模電課程設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)制作一頻率可調(diào)的多波形信號(hào)發(fā)生器

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)目 錄1題目分析 21.1設(shè)計(jì)任務(wù) 21.2設(shè)計(jì)目的 21.3課程設(shè)計(jì)要求 22 方案論證 32.1 整體思路 32.2 方案論述 33 方案選擇 54 硬件設(shè)計(jì)及原理分析 65 性能測(cè)試 156小結(jié)與體會(huì)167 元件清單178 參考文獻(xiàn)181題目分析1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一頻率可調(diào)的多波形信號(hào)發(fā)生器1.2設(shè)計(jì)目的 1 培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。3 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生在理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運(yùn)用和計(jì)算機(jī)應(yīng)用

2、方面的能力得到訓(xùn)練和提高。1.3課程設(shè)計(jì)要求1 輸出電壓vo及最大輸出電流iomax(i檔:vo=12v對(duì)稱輸出,iomax=100ma;ii檔:vo=(+3+9)v連續(xù)可調(diào),iomax=200ma);紋波電壓 vop-p5mv,穩(wěn)壓系數(shù)sv510-3.2 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用pspice或ewb軟件完成仿真）3 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。2 方案論證2.1整體思路為了完成上面所設(shè)計(jì)的全部指標(biāo)整機(jī)電路分四個(gè)部分：電源變壓器、整流二極管、濾波電容、集成穩(wěn)壓器220v交流電壓變壓器整流橋?yàn)V波

3、電容集成直流穩(wěn)壓器電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。濾波電路: 將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。2.2方案論述方案一：整流部分采用一個(gè)二極管,利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣鬓D(zhuǎn)化為直流,濾波部分采用電感濾波電路,在整流電路后串入一個(gè)電感器,穩(wěn)壓部分,第一檔采用由cw7812和cw7912構(gòu)成的正負(fù)12v對(duì)稱雙電源電路,第二檔由cw7805組成電路輸出正5v直流穩(wěn)壓,第三檔由cw7805和電壓跟隨器組成的輸出電壓可調(diào)穩(wěn)壓電路構(gòu)成輸出3到9伏電壓。方案二：

4、整流部分采用單相橋式整流電路,同樣是利用了二極管的單向?qū)щ娦?將交流轉(zhuǎn)化為直流,濾波部分采用電容濾波電路,在整流電路后并入一個(gè)電容,穩(wěn)壓部分,第一檔和第二檔同方案一,第三檔采用可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器cw317構(gòu)成的電路輸出3到9伏電壓。3 方案選擇 整流部分采用一個(gè)二極管時(shí)由于在交流電壓一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期電壓通過(guò)二極管,使得交流電壓利用率較低,而采用單相橋式整流電路時(shí)則不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題,故宜采用單相橋式整流電路。濾波部分,采用電感濾波,整流管導(dǎo)電角較大,無(wú)峰值電流,輸出特性較平坦,一般只適用于低電壓大電流場(chǎng)合;采用電容濾波,由于其輸出特性較差,適用于負(fù)載電壓較高,負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合,但若采用電

5、感濾波,由于鐵芯的存在,電路顯得笨重體積大,而且易引起電磁干擾,而電容濾波電路就比較簡(jiǎn)單了,因此采用電容濾波。穩(wěn)壓部分,由于接有電壓跟隨器時(shí)電路比較復(fù)雜,而且電壓跟隨器成本比較高,不經(jīng)濟(jì),故采用可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器cw317構(gòu)成的電路。4 硬件設(shè)計(jì)及原理分析電源部分：由變壓器將220v交流電壓轉(zhuǎn)化為合適大小的交流電壓,原理如圖所示:輸入電壓的波形經(jīng)變壓器降壓后的電壓波形整流部分:整流電路的任務(wù)：把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動(dòng)的電壓。常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。單相半波整流電路:單相半波整流電路如圖所示。它是最簡(jiǎn)單的整流電路，由整流變壓器、整流二極管d及負(fù)載電阻rl組成。

6、其中u1、u2分別為整流變壓器的原邊和副邊交流電壓。在負(fù)載電阻rl得到的是如圖所示的單向脈動(dòng)電壓負(fù)載上電壓平均值和電流平均值: 整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓: 單相橋式整流電路: 單相橋式整流電路是由四個(gè)整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖(a)所示。圖 (b)所示為單相橋式整流電路的一種簡(jiǎn)便畫法。 無(wú)論電壓u2是在正半周還是在負(fù)半周，負(fù)載電阻rl上都有相同方向的電流流過(guò)。因此在負(fù)載電阻rl得到的是單向脈動(dòng)電壓和電流，忽略二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖所示。（a）單相橋式整流電路；(b)單相橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫法 參數(shù)計(jì)算(1)負(fù)載上電壓平均值和電流平均值。

7、(2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。（3）整流變壓器副邊電壓有效值和電流有效值。半波整流電路的輸出電壓相對(duì)較低，且脈動(dòng)大。兩管全波整流電路則需要變壓器的副邊繞組具有中心抽頭，且兩個(gè)整流二極管承受的最高反向電壓相對(duì)較大，所以這兩種電路應(yīng)用較少。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，電壓脈動(dòng)較小，整流二極管所承受的最高反向電壓較低，同時(shí)因整流變壓器在正負(fù)半周內(nèi)部有電流供給負(fù)載，整流變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此本電路采用橋式整流電路。濾波部分：濾波電路利用電容或電感在電路中的儲(chǔ)能作用，當(dāng)電源電壓(或電流)增加時(shí)，電容(或電感)把能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)(或磁場(chǎng))個(gè)；當(dāng)電源電壓(或電流)減小時(shí)

8、，又將儲(chǔ)存的能量逐漸釋放出來(lái)，從而減小了輸以電壓(或電流)中的脈動(dòng)成分得到比較平滑的直流電壓。實(shí)用濾波電路的形式很多，如電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波電路(包括倒l型、rc型、lc型濾波)等。電容濾波電路電容通過(guò)rl放電，在整流電路電壓小于電容電壓時(shí)，二極管截止，整流電路不為電容充電，uo會(huì)逐漸下降。只有整流電路輸出電壓大于uo時(shí)，才有充電電流id 。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。電容濾波電路的特點(diǎn)：(1) 輸出電壓uo與放電時(shí)間常數(shù)rlc有關(guān)。rlc 愈大 電容器放電愈慢 uo(平均值)愈大近似估算:uo=1.2u2。rlc 越大 uo越高 負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 id

9、的峰值電流越大2) 流過(guò)二極管瞬時(shí)電流很大。故一般選管時(shí)，取 (3) 輸出特性(外特性)，輸出波形隨rl 或 c 的變化而改變, uo 和s 也隨之改變。結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。穩(wěn)壓部分：三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部原理框圖如圖421所示?？梢娝彩遣捎昧舜?lián)式穩(wěn)壓電源的電路，并增加了啟動(dòng)電路和保護(hù)電路，使用時(shí)更加可靠。為了使集成穩(wěn)壓器長(zhǎng)期正常地工作，應(yīng)保證其良好地散熱條件，金屬殼封裝的一般輸出電流比較大，使用時(shí)要加上足夠面積的散片。集成穩(wěn)壓器的主要參數(shù)有：（1）最大輸入電壓uimax，當(dāng)整流濾波電路輸出電壓超過(guò)uimax時(shí)，可能使穩(wěn)壓器的輸出電壓不能穩(wěn)

10、定在額定值。（2）輸出電壓uo，三端集成穩(wěn)壓器分為固定正輸出和固定負(fù)輸出兩類。（3）最大輸出電流i0max，不同型號(hào)的三端集成穩(wěn)壓器iomax為0.22a。第一檔輸出正負(fù)電壓電路如圖：第二檔輸出正5v電壓電路如圖：第三檔可調(diào)式集成穩(wěn)壓電路如圖：uo=1.237v連續(xù)可調(diào)。iom=1.5a，iomin5ma. cw317的uref固定在1.2v，iadj=50a，忽略不計(jì)。 uo=1.2（1+r2/r1）v 。可調(diào)式三端穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓。常見產(chǎn)品有cw317、cw337、lm317、lm337。317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為1.

11、237v，最大輸出電流i0max為1.5a。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠、應(yīng)用方便、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。cw317與cw337系列的引腳功能相同。單元電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇及其參數(shù)值 選集成穩(wěn)壓器，確定電路形式 選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm317，其特性參數(shù)v0=+1.2v+37v,i0max=1.5a,最小輸入輸出壓降（vi-v0）min=3v,最大輸入輸出壓降（vi-v0）max=40v,均滿足性能要求其接法如下： 1，2腳之間為1.25v電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，r1應(yīng)小于240歐姆。改變r(jià)p阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。ci用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激高頻震蕩和

12、抑制電路引入的高頻干擾，輸出電容ci是電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸入端由輸入電源引入的低頻干擾，d用于保護(hù)lm317。 組成的穩(wěn)壓電源電路如下圖所示。取r1=240，由式v0=1.25*（1+rp1/r1）可得rp1min=336,rp1max=1.49k，故取rp1為4.7k的精密線繞可調(diào)電位器。選電源變壓器通常根據(jù)變壓器的副邊輸出功率p2來(lái)選擇（或自繞）變壓器。v0max+(vi-v0)minviv0min+(vi-v0)max9v+3vvi3v+40v12vvi43v。副邊電壓v2v1/1.1取v212/1.1=11v。副邊電流i2i0max=0.2a，取i2=0.4a，變壓器副邊輸出功率

13、p2i2u2=4.4w。變壓器的效率=0.7，則原邊輸入功率p1p2/=6.3w。由上分析，副邊輸出電壓為12v，輸出電流為0.4a，為留有余地，一般選擇功率為10w的變壓器。選整流二極管及濾波電容整流二極管選1n4001，其極限參數(shù)為urm50v，而2u2=15.4v，則urm滿足要求。if=1a，而i0max=0.8a，則if亦滿足要求。濾波電容c可由紋波電壓v0p-p和穩(wěn)壓系數(shù)sv來(lái)確定。已知v0=9v，vi=12v,v0p-p=5mv,sv=0.005,則vi=v0p-p*vi/(v0*sv)=1.3v,則c=ict/vi=1500f。電容c的耐壓應(yīng)大于2u2=15.4v。故取一只15

14、00f/25v的電容相并聯(lián)。電路總圖為：5性能測(cè)試穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1.輸出電壓u0和最大輸出電流iomix的測(cè)量 。穩(wěn)壓電源正常工作時(shí)能輸出的最大工作電流，用iomax表示，一般情況下的工作電流ioiomax時(shí)損壞穩(wěn)壓器。2.輸出電壓同時(shí)測(cè)量vo與iomax.測(cè)試過(guò)程是：輸出端接負(fù)載rl,輸入端接220v的交流電壓 數(shù)字電壓表的測(cè)量值為vo;使rl逐漸減小，直到vo的值下降

15、5%，此時(shí)流經(jīng)負(fù)載rl的電流即為iomax.3.紋波電壓：疊加在輸出電壓上的交流電壓分量。用示波器觀測(cè)其峰峰值一般為毫伏量級(jí)。也可用交流毫伏表測(cè)量其有效值，但因紋波不是正弦波，所以有一定的誤差。 4.穩(wěn)壓系數(shù)s 的測(cè)量穩(wěn)壓系數(shù)：在負(fù)載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓的相對(duì)變化引起輸出電壓的相對(duì)變化，即：sv=(v-vo)/(vi/vi) 3） 電壓調(diào)整率：輸入電壓相對(duì)變化為10%時(shí)的輸出電壓相對(duì)變化量，穩(wěn)壓系數(shù)和電壓調(diào)整率均說(shuō)明輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響，因此只需測(cè)試其中之一即可。 5. 輸出電阻及電流調(diào)整率 輸出電阻與放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電

16、流變化量之比的絕對(duì)值.電流調(diào)整率：輸出電流從0變到最大值時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對(duì)變化值。輸出電阻和電流調(diào)整率均說(shuō)明負(fù)載電流變化對(duì)輸出電壓的影響，因此也只需測(cè)試其中之一即可系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試指標(biāo)擋數(shù)輸出電壓最大輸出電流(ma)紋波電壓(mv)穩(wěn)壓系數(shù)1擋12v1002擋+5v300三擋+3 +9v2005510-36 小結(jié)與體會(huì)在對(duì)集成直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行一周的設(shè)計(jì)后，使我對(duì)電容濾波電路的工作原理有了本質(zhì)的理解，掌握了集成直流穩(wěn)壓電源的工作原理；并讓我初步掌握了pspice的用法以及鍛煉了我的動(dòng)手能力使我不再僅僅局限于課堂上的學(xué)習(xí)，視野變得開闊了。通過(guò)實(shí)戰(zhàn)演練，我們了解了該怎樣將所學(xué)的基本知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際操作

17、中，讓我們認(rèn)識(shí)到看起來(lái)其很復(fù)雜的電子制作實(shí)際上也是由最基本的原理構(gòu)成的，認(rèn)真學(xué)好書本知識(shí)并將他運(yùn)用到實(shí)際中將大大方便我們的生活。同時(shí)，在實(shí)際的硬件調(diào)試過(guò)程中我深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這 句話的重要性與真實(shí)性而且通過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問(wèn)題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過(guò)程中，我個(gè)人感覺(jué)調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須

18、通過(guò)觀察效果來(lái)改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的，而這個(gè)可能也是老師要求我們加以提高的一個(gè)重要方面吧！因此，在這方面的學(xué)習(xí)應(yīng)該是任重道遠(yuǎn)的，我們應(yīng)該要認(rèn)真學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，為更深入的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。同時(shí)，我也要感謝在本次課程設(shè)計(jì)中帶領(lǐng)我們的老師，感謝你在實(shí)習(xí)過(guò)程中給予我們的幫助和耐心指導(dǎo)。7 元器件清單 名稱型號(hào)數(shù)量電解電容2200f/50v2電解電容10f/50v2電解電容1f/50v1瓷片電容0.1f4瓷片電容0.33f3可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm31715v集成穩(wěn)壓器cw7805112v集成穩(wěn)壓器l78121-12v集成穩(wěn)壓器l79121電阻2401可調(diào)電位器4.7k1二極管1n40011整流橋2w101電路板小號(hào)1電源變壓器14v/20w1導(dǎo)線1.5m8參考文獻(xiàn)【1】 高吉祥主編