北工大電子實驗課設(shè)報告

1、 北京工業(yè)大學(xué)電子課程設(shè)計報告 學(xué)號：姓名： 學(xué)院：電控學(xué)院專業(yè)：電子信息工程題目：步進電機控制電路測量放大器 第一部分 步進電機控制電路一、設(shè)計要求（一）、設(shè)計任務(wù)本課題要求設(shè)計一個步進電機控制電路，該電路能對步進電機的運行狀態(tài)進行控制。（二）、基本要求1、能控制步進電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及運行速度，并由LED顯示運行狀態(tài)。（步進電機工作方式可為單四拍或雙四拍）。2、測量步進電機的步距角。(通過實測步進電機旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)，推算出步進電機的步距角)。（三）、擴展要求設(shè)計步進電機工作方式為四相八拍。（四）、設(shè)計框圖步進電機控制電路主要由脈沖發(fā)生電路、環(huán)行脈沖分配電路、控制邏輯及正反控制門、功率放

2、大器（驅(qū)動電路）和步進電機等組成。脈沖發(fā)生電路環(huán)形脈沖分配電路控制電路驅(qū)動電路脈沖顯示步進電機（五）、參考元器件NE555，計數(shù)器74LS161，74LS08，74LS74，74LS14（04），74LS138（74LS153），四相步進電機，發(fā)光二極管，續(xù)流二極管IN4004，復(fù)合三極管TIP122，5（1W）電阻，其他電容、電阻若干。說明：a、 本實驗提供的是四相步進電機，它對外有六條引線， 其中二條為公共端、另外四條分別為A相、B相、C相、D相，但引腳具體排序未知，故在使用前需要對步進電機進行分析，測試，并判斷出具體的相序。b、 四相步進電機磁激勵方式基本有三種：i、單四拍方式，通電順序

3、為ABCDA；ii、雙四拍方式，通電順序為ABBCCDDAAB；iii、四相八拍方式，通電順序為AABBBCCCDDDAA。如果按上述三種通電方式和通電順序進行通電，則步進電機將正向轉(zhuǎn)動。若通電順序與上述相反，如單四拍方式，通電順序ADCBA，則步進電機將反向轉(zhuǎn)動。如下表所示為步進電機的單四拍和雙四拍的勵磁方式及A、B、C、D相的輸入邏輯信號。有關(guān)步進電機的工作原理及使用方法請自己查閱資料。工作方式勵磁方式D B C A單四拍方式A1 1 1 0B1 1 0 1C1 0 1 1D0 1 1 1A1 1 1 0雙四拍方式AB1 1 0 0BC1 0 0 1CD0 0 1 1DA0 1 1 0AB

4、1 1 0 0二、電路設(shè)計（一）、脈沖發(fā)生器：1、設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計一個可以產(chǎn)生占空比和周期可調(diào)的方波信號的脈沖發(fā)生器。2、基本思路：利用NE555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生所需信號。3、選用原件：NE555、5K歐電位器、300歐電阻、50微法電容、0.01微法電容。4、電路原理原理公式：T1=(R1+R2)Cln2、T2=R2Cln25、 仿真波形： （二）、環(huán)形移位信號發(fā)生電路1、設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計一個可以生成四路如圖表所示變化的脈沖信號，其狀態(tài)變化由NE555產(chǎn)生的脈沖控制。并能通過開關(guān)切換單四拍或雙四拍模式。2、 選用元件：74LS194、74LS08。 3、設(shè)計方案：雙向移位寄存器74LS194

5、考慮到雙向移位寄存器74LS194的本身功能與步進電機的驅(qū)動電路極為接近，又因為此方案用芯片較少，可以使后期布線工作省時間，所以我們最終決定采用以雙向移位寄存器為基礎(chǔ)的脈沖信號分配電路。74LS194的功能表： RDS1 S0工作狀態(tài)0X X置零10 0保持10 1右移11 0左移11 1并行輸入74LS194本身具有雙向移位的功能，但在啟動前需要預(yù)先對4個輸入端進行置數(shù)，來控制輸出波形占空比。由于步進電機的驅(qū)動有單四拍，雙四拍兩種方式，所以需要三個開關(guān)，其中兩個控制S1 S0 的點位高低來控制寄存器的工作狀態(tài)，另一個開關(guān)用來切換單四和雙四拍兩種狀態(tài)。使用1片74LS194，雖然可以非常簡單的

6、產(chǎn)生單四拍和雙四拍的控制信號，電路圖如下：但在增加擴展功能時卻遇到了很大的困難，1片74LS194 最多只能產(chǎn)生4種不同狀態(tài)的信號，而四相八拍勵磁方式有八種狀態(tài)，所以至少要用兩片74LS194才能實現(xiàn)。在原來電路圖的基礎(chǔ)上，我們增加了另一片74LS194，希望通過兩路不同頻率的脈沖信號得疊加來產(chǎn)生四相八拍的脈沖信號。在8位寄存器的置數(shù)端設(shè)置開關(guān)來切換3種勵磁狀態(tài)的思路：74LS194的8路并行輸出單四拍輸出12345678ABCD01111111100010111111100011011111010011101111010011110111001011111011001011111101000

7、111111110000174LS194的8路并行輸出雙四拍輸出12345678ABCD00011111110010001111110011000111011011100011011011110001001111111000001101111100100100111110100174LS194的8路并行輸出四相八拍輸出12345678ABCD001111111000100111111100110011110100111001110110111100110010111110010011111111000001011111101001按圖表所示列出邏輯表達(dá)式，并最終化簡得：單四拍狀態(tài)：A=（12）

8、、B=（34）、C=（56）、D=（78）雙四拍狀態(tài)：A=（12）、B=（34）、C=（56）、D=（78）四相八拍狀態(tài)：A=（12）、B=（34）、C=（56）、D=（78）3種狀態(tài)的邏輯關(guān)系相同，這樣只需要在8位移位寄存器的輸入端設(shè)置連個開關(guān)對其進行置數(shù)就可以實現(xiàn)3種狀態(tài)的切換，這樣整個電路總共需要4個開關(guān)，比較方便操作。最終的電路設(shè)計圖如下：（三）、驅(qū)動電路：1、設(shè)計目的： 由于門電路所輸出的電流遠(yuǎn)不足以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，這里需要一個具有功率放大能力的驅(qū)動電路，它由環(huán)形脈沖電路所產(chǎn)生的脈沖信號控制，產(chǎn)生一個足以驅(qū)動步進電機的電流。2、選用元件：復(fù)合三極管（TIP122）、續(xù)流二極管、發(fā)

9、光二極管、5歐電阻、300歐電阻、1K歐電阻。3、 電路圖：圖中1K歐電阻接門電路的輸出，D1為續(xù)流二極管，LED1為發(fā)光二極管，M代表步進電機的任意一相。將驅(qū)動電路與前兩部分相連。至此，所有電路設(shè)計完成，可以連接步進電機了。（四）、步進電機：步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易

10、事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。本實驗提供的是四相步進電機,它對外有六條引線,其中兩條為公共端,另四條分別為 A相.B相.C相.D相,但引線具體排序未知,故在使用前需對步進電機進行。測量每兩根引線之間的電阻，不同繞組之間的電阻為無窮大。同一繞組中，中心引線到兩邊的電阻約為7.5Ohm。判斷出兩組繞組的中心引線后，剩下的四根即為A,B,C,D四個項。中心引線即為公共端，接+5V。三、步進電機的測試及連接：（一

11、）、測試步進電機的引腳功能和順序：本實驗提供的是四相步進電機，它對外有六條引線， 其中二條為公共端、另外四條分別為A相、B相、C相、D相，但引腳具體排序未知，故在使用前需要對步進電機進行分析，測試，并判斷出具體的相序。1、 判斷公共端：在不明引腳功能的情況下，不能貿(mào)然通電測試，以免損壞電機。應(yīng)采用其他方法。根據(jù)步進電機的內(nèi)部構(gòu)造，永磁感應(yīng)子式步進電機一共六根引線，共分為兩組，測量每兩根引線之間的電阻，不同繞組之間的電阻為無窮大。同一繞組中，中心引線到兩邊的電阻約為7.5。判斷出兩組繞組的中心引線后，剩下的四根即為A、B、C、D四個項。中心引線即為公共端，接+5V。2、判斷A、B、C、D四相的順

12、序：我們試著用“隨便選取四條引線中的一根設(shè)為A相，接低電平。再另取一根引線觸低電平，若電機正轉(zhuǎn)，則該項為B,；反轉(zhuǎn)，該項為D；否則，該項為C?！边M行測試。（二）、連接步進電機測試電路功能：將控制電路與驅(qū)動電路和步進電機相連最終電路包括的元件：步進電機1個NE555芯片1個74LS194芯片（雙向移位寄存器）2個74LS08芯片（4與門）1個達(dá)靈頓三極管（TIP122)4個發(fā)光二極管4個續(xù)流二極管4個5（1W）電阻4個300電阻5個1K電阻4個5K電位器1個50f電容1個10nf電容1個單刀雙置開關(guān)4個導(dǎo)線若干（三）步進電機步距角的測量：勵磁方式單四拍雙四拍四相八拍轉(zhuǎn)一周所需步數(shù)20220240

13、4步距角1度46分1度46分0度54分四、參考資料步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。步進電動機步進機將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。主要要求：動作靈敏、準(zhǔn)確、重量輕、體積小、運行可靠、耗電少等。步進電動機的特點：      (1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。      (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。      (3)改變脈沖順序，改變方向。步進電動機的種類

14、    根據(jù)勵磁式方式的不同分為：反應(yīng)式、永磁式和混合式（又叫感應(yīng)子式）三種。反應(yīng)式步進電機的應(yīng)用較多。下面以反應(yīng)式步進電機為例說明步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。圖7-20 （a）三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖A 相通電，A 方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA' 對齊。圖7-20 （b）三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖；°同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)3

15、0圖7-20 （c）三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖。°最后，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和C相軸線對齊，相對B相通電比較，轉(zhuǎn)子再次轉(zhuǎn)動30步進電動機的結(jié)構(gòu)步進機主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，以三相為例其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個、四個磁極 。步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的相和交流電中的“相”的概念不同。步進機通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。圖7-22 三相反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)原理圖步進電動機工作方式(以三相步進電機為例)步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍三相繞

16、組中的通電順序為：這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 b表示。q。此角稱為步距角，用°302）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。第二部分 測量放大器測量放大器簡述放大器是能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動控制等各種裝置中。了解和掌握放大器對于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實際系統(tǒng)中常采用的有測量放大器和隔離放大器。測量放大器也稱為

17、儀表放大器或數(shù)據(jù)放大器，它是一種可以用來放大微弱差值信號的高精度放大器，在測量控制等領(lǐng)域具有廣泛的用途。通常，測量放大器多采用專用集成模塊來實現(xiàn)，雖然有很高的性能指標(biāo)，但不便于實現(xiàn)增益的預(yù)置與數(shù)字控制，同時價格較高。為此，結(jié)合應(yīng)用實際，利用高增益運放，設(shè)計了一種具有高共模抑制比，高增益數(shù)控可顯的測量放大器。提高了測量放大器的性能指標(biāo)，并實現(xiàn)放大器增益較大范圍的步進調(diào)節(jié)。本次設(shè)計通過采用儀用放大器的改造來實現(xiàn)設(shè)計一測量放大器及其所用的穩(wěn)壓電源,并滿足其高輸入阻抗和高共模抑制比及高通頻帶的要求.。測量放大器主要實現(xiàn)對微信號的測量，主要通過運用集成運放組成測量放大電路實現(xiàn)對微弱信號的放大，要求有較高

18、的共模抑制能力及較高的輸入電阻，減少測量的誤差及對被測電路的影響，并要求放大器的放大倍數(shù)可調(diào)已實現(xiàn)對比較大的范圍的被測信號的測量。測量放大器前級主要用差分輸入，經(jīng)過雙端信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)比例放大進行放大。（一）設(shè)計任務(wù)： 使用運算放大器設(shè)計一套用于交流信號測量的放大器模塊。 (二)、基本要求：o 差模電壓放大倍數(shù)  AVD1500，可手動調(diào)節(jié)；o 最大輸出電壓為±10V，非線性誤差 < 0.5 ；o 在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內(nèi)，共模抑制比 KCMR >10 ；o 在AVD500時，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1V； 通頻帶010Hz ；第一部

19、分：信號變換放大器設(shè)計并制作一個信號變換放大器，參見下圖。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，以此作為差動放大器的輸入信號。第二部分：差動放大器設(shè)計、制作一個測量用差動放大器，參見下圖。輸入信號VI取自橋式測量電路的輸出。當(dāng)R1R2R3R4時，VI0。R2改變時，產(chǎn)生VI 0的電壓信號。第三部分：前置放大器被測輸入正弦波信號最小幅度為有效值10毫伏；（輸入幅度盡量小） 頻率為100HZ20KHZ；（上限頻率盡量高）放大器增益達(dá)到60dB。（增益盡量高）(三) 設(shè)計方案1.信號交換放大器信號變換放大器主要功能是將函數(shù)發(fā)生器的單端輸入 Vi1 變換成直流電壓放大器的雙端輸

20、出Vo。設(shè)計并制作一個信號變換放大器，參見圖四。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。圖四設(shè)計要求將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真的轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。為了使信號不失真，就需保證電路的對稱性。VO2VO1 圖五同相放大器A1的電壓增益Vo1/ Vi=1，反相放大器A2的電壓增益Vo2 / Vi=-1/2，則總增益Vo / Vi=( Vo1 Vo2)/ Vi =1下面推導(dǎo)信號變換放大器的電壓增益關(guān)系式：對同相放大器(既電壓跟隨器)，電壓增益Vo1 / Vi=R1/(R1+R3)=1

21、/2當(dāng)R1 =0時：Vo1= Vi對反相放大器，電壓增益Vo2 / Vi =-R2/R1當(dāng)R2=R5=10k時：Vo2 =- Vi反相放大器同相端對地電阻R4為平衡電阻?？傇鲆鎂o/ Vi =1。2.差動放大器方案論證與比較方案一同相并聯(lián)式高阻抗測量放大器電路具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移互相補償、雙端變單端以及輸出不包括共模信號等優(yōu)點。線路前級為同相差動放大結(jié)構(gòu)，要求兩運放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模、共模輸人電阻大的特點外，兩運放的共模增益、失調(diào)及其漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消，因而不需精密匹配電阻。后級的作用是抑制共模信號，并將雙端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味朔糯筝敵?，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要，后

22、級的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級取高值，后級取低值。圖一該測量放大器由運放U1和U3按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運放U2組成第二級差分放大電路。方案二低噪聲前置放大電路設(shè)計本電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入阻抗高，放大倍數(shù)可調(diào)；但是共模抑制比較小，實測只有104，共模抑制能力太差。圖二對測量電路的基本要求是：高輸入阻抗，以抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對稱引入的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引入的誤差。高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)信號源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運放組合的電路來滿足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯(lián)式高阻測量放大器，同相并聯(lián)式高阻測量放大器。抑制共模信號

23、傳遞的最簡單方法是在基本的同相并聯(lián)電路之后，再接一級差動運算放大器，它不僅能割斷共模信號的傳遞，還將雙端變單端，適應(yīng)接地負(fù)載的需要，電路如圖一所示。它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補償，以及輸出不包含共模信號等優(yōu)點，其代價是所用組件數(shù)目較多，共模抑制能力略有下降。方案一比方案二的抑制共模能力強，故采取方案一。3 前置放大器輸入及輸出電容器(C1及C4)只是選項，可根據(jù)實際情況考慮選用。適用與否取決于用戶系統(tǒng)的輸入與輸出如何連接。若輸出設(shè)有直流補償，那么便需要增設(shè)C1輸入電容器，以便阻塞直流電信號。輸出電容器也可發(fā)揮相同的作用。最終設(shè)計：（四）實驗記錄信號交換放大器：差動放大器前置放大器

24、輸入振幅2mV（有效值）100HZ1kHZ20kHZ（五）收獲體會本學(xué)期的電子課程設(shè)計涉及到了數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)的內(nèi)容，加深了我對知識的理解和掌握。為了完成設(shè)計任務(wù)，我們又鞏固了之前所學(xué)的專業(yè)課知識，遇到不懂的內(nèi)容隨時翻閱教材和資料，并在實踐中進一步加深了對專業(yè)知識的掌握和應(yīng)用，從中得到了新的收獲并且用于實踐，在反復(fù)設(shè)計和修改方案的過程中，體會到了電路設(shè)計的樂趣所在。課程設(shè)計培養(yǎng)了我們完成一件復(fù)雜任務(wù)的方式方法。剛一開始聽說要設(shè)計一個完整、具有實際功能的電路，我們幾乎一籌莫展，不知從何下手。因為從前的試驗中我們只是進行單個芯片的基本功能實現(xiàn)，而從未涉及到一個系統(tǒng)的功能設(shè)計。但通過老師的講解和對設(shè)計要求的分析研究，我們逐漸能將復(fù)雜的電路分解為若干個簡單電路的組合，整體功能的實現(xiàn)也