模擬課程設(shè)計(jì)課內(nèi)容之一

1、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課安排1. 講課從今天開始，分三次：第一次講課：2003年6月19日，內(nèi)容：數(shù)字式電容容量測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。第二次講課：2003年6月28日，早上： 地點(diǎn)：東三310室，內(nèi)容：函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)第三次講課：2003年6月29日，早上：地點(diǎn)：東三310室，內(nèi)容：直流程控穩(wěn)壓電源Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2. 集中安裝調(diào)試時(shí)間：6月28日7月6日，從6月28日就要確定你要安裝的系統(tǒng)，報(bào)出材料清單，28日領(lǐng)安裝板及必要的工具。

2、實(shí)驗(yàn)室全天開放，晚上請(qǐng)同學(xué)選出幾位負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的管理，以及安全。與大樓保安協(xié)商好關(guān)閉大樓時(shí)間。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述1.1 電子電路系統(tǒng)電子電路系統(tǒng) 當(dāng)今的社會(huì)已進(jìn)入電子與信息時(shí)代，從大到宇宙航天飛機(jī)，小到家庭電器，都有電子電路或電子系統(tǒng)。電子電路有大有小，但統(tǒng)稱為電子系統(tǒng)，也就是講：就是可以完成一個(gè)特定功能的完整的電子裝置都可以稱為電子系統(tǒng)。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU電子系統(tǒng)可分為 模擬電子系統(tǒng)數(shù)字電子系統(tǒng)目前更多的是模/數(shù)

3、結(jié)合的混合型電子系統(tǒng)。 根據(jù)電子系統(tǒng)的不同功能，大致有： 測(cè)控系統(tǒng)； 測(cè)量系統(tǒng)； 信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)； 電源系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)處理、信號(hào)變換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 視頻、音頻系統(tǒng)； 家用電器系統(tǒng)。 根據(jù)電子系統(tǒng)適應(yīng)的場(chǎng)合不同，對(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以分為不同的類型：1. 新系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)、研制，開發(fā)一個(gè)全新的電子系統(tǒng)，所用到的部分技術(shù)，電路有待于周期開發(fā) 這種屬科研型。2. 新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)： 利用成熟的技術(shù)、電路及器件開發(fā)出滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)牽涉到的范圍非常廣， Fundamental of Ele

4、ctronic TechnologyCEECEEZJUZJU而且牽涉到的技術(shù)層次也大不相同，我們目前所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)限定在一個(gè)非常小的范圍。1.2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分為兩大類一、自下而上的設(shè)計(jì)方法(down/up) 是局步到系統(tǒng)：它是一種試探法的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)單元電路的熟悉程度，設(shè)計(jì)出一個(gè)個(gè)的單元電路，然后拼成一個(gè)系統(tǒng)它決定于經(jīng)驗(yàn)和技巧。二、自上而下的設(shè)計(jì)方法(up/down) Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 由整體系統(tǒng)到局步：將整個(gè)系統(tǒng)電路劃分成一個(gè)個(gè)子系統(tǒng)子系統(tǒng)單元電路，然后連

5、接成系統(tǒng)。 目前經(jīng)常采用的方法，或是用up/down、down/up混合使用，它可遵循如下流程：確定總體方案 逐步子系統(tǒng) Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 逐步子系統(tǒng) 設(shè)計(jì)單元電路 選擇單元電路元器件 計(jì)算參數(shù) Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 畫出總體電路圖初稿 審查 實(shí)驗(yàn)（包括修改和測(cè)試性能 ） 畫出正式的總體電路圖 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 設(shè)計(jì)例子一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.

6、能測(cè)量不超過 電容量的電容器； F19902.用兩只LED數(shù)碼管和一只發(fā)光二極管構(gòu)成數(shù)字顯示器，發(fā)光二極管用來顯示最高位，它的狀態(tài)亮和暗分別表示“1”和“0”。數(shù)碼管顯示后兩位。它們可分別顯示出0到9十個(gè)整數(shù)(2位)，即顯示器可顯示出最大數(shù)字和最小數(shù)字分別是199和0。設(shè)計(jì)并制作一個(gè)“大電容容量數(shù)顯式測(cè)量電路”Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU3 .數(shù)字顯示器所顯示的數(shù)字N與被測(cè)電容Cx的函數(shù)關(guān)系是；FCNx10N是整數(shù)4. 顯示響應(yīng)時(shí)間為 2S，即接上電容2S后，顯示器應(yīng)按上述函數(shù)關(guān)系顯示出電容值；5. 測(cè)量時(shí)，數(shù)碼管所顯示的數(shù)字

7、應(yīng)當(dāng)清晰，但允許數(shù)字有所閃動(dòng)。6. 若 ，數(shù)碼管呈暗狀態(tài)，發(fā)光管呈亮狀態(tài)，表示過量； FCx1990Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU7. 測(cè)量電路應(yīng)有被測(cè)電容Cx的“+” “-”接線端； 當(dāng)“+” “-”端被短路時(shí)，數(shù)顯部分的狀態(tài)與 與 相同，此端長(zhǎng)時(shí)間短路，也不會(huì)損壞測(cè)量電路，“+” “-”端開路時(shí)，顯示值應(yīng)為0。FCx19908 . 允許用直流電源供電。二、總體方案選擇 在選擇方案時(shí)，要有下面的幾點(diǎn)原則：(技術(shù)路線) 1 .在能完成功能、指標(biāo)的前提下，所選用的電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，這意味著可靠、故障率小、易調(diào)。 Fundamenta

8、l of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2. 經(jīng)濟(jì)性考慮 元器件選用通用(不選用特殊)，并考慮能夠替換，經(jīng)濟(jì)、功率等余量不要留的太多，耐壓、電流等容量不要留有太多，如輸出1W的功率，不要去選Pcm=5W的大功率管(故中功率管就夠)。3 . 可靠性的考慮可靠性，指產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定條件內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力(包括平均無故障時(shí)間、故障率、失效率、平均壽命等)，元器件經(jīng)過篩選、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU老化，工作環(huán)境考慮，高低溫、沖擊、振動(dòng)、干擾，硬件可以采用“冗余結(jié)構(gòu)”。4 . 操作和維護(hù)要

9、求 操作方便，盡量降低對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)的要求，系統(tǒng)中的控制開關(guān)按鈕不能太多、太復(fù)雜，操作程序簡(jiǎn)單，操作者無須專門訓(xùn)練，就能掌握儀器的使用。下面針對(duì)本設(shè)計(jì)題的要求，提出兩種方案，下面針對(duì)本設(shè)計(jì)題的要求，提出兩種方案，供大家分析討論、可行性討論。供大家分析討論、可行性討論。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 總覽本設(shè)計(jì)題，其核心是如何把被測(cè)電容量Cx的大小轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示出來，使之符合所要求的函數(shù)關(guān)系FCNx10N是整數(shù)方案方案1：第一是被測(cè)電容作為微分電容器，把三角波作為微分電路的輸入，在合適選取電路參數(shù)的情況下，微分電路的輸出幅

10、度 與Cx大小成正比，再經(jīng)過峰值檢測(cè)電路或是精密整流及濾波，可以得到與Cx成正比的直流電壓。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU電壓Vx，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送給數(shù)字顯示器，便可得到要求，如下圖所示：三角波發(fā)生器整流、濾波或峰值檢測(cè)電路A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字顯示器xCxVxRAFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU數(shù)字顯示器可由CC7106(適合驅(qū)動(dòng)液晶)，CC7107適合驅(qū)動(dòng)LED，由于上圖A/D數(shù)顯較貴，可采用下面中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：CTVCO振蕩器&計(jì)數(shù)器鎖存

11、器譯碼器LED計(jì)數(shù)控制電路清零鎖存xfxVCT 門信號(hào)Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU由于XXCV XXfV XXCf當(dāng)定時(shí)時(shí)間CT合適時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求。方案方案2：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或電容的充放電規(guī)律等，可以把被測(cè)電容量CX轉(zhuǎn)換成脈沖寬度，即Cx容量與tX寬度成正比，只要將tX與某一固定頻率的時(shí)鐘相與，并得到定時(shí)內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，再經(jīng)過譯碼顯示器顯示出電容的數(shù)值。在選擇合適的時(shí)鐘脈沖下，便可實(shí)現(xiàn)題目所要求的函數(shù)關(guān)系。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU時(shí)鐘發(fā)生

12、器&計(jì)數(shù)器鎖存器譯碼器LED單穩(wěn)態(tài)及控制清零鎖存xfxCxT 門信號(hào)比較方案1和方案2可知，方案2比方案1簡(jiǎn)單多了，所以初定選方案2。三、方案2的可行性分析方案2中的Cx是否能實(shí)現(xiàn)與tX成正比呢？分析這一要求時(shí)，能實(shí)現(xiàn)的電路是很多的Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU1. 把 Cx 大小轉(zhuǎn)換成脈沖寬度，首先可用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，如圖所示：xTRxCCCV555查手冊(cè)可知，用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，所產(chǎn)生的時(shí)間誤差可達(dá)5%，再加上由其它原因引起的測(cè)量誤差，整機(jī)的測(cè)量精度可能達(dá)不到規(guī)定的指標(biāo)要求。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器正常工作時(shí)， tX

13、和Cx間的函數(shù)關(guān)系為：3lnXXRCT Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU由于測(cè)量的最大電容Cx=1990 ，所以R一般1k歐姆。這時(shí)tX2S了，超過了題中規(guī)定的不大于2S的響應(yīng)時(shí)間要求。但是R又不能進(jìn)一步的減小，因?yàn)闇p小時(shí)，其誤差會(huì)明顯的增加，甚至于不能正常工作（放電管的安全問題放電電流增加），所以不選用該電路。F2. 用斯密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)也可實(shí)現(xiàn)tX和Cx間成正比例關(guān)系。電路如下圖所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUXCRXT但又存在下面問題：若斯密特用TTL電路，

14、則振蕩穩(wěn)定性較差。若斯密特用CMOS(CC40106)電路，則R電阻應(yīng)取得較大。若R小，則振蕩穩(wěn)定性差，R大會(huì)達(dá)不到響應(yīng)時(shí)間要求。所以也不合適。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU3 . 可選用運(yùn)算放大器構(gòu)成由于電路的輸出極性有正有負(fù)，所以也不合適（當(dāng)然可以把雙極性改成單極性輸出）4 . 利用RC充放電規(guī)律，并利用充放電開關(guān)，比較器和與門構(gòu)成。其電路圖如下：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU &充放電開關(guān)IVCCVRXCREFVCacdeXT其中的充放電開關(guān)電路用二

15、極管和三極管代替后的電路如圖， 1abcCCVT1D2DbR鍺開關(guān)管硅開關(guān)管Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU畫出a、b、c、d、e波形，求Tx和Cx的函數(shù)關(guān)系。 abcde0t1tREFVXT由C波形可知，t=0時(shí)，Vc電壓的初始值為Vcesat(管子的飽和壓降)。從0t1時(shí)，Vc的變化規(guī)律為：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUcesatRCtcesatCCcVeVVvx)1)(設(shè)t=Tx時(shí)，Vc=VREF，上式為：cesatRCTcesatCCREFVeVVVxx)1

16、)(可解得：REFCCCEsatCCxxVVVVRCTln若取VREF=1/2（Vcc+Vcesat），則Tx=RCxln2Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU此時(shí)電路，R可以取得較小，若R=100，Cx=1990uf時(shí)，由Tx=RCxln2可知，Tx=0.138S，可滿足響應(yīng)時(shí)間要求。四、改進(jìn)電路上述電路還有二個(gè)方面問題：1. Tx和管子的飽和壓降有關(guān)。因?yàn)閂cesat是不穩(wěn)定的，從而影響結(jié)果精度。 2. 當(dāng)R=100，Cx=1990uf時(shí)，Tx=0.138S，能滿足響應(yīng)時(shí)間，但它比人眼的滯留時(shí)間(較Fundamental of E

17、lectronic TechnologyCEECEEZJUZJU0.1S)大，需數(shù)據(jù)鎖存器，要使Tx0.1S，則R應(yīng)更小，會(huì)增加電源的功耗。能否在不減少R的情況下，而減少Tx呢？解決方法如圖，電路改成如下圖所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 1abcCCVT1D2DbR鍺開關(guān)管硅開關(guān)管 &RxCe1d2d2C2C2REFV1REFVFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU它的各點(diǎn)波形圖如下: abc1d0t1t2REFVeXT1REFV2d2tsatV由圖可知：F

18、undamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU11lnREFCCcesatCCxxVVVVRCt22lnREFCCcesatCCxxVVVVRCt2112lnREFCCREFCCxxxxVVVVRCttT令 CCREFVV511CCREFVV312代入后 XxxxxRCRCttT182. 056ln12由式表明，Tx和Vcc、Vcesat無關(guān)，由電源、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU飽和壓降的誤差幾乎為0，精度高得多了。當(dāng)R=100，Cx=1990uF時(shí)，可得Tx36ms，比人眼滯留

19、時(shí)間短得多。 由上面分析，可畫出詳細(xì)的框圖（以便畫出完整的原理 圖）。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU電壓比較器2 CCREFVV31電壓比較器1 CCREFVV51衰減 衰減 整形 整形 反相器 & 時(shí)鐘發(fā)生器 pf個(gè)位計(jì)數(shù)拾位計(jì)數(shù) 譯碼器 譯碼器 顯示 顯示清零單元 &高位觸發(fā)器超量程判斷充放電開關(guān)低頻方波發(fā)生器發(fā)光二極管指示V5RxCac2d1dexT清零脈沖消隱脈沖進(jìn)位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU設(shè)計(jì)單元電路：一、低頻方波發(fā)生器 技術(shù)指標(biāo)考

20、慮：振蕩頻率1. 選R=100，Cx=1990uf時(shí)，應(yīng)考慮電容充放電時(shí)間保證，不能太快，比S=36ms大得多。2. 由于人眼的滯留效應(yīng)（0.1S），如顯示周期Td0.1S，會(huì)出現(xiàn)差誤的視覺效果。如選R=100，Cx=995uf時(shí),根據(jù) ，數(shù)碼顯示會(huì)出現(xiàn)99和100兩個(gè)數(shù)字，只有當(dāng)顯示 FCNx10Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU周期比人的滯留時(shí)間長(zhǎng)得多時(shí)，我們才能清楚地看清這二個(gè)數(shù)字，如果Td1滯留時(shí)間，則會(huì)交替顯示99和100，迭加后得188字樣。 所以，顯示周期應(yīng)大于0.1S，通常是（0.31）S之間。 電路用CMOS多諧振

21、蕩器，由電路參數(shù)可得： T1.8RC電路如下圖所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU111RRCaM6 . 3F15. 0二、 電壓比較器及衰減整形電路1、比較器選用運(yùn)放LM324實(shí)現(xiàn)，電路有四只運(yùn)放電路：開環(huán)增益Aod1.5104，輸出失調(diào)電壓Vos9mv,單位增益帶寬1MHz.具體電路如圖所示:Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUCCV2REFV1REFVCVk10k10k10k10k10k2k3k2k2k1k12d1d1C2CALM324BLM324V15V15Fu

22、ndamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU三、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器振蕩頻率的決定由 可知fCNX10在計(jì)數(shù)時(shí)間Tx內(nèi)，應(yīng)送入N個(gè)CP脈沖，所以100|18256ln1056ln1011RxxxCPsfRRCCTNTkHzfcp49. 5Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU前面一塊LM324用了二只運(yùn)放，留下仍可用，所以用運(yùn)放作為方波發(fā)生器。V5CF01. 01Rk162R3Rk16k8 . 6k3WRk1k2ovACLM324)21ln(221RRRCTCP振蕩周期 Fundamental

23、of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU四、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)（計(jì)數(shù)容量為199）選用CC4518作為個(gè)位和拾位BCD碼計(jì)數(shù)，最高位可用一個(gè)D或JK觸發(fā)器。128159EN1CP211Qcr1CP14518CCDDVSSVcr221Q31Q41QEN242Q32Q22Q12Q16141312111065437V5xT清零拾位個(gè)位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU高位顯示器采用一位二進(jìn)制碼0或1，用一位觸發(fā)器，當(dāng)選用D觸發(fā)器時(shí)的電路如圖所示，1e13Q13QV542Q1CD1390清零xT高位顯示Fundame

24、ntal of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUdY2A2B2C2D2BICCV7474LSeY2gY2fY2aY2bY2cY2dY1A1B1C1D1BICCV7474LSeY1gY1fY1aY1bY1cY1GNDGND42Q32Q22Q12Q41Q31Q21Q11QV5消隱39073907五、譯碼器設(shè)計(jì)選用74LS47型BCD譯碼器，連接電路如圖拾位個(gè)位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU六、超量程判斷及顯示電路 超量程是指Cx超過1990uf或Cx被短路。這有兩種情況需要分析： 1.最高計(jì)數(shù)器 已

25、是高電平，拾位計(jì)數(shù)器 仍有下降沿出現(xiàn)（說明199了）超量程了。13Q42Q這種情況用下圖判斷 113Q1EQ1EQ42Q1CD1清零接譯碼器消隱端IBDRFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2.當(dāng)Cx很大或測(cè)試端短路時(shí)，Cx短路 電容充電值Vc可能始終低于VREF1或VcVREF1的時(shí)間很短（放電很快），這時(shí) 不會(huì)出現(xiàn)下降沿。（Tx很短或無Tx），則用下圖判斷：42Q12d2EQ1EQIv1CD1DR2EQ&390V5去譯碼器的隱消端13Qd2點(diǎn)波形是說明Cx很大，Vc超過VREF2了。Fundamental of Elect

26、ronic TechnologyCEECEEZJUZJU七、清“0”單穩(wěn)在每次計(jì)數(shù)以前，應(yīng)給計(jì)數(shù)器清“0”。 其產(chǎn)生電路如下： IvP1000CRRk43k101101v02vFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUIvP1000CRRk43k101101v02vIvRv01v02vFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU畫出整機(jī)電路圖，見發(fā)的圖紙。電子電路的安裝調(diào)試技術(shù) 安裝技術(shù)分兩部分： 整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中解決1. 按照主電路和信號(hào)流向順序布置各級(jí)集成電路和晶體管。2.其它

27、元件應(yīng)圍繞各級(jí)的集成塊和晶體管。 3.第一級(jí)輸入線與末級(jí)輸出線，強(qiáng)弱電信號(hào)線，高頻與低頻線應(yīng)分開走，并有足夠的距離，以避免相互干擾。 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU4 . 要有合理的接地，采用各級(jí)地線自成回路，然后再分別接到一點(diǎn)地點(diǎn)（單點(diǎn)接地）。電路1電路2電路3電路4單點(diǎn)接地電路1電路2電路3電路4串聯(lián)接地 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU串聯(lián)接地從防止干擾和防噪聲是不太合適的，但電路是單向多點(diǎn)連接簡(jiǎn)單。也可以采用下面的接地母線，如寬銅皮鍍銀母線，效果會(huì)更加好。電路1電路2電路3電路4寬銅皮鍍銀的接地母線Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU二、焊