥着重要的作用。
所以设计一种价格低廉、性能稳定,满足普通小型温室用户需要的简易温度控制系统十分很有必要。
基于以上原因,本电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。
设计好的稳压电源模块能够将市电220V转换为±5V和±12V的直流电压为温度测量与控制系统提供稳定的电压。
而变送器模块能准确地将传感器采集到的温度信息送到模数转换器,再由模数转换器将模拟信号转换为数字信号最终发送给单片机。
对应的,数模转换器将单片机发出的控制信号由数字量转化为模拟量,通过驱动器来控制温度。
第一部分直流稳压电源电路
一、设计要求
交流输入:
~9V
~14V×2
直流输出:
+5V/1A
±12V/0.5A
安装:
独立电路板结构
二、设计要求分析
直流稳压电源模块为其他模块供电,由于输入为市电交流电压,而要求输出为直流电压以作为直流电源,故通过整流滤波电路和稳压电路以进行交流电压的整流。
这一模块由变压器、整流滤波电路和稳压电路三部分组成,变压器将市电交流电压变为所需要的低压交流电,再将交流电经整流滤波电路变为直流电压,然后经过稳压电路稳定电压,将之输出。
输出为+12,-12,+5V直流电压。
三、设计方案
1、线性稳压电路特点
1.1利用晶体管进行电压调整
——动态响应特性好
——波纹、噪声小
1.2电压调整晶体管工作在放大区
——功耗大、发热量大
——效率低
适用于低压差、小功率的场合
2、集成线性稳压电路(三端稳压器)
2.1采用带隙(能隙)基准电压电路
——温度特性好、噪声小
2.2多种保护措施
——过流、过热、短路保护
2.3无需其他外围元件
——使用方便、无需调整
3、DC-DC变换器
利用开关稳压基本原理设计的集成开关稳压器,外围元件少,易于实现。
4、直流稳压电路原理
用集成线性稳压器和DC-DC开关稳压器设计的电源电路如图1.1所示。
图1.1采用集成线性稳压器和DC-DC开关稳压器设计的直流稳压电源电路图
直流稳压电源由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。
变压器的作用是将220V的市电交流电压变为所需要的9V、12V的低压交流电,然后通过整流器将9V、12V的交流电变为直流电,最后稳压器将不稳定的直流电压经滤波后,变为稳定的直流电压输出。
4.1变压器
将220V市电交流电压变为所需要的9V、12V低压交流电,如图1.2所示。
为避免出现危险,在本训练中变压器集成在实验箱中。
图1.2变压器
4.2整流器
整流,就是把交流电变为直流电的过程。
利用具有单向导电特性的器件,如二极管,就可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。
在本设计采用单相桥式全波整流电路。
正半周期负半周期
图1.3单相桥式整流电路电流流向示意图
如图1.3所示,E2为正半周时,电流从正极经过D1、Rfz、D3流到负极,D1、D3导通,D2、D4截止,在Rfz上形成上正下负的半波整流电压;E2为负半周时,电流从正极经对D2、Rfz、D4流到负极,D2、D4导通,D1、D3截止。
同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
整流后,经电容滤波,尽可能地减小输出电压中的波动成分,改造成接近恒稳的直流电,整流滤波电路如图1.4所示。
图1.4整流滤波电路原理图:
通过电容进行滤波,可以对比滤波前后的波形,如图1.5。
滤波效果取决于放电时间,电容越大,负载电阻越大,滤波后输出电压越平滑,并且其平均值越大。
图1.5滤波前后波形
4.3稳压器
三端集成稳压电路为固定输出正压(或负压),有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V共7种。
其中7805稳压输出为5V,7812和7912稳压输出为12V
为了保证稳压器能够正常工作,要求输入电压Ui与输出电压Uo的差值应大于3V。
压差太小,会使稳压器性能变差,甚至不起稳压作用;压差太大,又会增大稳压器自身消耗的功率,并使最大输出电流减小。
厂家对每种型号的稳压器都规定了最大输入电压值。
一般取Ui-UO为3~7V。
三端稳压器属于功率半导体器件,一般需要加装散热片。
管脚序号见图1.6。
图1.6三端稳压器(78、79系列)管脚序号判断
四、设计实现
1、直流电源模块PCB图
图1.7直流电源模块PCB图
在此之前,我们对于PCB图没有丝毫的概念,对如何调用元器件、如何连线、有哪些规定限制都不了解,刚开始时不知从何下手,后来听老师讲解,加上询问其他的同学,才知道如何去绘制。
PCB(PrintedCircuitBoard),中文名称为印制电路板,又称印刷电路板、印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。
由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。
印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。
印刷电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。
优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。
简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。
PCB电路图就是在制版时直接印在覆铜板上的,然后再在印好的班上焊接元件。
2、调试原理与方法
直流稳压电源电路相对比较简单,电路的调试相对容易。
调试台上提供了直流稳压电源电路必须的交流电源,按照下面的要求进行操作即可完成电路的基本测试工作。
(1)电源板焊接完毕,对照原理图认真检查一遍然后开始测试。
(2)测试时,电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有~9V、~14V的插座连接,左插座悬空。
(3)连接完毕后,打开调试台电源远离电源板1~2分钟,观察电路板有无异味或异常响动,如果一切正常可以开始进一步的测试。
(4)用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义,检测+5V、+12V、-12V输出。
(5)若+5V、+12V、-12V输出不正常,需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊,并重复2、3、4的步骤。
(6)输出正常的电源板,替换模板上的电源板后,若模板正常运行,电源板的设计工作结束。
否则,检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题。
3、焊接电路及其调试
在焊接电路的过程中我们两个一起设计了电路板的布局与布线,然后两个人互相帮助合作焊好了第一部分。
在第一部分焊接完毕后,我们按照单路原理图认真检查了一遍,在确定没有问题后我们开始调试。
我们把电源板按要求插在试验台的相应位置上,然后按要求开始量相应管脚的电压,但是在测量时我们发现应该有+5V电压的地方万用表显示为0V,于是我们开始检查电路连接是否有误。
在确定了电路连接无误后我们开始查资料并且向同学请教,在多方求助无果后,我们觉得可能是电路焊接不牢固,于是我们决定将焊接好的第一部分拆开重新焊接。
在第二次全部焊接后,我们又对照电路图仔细检查并且确定无误后,将电路板插在要求位置上,按照调试的要求开始调试,这一次因为焊接的比较认真牢固,所以电路板的调试直接就成功了。
实际焊出的电路图如图1.8所示。
图1.8直流稳压电源板
第二部分传感器信号处理电路
一、设计要求
测量温度:
0℃~100℃
输出电压:
0V~+5V
测量误差:
满刻度1%(0.05V或1℃)
负载阻抗:
>30KΩ
限制条件:
~0.3V<输出电压<+5.3V
安装:
独立电路板结构
二、设计要求分析
由于电子系统中主要的信号形式是电压,所以变送器的主要功能就是进行信号变换,包括信号形式的变换和信号幅度的调整,最终将传感器输出的不同形式的弱电信号转换为后续电路能够处理的标准电压信号。
对于AD592输出的微安级的电流信号,变送器设计的主要任务是电流到电压的转换和电压信号的放大。
另外相对于0℃~100℃的测温范围,AD592的电流输出范围为273uA~373uA,也就是在温度测量的0点,传感器输出的电量信号不为0。
为了方便信号的后续处理,变送器还要进行电压信号的平移处理,使得对于温度测量的0点,变送器的输出电压也为0。
三、设计方案
1、测温元件选择
测温元件选择要考虑激励源、输出形式、电气特性三个方面。
•激励源主要考察是否需要激励源(有源或无源),激励源是电压源还是电流源,是否需要恒定激励源(恒压源或恒流源)。
•测温元件的输出主要关注输出是数字电量还是模拟电量。
如果是模拟电量,其类型是电流、电压还是电抗。
信号是平衡输出还是非平衡输出。
•电器特性主要包括灵敏度、精度、稳定性等。
在本设计中使用半导体温度测量元件AD592,该测温元件为电流输出,精度高、稳定性好,信号调理电路容易(变送器)设计。
AD592主要特性:
•供电:
+4V~+30V
•温度系数:
1uA/℃
•0℃输出:
273.2uA
•工作温度:
-25℃~+105℃
•非线性误差:
0.1℃~0.5℃
•重复误差:
±0.1℃
•时飘:
±0.1℃/月
2、电路方案
为了简化设计电路,变送器采用运算放大器作为核心运算元件。
由于OP07是一款高精度、低漂移、稳定性好、成本低的运算放大器,所以采用OP07进行变送器的设计,利用OP07搭建一个反向比例运算电路将AD592输出的电流转换为电压并对其放大,使之达到设计要求。
3、传感器信号处理电路原理
采用OP07设计的传感器信号处理电路图如图2.1。
图2.1采用OP07设计的传感器信号处理电路图
变送器是信号变换电路,按照设计要求,输入电流在273A~373A范围内变化时,输出电压的变化范围是0~5V,并且具有线性对应关系,变送器电路标定方法为:
设置T=0℃,调整R2阻值,改变取样电压,使V0=0V;设置T=100℃,调整R5阻值,改变放大器增益,使V0=5V。
重复以上操作2~3遍,使得误差减小到允许范围内,完成标定工作。
3.1AD592特性分析
T(℃)
图2.2AD592测量电路及其特性曲线
AD592的温度系数为1uA/℃,即温度每变化1℃,AD592的输出电流就变化1uA,当T=0℃时,i1=273uA,i2-i1=100uA:
当T=100℃时,i2=373uA。
由AD592的特性曲线,可以看出,AD592的输出电流与温度呈线性关系,因此只要在温度是0℃时,Vo=0V,在温度是100℃时,Vo=5V,输出电压与温度的变化就应该是线性的。
3.2变送器特性分析
如图2.3所示,当T=0℃时,Vo=0V;当T=100℃时,Vo=5V。
于是,可得输出电压随温度的变化率为5V/100℃=0.05V/℃。
图2.3变送器特性曲线
3.3变送器电路
变送器电路图见图2.1。
由于V+=-3.3+i(R1+R2),在T=0℃时,i=273uA,V+=0V,于是R1+R2≈12.09K,取R1=9K,考虑到计算得到的在实际中还需要调节,故将R2取为5K的电位器。
在T=100℃时,i=373uA,此时V+=-3.3+i(R1+R2)≈1.17V,则比例运算电路的放大倍数应取为k=5/1.17≈4.27,所以选择R4=1K,R5为5K的电位器。
为防止输出电压超过5V对后面的电路造成破坏,输出端如图2.1所示,通过一个电阻、两个二极管IN4148分别与+5V电源、地相连组成限幅电路。
3.4变送器电路标定方法
设置T=0℃,调整R2阻值,改变取样电压,使V0=0V;设置T=100℃,调整R5阻值,改变放大器增益,使V0=5V。
以上操作重复2~3遍,标定工作完成。
四、设计实现
1、调试原理与方法
变送器是信号变换电路,按照设计要求,输入电流在273uA~373uA范围内变化时,输出电压的变化范围为0V~5V,并且具有线性对应关系。
调试台为变送器调试提供了AD592的测温信号,并且可以在-10℃~+110℃之间任意设置。
调试中,改变温度设置,AD592测温信号输出引脚上就会输出与设置温度对应的电流,如果变送器的输出电压与设置的温度同步变化,表明电路能够正常工作,可以开始标定工作。
变送器在温度控制系统中是精密的测量电路,整个系统温度测量与控制的精度取决于变送器的测量精度,而变送器的测量精度又取决于其输入—输出之间的信号关系能否得到满足。
因此,变送器的标定就是通过调整电路设计中预留的可调元件,改变电路参数,尽最大可能提高输入电流与输出电压之间的实测关系与理论设计关系之间的匹配程度。
2、焊接电路及其调试
在做好以上的设计工作以后,我们开始焊接电路,由于有了第一块电路板的经验,这次焊的时候我们毎焊完一部分都要检查一下焊接的是否牢固,焊接的线路是否正确。
在焊接完毕后,我们开始测试,然而正如第一块板那样,在插在相应位置上后电压的输出不正常,输出电压值很小,几乎可以忽略,而且无论怎么调电位器,输出电压都不变。
于是我们开始仔细检查电路连接是否正确,在检查过了很多次后我们确定连线并没有问题,而且在用万用表检查后我们也确定了不是焊点虚的原因,于是我们测量了各处电压发现电源处也没有电压,于是我们猜测是两边的管脚不够长差的不够深接触不实。
在改过来以后,重新测试,这次电路输出端出现了电压,将温度调为0℃,调节R2阻值,使得输出变为零;接着将温度调为25℃,调节R5阻值,使得输出为1.25V;然后将温度调为50℃,输出变为2.52V,然后依次增加25℃,直到温度变为100℃,此时输出变为5.04V,误差在要求范围内,至此传感器信号处理电路的设计结束。
第三部分控制信号驱动电路
一、设计要求
控制半导体制冷片的驱动电路实际上是一个电压增益为1的功率放大器,要求如下:
输入电压:
-10V~+10V
输出电压:
-10V~+10V
电流输出能力:
>3A
输入阻抗:
>1kΩ
负载阻抗:
3.5Ω
负载驱动形式:
共地
安装:
独立电路板结构
二、设计要求分析
半导体制冷片实际上还是电压控制,是通过电压的改变来改变制冷片的温度。
之所以提出电流的要求,是因为半导体制冷片的阻抗太小,如果不保证足够的电流驱动,就无法建立起所需的控制电压。
因此,控制信号驱动电路的主要任务是在负载很重,并且很不稳定的情况下,保证输出电压在设计范围内尽可能跟随输入电压变化。
从需求上讲,该电路是一个电流放大器,但由于该电路的输入是电压,输出的是电流,而输出电流同时与电路参数、输入电压、负载三因素有关,负载又极不稳定,这就导致无法写出该电路的输入输出表达式,因此要保证有足够的电流驱动能力的情况下,通过改变电压来可以改变半导体制冷片的稳定。
控制信号驱动电路的前级设计为电压放大电路,为了设计、实现方便,采用运算放大器作为放大元件,而运算放大器的短路电流一般也就是十几个毫安。
所以,设计要求中提出了输入阻抗的限制,输入阻抗越大,前级放大电路的负担就越小。
三、设计方案
在保证有足够的电流驱动能力的情况下,只要改变电压就可以改变半导体制冷片的温度。
因此,可以用2种电量控制半导体制冷片的温度:
幅度可变的连续电压;占空比可变的脉冲电压。
数/模转换器是一种将数字电量转换为模拟电量的电路,脉宽调制器是一种将数字电量转换为可调宽度脉冲的电路,用这2种电路都可以将控制半导体制冷片温度的数据转换为控制半导体制冷片温度的电压信号。
因此,温度控制数据到温度控制信号的变换电路不同,所需的控制信号驱动电路也不同。
放大连续变化的模拟信号,应使用乙类推挽放大电路。
而驱动可变脉冲信号,则需要使用双极脉冲放大电路。
在实际的系统里,往往要求放大电路的末级输出一定的功率,以带动后面的负载。
驱动电路是一个功率放大器,简称功放。
驱动电压为-9V~+9V,驱动电流最大为3A,随着输出负电压的增加,制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的。
由于温度信号是连续变化的,所以使用乙类推挽放大电路,并加以改进后作为控制信号驱动电路。
电路原理图如图3.1。
图3.1控制信号驱动电路图
四、设计实现
1、调试原理与方法
控制信号驱动电路的调试比较简单,只要保证输出电压对输入电压有良好的跟随就算达到设计要求。
为了测试控制信号驱动电路的带载能力,调试台内部设计了15Ω的假负载,并且能够测量、显示负载上的电压。
但是,控制信号驱动电路所需的激励信号需要自行供给。
从安全与节能的角度考虑,调试台提供的假负载远大于半导体制冷片的阻值。
因此,在调试台上测试表现良好的电路并不一定能够驱动半导体制冷片正常工作。
调试台主要用于电路与系统功能的测试,电路指标的测试则要在具有真实温度控制环境的模板上进行。
对于其他的电路也是如此。
2、焊接电路及其调试
在设计好电路之后,我们开始焊接驱动电路板。
由于这次要用到的器件不少,在排列器件时虽然出于美观的想法,使所有元件尽可能像电路图那样呈对称排布,在焊接完后我们进行了一系列的许多调试,但是都没有调试成功,在经过请教同学和查阅资料后我们还是没找不到头绪,可能是由于我们学的还不够透彻到最后也没能成功调试出来。
致谢
其他组同学:
17组马松松
参考文献
[1]赵月飞郭会平胡仁喜等编著,《Protel99SE基础与实例教程》,机械工业出版社,2010年1月1日第1版
[2]童诗白华成英主编,《模拟电子技术基础》,高等教育出版社,2006年5月第4版
[3]江捷马志成主编,《数字电子技术基础》,北京工业大学出版社,2009年10月第1版
体会和建议
总的来说这次电子工程设计实验还是令我挺有收获的,首先它领我明白了什么是工程,并且通过焊接板子也锻炼了我的动手能力,使我焊接的技艺又进了一步,焊接的也更加熟练美观了。
同时电子工程设计实验又是一个自主实验课,这个实验课以学生为主体,从设计到焊电路板到调试全部由学生完成,老师负责对设计进行与案例讲解及成品进行检查,同时给予学生少许指导,这也就充分的锻炼了我们的实验自主能力,提高了我们设计能力。
在设计电路时避免不了要查询各种资料,这也让我了解到了许多课程上并没有讲到的知识,同时也温习了之前学过的各科知识,而且通过动手实验,以前在上课时并不是十分理解的知识点也变得十分理解,并且也对之前很抽象的知识有了具体的理解,可以说这门试验课对我们提高对课程知识的理解也有着很重要的作用。
在这门实验课中,通过贾老师的教授我从对PCB图一点也不了解,到现在可以独立完成PCB图的绘制,使我又多掌握了一些新的技艺。
总之这次试验真的是令我受益匪浅,但同时也让我找到了一些我学习上的漏洞,比如在第三个实验的焊接和调试中我们就遇到了各种各样的问题,但是由于我的知识储备不够使得问题没有得到很好地解决,从而导致最后第三个实验没有成功完成。
除了在学习上的收获以外,这次实验也让我明白了团队合作的重要性,正是因为我们两个人的共同努力才使得实验得以成功,同时也使我们的友谊也更近了一步。
下个学期我们还会有这个实验,在下个学期的实验中我会更加努力,争取又快又好的完成所有试验。
在建议方面我个人感觉这门课老师讲的很好,很幽默,实验环境也很好,实验室的管理也很严格,也没有什么想给这门课的建议。
——11020215于天予
在这次电子工程设计实验中,我了解到了什么叫做工程,明白了不是什么都可以百分百成功,理论与实践是有很大区别的,在非理想环境下我们会遇到许多问题,这些在书本上是不会有所涉及的,而我们的实验目的就是让我们在未来的生活工作中更好的运用工程学的原理。
在实验过程中,我更加深刻的体会到了什么是工程,我们第二个变送器板一直没有读数,要么就是偏差过大,检查电路各处没有问题,后来才发现是接触不良,例如pcb图,老师对这个图有十分苛刻的要求,单老师讲解过后就发现这些要求在实践中十分有必要,只有按照要求才可以用机床做出符合标准的板子。
这次试验既锻炼了我们的动手能力,又锻炼了团结合作能力。
在这学期我们第一次尝试去完成一个在这个过程中遇到了诸多的困难,但我们都顽强的克服了,让我们明白纸上的电路转换为实际的系统,需要付出百倍的努力和耐心才能实现。
也让我们更加敬仰在历史长河中那些为人类做出贡献的电子工程师。
最后感谢贾老师的耐心教导和答疑解惑。
——11020211冀思锐
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