北工大電子工程設計第一階段電源+變送器+驅動

1、北京工業(yè)大學課程設計報告（小型溫度控制系統(tǒng)）電子工程設計報告題目：小型溫度控制系統(tǒng)（第一階段） 專業(yè)：電子科學與技術 小組：第九組 姓名：王丹陽學號：11023224 指導教師：孫慧平 完成日期：2013.05.20中文摘要電子工程設計的任務是完成一套小型的溫度測量與控制系統(tǒng)，其中包含有三個階段。本次實驗為第一階段內容，即完成直流穩(wěn)壓電源模塊的設計與實現(xiàn)、傳感器信號處理電路模塊的設計與實現(xiàn)、控制信號驅動電路模塊的設計與實現(xiàn)三個實驗內容。本實驗通過對三個模塊的理論設計與實際調試，逐步掌握了小型電子系統(tǒng)的設計步驟與方法。 本報告針對以上三個模塊分別詳細給出設計要求、方案選擇與討論、電路設計圖及實物

2、、原理分析、電路調試、數據計算及誤差分析，完整反映了實驗過程。目錄1設計題目及課題背景41.1設計題目41.2課題背景42設計技術指標及設計要求42.1 設計任務42.2 設計參考方案52.3 設計要求52.3.1電源模塊52.3.2信號處理模塊52.3.3功率放大模塊52.4 發(fā)揮部分62.5 參考元器件63設計框架及原理分析63.1 設計原理說明63.2電源模塊63.2.1方案選擇63.2.2原理分析73.3變送器模塊103.3.1方案選擇103.3.2原理分析113.4驅動器123.4.1方案選擇123.4.2原理分析124系統(tǒng)的調試及實物圖134.1調試順序說明134.2電源模塊134

3、.2.1電源模塊調試134.2.2電源模塊實物圖134.3 變送器模塊144.3.1 變送器模塊調試144.3.2變送器模塊實物圖144.4 驅動器模塊154.4.1 驅動器模塊調試154.4.2驅動器模塊實物圖155出現(xiàn)的問題分析及解決165.1穩(wěn)壓電源電路板165.2變送器電路板165.3驅動電路板176數據與誤差分析176.1穩(wěn)壓電源電路板176.2變送器模塊電路板176.3驅動器模塊電路板187附錄187.1 系統(tǒng)電路的工作原理圖187.2 元器件識別方法和檢測方法197.3 參考資料208收獲和體會20一、設計題目及課題背景1.1設計題目小型閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)1.2課題背景電子工程設計

4、的任務是完成一套小型的溫度測量與控制系統(tǒng)，其中包含有三個階段。本次實驗為第一階段內容，即完成直流穩(wěn)壓電源模塊的設計與實現(xiàn)、傳感器信號處理電路模塊的設計與實現(xiàn)、控制信號驅動電路模塊的設計與實現(xiàn)。具體如下：（1）直流穩(wěn)壓電源模塊：為其他模塊供電，由變壓器、整流橋和穩(wěn)壓管三大部分組成。使市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，交流電變?yōu)橹绷麟?，不穩(wěn)定的直流電壓經濾波后，變?yōu)槎ǖ闹绷麟妷狠敵觥］敵?5V， +12，-12直流電壓。（2）傳感器信號處理電路模塊：即變送器部分。將輸入電流通過集成運放轉化為輸出0-5V電壓信號（對應于0-100），并具有調零、調滿度的電位器，以便進行溫度校準，減小誤差。（3）控

5、制信號驅動電路模塊：即驅動器部分。將D/A輸出的電流經過放大，通過控制輸出電壓，達到控制溫度的目的。并使電路具有短路保護的功能。 本報告針對以上三個模塊分別詳細給出設計要求、方案選擇與討論、電路設計圖及實物、原理分析、電路調試、數據計算及誤差分析，完整反映了實驗過程。二、設計技術指標及設計要求2.1 設計任務電子工程設計課程選擇“小型溫度控制系統(tǒng)”作為具體設計題目。需要完成非電量到電量信號轉換、信號處理、數據采集、數據處理、人機交互、數據通信、控制等設計工作，幾乎覆蓋一般電子系統(tǒng)的所有設計環(huán)節(jié)。完成上述設計工作涉及傳感器、非電測量、模擬電子技術、數字電子技術、計算機原理、接口技術、程序設計、自

6、動控制、通信等知識應用，具有廣泛的知識涵蓋面。完成“小型溫度控制系統(tǒng)”的設計，不需要特殊的電子元器件和專用儀器設備，作為一般的實踐教學任務具有較好的可操作性。2.2 設計參考方案系統(tǒng)的原理框圖為：2.3 設計要求本階段要求設計電源電路，信號處理電路，功率放大電路等模塊。相關模塊設計要求如下：2.3.1電源模塊 交流輸入：9V、14V×2直流輸出：+5V/1A、±12V/0.5A安裝：獨立電路板結構2.3.2信號處理模塊測量溫度：0 100輸出電壓：0V 5V測量誤差：滿刻度1%（0.05V或1 ）負載阻抗：>30K限制條件：0.7V 輸出電壓5.7V安裝：獨立電路板結

7、構2.3.3功率放大模塊控制半導體制冷片的驅動電路實際上是一個電壓增益為1的功率放大器，要求如下：輸入電壓：-10V +10V輸出電壓：-10V +10V電流輸出能力：>3A 輸入阻抗：>1k負載阻抗：3.5負載驅動形式：共地安裝：獨立電路板結構2.4 發(fā)揮部分 在系統(tǒng)功能擴充基礎上進行的發(fā)揮、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。 2.5 參考元器件 開關型穩(wěn)壓降壓器LM2576T、穩(wěn)壓集成電路L7812、穩(wěn)壓集成電路L7912、橋式整流器DF06、運放OP07、三極管S9012、三極管S9013,功率三極管MJE2955T、功率三極管MJE3055T、其他電容、電阻、二極管等。三、設計框架及原理分析3

8、.1 設計原理說明小型溫度控制系統(tǒng)包含電源模塊、測溫系統(tǒng)、變送器、模數轉換器 、單片機、數模轉換器、驅動器、控溫系統(tǒng)。各系統(tǒng)在單片機的控制下共同完成對溫度控制。本次實驗要完成變送器、驅動器、電源模塊。3.2電源模塊3.2.1方案選擇本模塊有2種電路方案，分別為線性穩(wěn)壓電路和開關穩(wěn)壓電路。方案圖如下：整流濾波電路780578127912+5V+12V-12V9V14V14V整流濾波電路9V14V整流濾波電路整流濾波電路2575-5 Buck型+5V+12V-12V2575-12 Buck型 2575-12 Buck-Boost型 線性穩(wěn)壓電路開關穩(wěn)壓電路優(yōu)點紋波、噪聲小，實現(xiàn)電路簡單、成本低效率

9、高缺點效率低紋波、噪聲大，實現(xiàn)電路復雜、成本高采用線性穩(wěn)壓芯片LM7805（+5V）,LM7812（+12V）和LM7912（-12V）。由于交流供電電壓低，輸出功率較小。從實現(xiàn)電路簡單，低成本的角度考慮選擇集成線性穩(wěn)壓電路方案。3.2.2原理分析綜述在電子電路及設備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。單相交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流電壓。其方框圖及各電路的輸出電壓波形如圖所示。電源電壓器：將市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?，電路圖如圖所示。整流電路：將交流電壓轉變?yōu)槊}動的直流電壓的過程。利用具有單向導電性的二極管，可以把方向和大小交變的電流變換為直流電。

10、常見整流電路有兩種：單相半波整流電路和單相橋式整流電路。半波整流電路：橋式整流電路：整流原理：u2正半周時,D1、D3導通，D2、D4截止，電流通路如圖:u2負半周時,D2、D4導通，D1、D3截止，電流通路如圖:u2>0時u2<0時D1,D3導通；D2,D4截止電流通路:由+經D1®RL®D3® - D2,D4導通；D1,D3截止電流通路:由+經D2®RL®D4® - 輸出是脈動的直流電壓濾波電路：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，

11、達到平滑輸出電壓波形的目的。穩(wěn)壓電路：將不穩(wěn)定的直流電壓經濾波后，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設備。一般分為三種：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、線性穩(wěn)壓電路和開關型穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只用來提供基準電壓，不作為電源使用。線性穩(wěn)壓電路結構簡單、調節(jié)方便、電壓穩(wěn)定性好，紋波電壓小，但發(fā)熱量大、效率較低，適用于低壓差、小功率場合。開關型穩(wěn)壓電源是近年來發(fā)展較快的電路，它的體積小、發(fā)熱量小、效率較高，適用于高壓差、大功率場合，但紋波、噪聲大，不適合精密的模擬電路。3.3變送器模塊3.3.1方案選擇測量溫度這種非電物理量，需要轉換成模擬量電信號才能

12、傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上，這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。溫度變送器是一個具有較高精度和穩(wěn)定度的直流放大器，變送器的線性化電路采用反饋方式。對熱電阻傳感器，用正反饋方式校正，對熱電偶傳感器，用多段折線逼近法進行校正。3.3.2原理分析AD592特性：實驗室為我們提供的是傳感器AD592，其主要特征為：供電：+4V+30V 溫度系數：1A/K 0輸出：273.2A工作溫度：-25+105 非線性誤差： 0.10.5重復誤差：±0.1時飄：±0.1/月AD592輸出量為隨溫度變化的電流，抗干擾能力強，信號調理電路容易

13、實現(xiàn)。AD592特性曲線如右圖所示，當T = 0時，i1=273uA；T = 100時，i2=373uA，i2-i1=100uA。電壓轉換電路特性由于需將AD592的輸出與電壓相對應，故應將電流轉換為電壓，圖為電壓轉換電路及輸出電壓特性曲線，從圖中可知Vo=50*i1-273*10-3,所以，經計算可得，當T = 0時，i1=273uA,Vo=0V;T = 100時，i1=373uA，Vo=5V。3.4驅動器3.4.1方案選擇在實際的系統(tǒng)里，往往要求放大電路的末級輸出一定的功率，以帶動后面的負載。驅動電路是一個功率放大器, 簡稱功放。驅動電壓為-9V +9V ,驅動電流最大為3A,隨著輸出負電

14、壓的增加,制冷量增加,隨著輸出正電壓的增加,制熱量增加,從而以控制輸出電壓,達到控制溫度的目的。3.4.2原理分析當ui>0時，T1導通，T2截止，iL=ie1; 當ui<0時，T2導通，T1截止，iL=ie2。由于每個管子導通180°，故為乙類功放。本電路設計中選擇了9013、9012、MJE3055T、MJE2955T作為功放的放大管。其中當輸入電壓為0+9V 時，9013、MJE3055T導通，當輸入電壓為-90V 時，9012、MJE2955T導通。之所以要選擇復合管進行放大，主要是因為9013、9012的ICM=0.5A，而電路的輸出電流最大會達到3A，此時，三

15、極管必燒無疑。而MJE3055T、MJE2955T作為大功率三極管，ICM=10A，完全不用擔心電流過大燒掉管子的問題。但由于功放的前一級為DA輸出，其電流為10mA左右，若想最終放大到3A（即300倍），MJE3055T、MJE2955T的hFE=70又不能達到要求。所以利用9013、9012的高hFE(=300)和MJE3055T、MJE2955T的高ICM=(10A)組成了最終的功放電路。原理圖中的二極管主要是為了避免交越失真。四、系統(tǒng)的調試及實物圖4.1調試順序說明 本實驗的調試采取分模塊調試的方式進行，等到電源焊接完成后一個模塊一個模塊的調試。各模塊的調試互不影響，調試一個完成一個，

16、有利于提高調試效率，是調試盡快完成。4.2電源模塊4.2.1電源模塊調試 電源模塊的調試相對簡單，依照電路圖焊好電路后，插在電路測試板上，打開電源，測量輸出端的電壓即可。如果電路焊接沒有問題的話，測量的輸出端電壓就應該滿足要求。即輸出應為5V和V電壓。 電源模塊調試步驟如下：（1）電源板焊接完畢，對照原理圖認真檢查一遍然后開始測試；（2）測試時，電源板負責交流電源輸入的右插座與調試臺標有9V、14V的插座連接，左插座懸空；（3）連接完畢后，打開調試臺電源遠離電源板12分鐘，觀察電路板有無異味或異常響動，如果一切正?？梢蚤_始進一步的測試；（4）用數字多用表按電源板左插座直流電源引出定義，檢測+5

17、V、+12V、-12V輸出。（5）若+5V、+12V、-12V輸出不正常，需要重新檢查有無錯焊、漏焊、虛焊，并重復2、3、4的步驟。（6）輸出正常的電源板，替換模板上的電源板后，若模板正常運行，電源板的設計工作結束。否則，檢查電路板的左右插座有無虛焊、脫焊等問題。4.2.2電源模塊實物圖 4.3 變送器模塊4.3.1 變送器模塊調試 變送器模塊調試比較復雜，要分幾個步驟反復調試，才能達到最后的結果。首先把調試好的電源模塊和變送器模塊插在測試板上。然后調節(jié)溫度至0度，調節(jié)電位器1，使運放的6號管腳輸出電壓為0V，再調節(jié)溫度至100度，使運放的6號管腳輸出電壓為5V。按照上述步驟反復調試幾次，便可

18、以得到相關結果。變送器模塊調試步驟如下：（1）將電源板及變送器板分別插在調控臺的指定位置，打開電源選擇確定鍵。（2）返回到選擇菜單，選擇AD592一欄，進入溫度控制界面。（3）改變溫度為0，用萬用表測輸出電壓，調節(jié)VR1，使v0=0V，此過程稱為調零；（4）改變溫度為100時，用萬用表測輸出電壓，調節(jié)VR2，使v0=5V，此的過程稱為調滿度。（5）反復重復（3）、（4）兩步，直到輸出電壓平衡為止。（6）電壓穩(wěn)定后，改變調試臺溫度，使其分別為0、10、20、30、40、50、60、70、80、90及100，測量輸出電壓，并記錄數據。4.3.2變送器模塊實物圖4.4 驅動器模塊4.4.1 驅動器模

19、塊調試把調試好的電源模塊和驅動器模塊插到測試板上，然后用信號發(fā)生器發(fā)出一個正弦波，用示波器測試輸出端是否有正弦波，是否有失真。驅動器部分調試步驟如下：（1）將電源板、控制信號驅動電路板、調試電路板分別放置在指定位置， （2）打開調試臺，改變調試電路板上的電阻，從而改變電壓輸出值。（3）觀察調試臺屏幕顯示數據，并記錄數據范圍。4.4.2驅動器模塊實物圖五、出現(xiàn)的問題分析及解決5.1穩(wěn)壓電源電路板故障現(xiàn)象故障原因無整流輸出或輸出不正常整流橋接錯或損壞無穩(wěn)壓輸出或輸出不正常集成穩(wěn)壓電路引腳接錯或損壞±12輸出不正常交流輸入中心抽頭漏接輸出波紋大濾波電容漏接保險管無輸入交流輸入漏接整理橋無輸

20、入保險管損壞電解電容發(fā)熱或爆裂電解電容極性接反電解電容發(fā)熱或爆裂電解電容耐壓不夠無直流輸出直流輸出漏接穩(wěn)壓電源板理論上遇到的故障及原因每次上電檢查保險絲是否全部正常工作，若有燒斷需及時找指導老師更換。每次調試完畢記得關閉電源，避免出現(xiàn)觸電。5.2變送器電路板故障現(xiàn)象故障原因輸出不隨輸入變化運算放大器損壞輸出接近正或負電源電壓運算放大器開環(huán)輸出達不到滿刻度放大器增益控制電阻過小輸出不能到達0點平移電路未工作輸出不能到達0點平移電路元件選擇有誤輸出總是高于4.3V接5V保護二極管反接輸出總是低于0.7接地保護二極管反接二極管全部燒毀保護二極管全部反接加載后輸出有明顯的衰減保護電路限流電阻過大無輸出

21、運算放大器電源漏接輸出偏向電源一側不隨輸入變化運算放大器單電源漏接變送器電路板理論上遇到的故障及原因實際中我們?yōu)榻档驼`差，在設計中考慮了電路元器件的溫漂、時漂和噪聲等問題，因此選擇使用了OP07運算放大器。試驗中，試驗臺右排管腳+12V、-12V管腳的錯誤表示容易引起芯片燒壞，調試時應注意。變送器電路的設計與所使用的傳感器密切相關，因此在設計中我們特別注意了傳感器與變送器連接電路的設計和校準方法及實用的關系等問題。5.3驅動電路板在調試過程中我們遇到了問題。第一個問題就是2955、3955發(fā)熱嚴重，且穩(wěn)壓電源模塊保險絲經常燒斷，后來我們將接在正負12V之間的滑動變阻換小成5K，問題解決。另外我

22、們在驗證驅動電路板時，只會正電壓不輸出負電壓，因此進行了幾次查線階段。首先查出了焊接不結實問題，有的地方焊錫多導致連線，用吸拔器吸走多余焊錫又進行了一次排查，檢查無誤后再去驗證，問題依舊沒有解決。隨后我們調整了電路，并且找老師商討之后，驗證成功。六、數據與誤差分析6.1穩(wěn)壓電源電路板萬用表黑表皮接地，紅表皮接三個輸出點來測試三個輸出的電壓值，其中+5V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在4.97±0.05V，而-12V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在-11.97±0.04V，+12V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在11.96±0.00V左右。三個管腳的輸出電壓基本符合標準，滿足電路輸出的要求。數據如下：

23、7805781279121+4.98+11.96-12.102+4.98+11.96-12.113+4.99+11.97-12.11平均值+4.98+11.96-12.10分析：由測試結果可以看出直流電源的穩(wěn)定度接近100%。6.2變送器模塊電路板在0的時候，調整滑動變阻器VR1使得電路的輸出電壓為0V；在100的時候，調整滑動變阻器VR2使得電路的輸出電壓為5V。以后每增加10，輸出電壓均大概增加0.40.6V，經過我們的多次測試，在量程范圍內，輸出電壓的實際值僅僅與理論值相差0.1V左右，誤差在允許范圍內。數據如下：溫度010203040501(V)00.510.981.52.012.49

24、2(V)00.50.991.4922.493(V)00.510.991.522.51平均值00.510.991.522.5理論值00.511.522.5溫度607080901001(V)33.54.024.552(V)3.013.5144.514.993(V)2.993.513.994.514.99平均值33.514.014.514.99理論值33.544.55經分析,電路誤差較小，實驗結果較為準確。6.3驅動器模塊電路板溫度上升時，指示燈紅燈（加熱）亮，輸出端電壓值升高。溫度下降時，指示燈綠燈（制冷）亮，輸出端（既電路板右排針從上數第七管腳）電壓值降低。在調試臺上調試時，輸入10V電壓時，輸

25、出端輸出電壓8.7V；輸入-10V電壓時，輸出端電壓-9.2V?；具_到設計要求。七、附錄7.1 系統(tǒng)電路的工作原理圖7.2 元器件識別方法和檢測方法芯片的識別方法和檢測方法 相對于其他元件，芯片的識別和檢測相對簡單，芯片表面有明顯的型號標示，可以用來識別信號。而芯片的檢測實驗室也有專門的儀器，可以直接借助專用的儀器來檢測芯片的好壞。電阻的識別方法與檢測方法電阻的標示一般都是色環(huán)標示法。色環(huán)標示主要應用圓柱型的電阻器上，如：碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、保險絲電阻、繞線電阻。主要分兩部分。第一部分的每一條色環(huán)都是等距，自成一組，容易和第二部分的色環(huán)區(qū)分。四個色環(huán)電阻的識別：第一、二環(huán)分

26、別代表兩位有效數的阻值；第三環(huán)代表倍率；第四環(huán)代表誤差。 五個色環(huán)電阻的識別：第一、二、三環(huán)分別代表三位有效數的阻值；第四環(huán)代表倍率；第五環(huán)代表誤差。 如果第五條色環(huán)為黑色，一般用來表示為繞線電阻器，第五條色環(huán)如為白色，一般用來表示為保險絲電阻器。如果電阻體只有中間一條黑色的色環(huán)，則代表此電阻為零歐姆電阻。色環(huán)顏色和相應的數值對照表如下。銀金黑棕紅橙黃綠藍紫灰白無有效數字0123456789數量級10-210-110010 1102103104105106107108109 電阻的檢測相對簡單，直接用萬用表測電阻的阻值并與電阻上的色環(huán)標示值比較就可以檢驗電阻的好壞。電容的識別方法與檢測方法電容

27、器的標注規(guī)則為：當電容器的容量大于100pF而又小于1mF時，一般不注單位，沒有小數點的，其單位是pF時，有小數點的其單位是mF。如4700就是4700pF，0.22就是0.22mF。當電容量大于是10000pF時，可用mF為單位，當電容小于10000pF時用pF為單位。據此根據電容器表面的標注可以識別電容器的大小。電容器的檢測方法如下：1.用萬用電表的歐姆檔（R×10k或R×1k檔，視電容器的容量而定），當兩表筆分別接觸容器的兩根引線時，表針首先朝順時針方向（向右）擺動，然后又慢慢地向左回歸至位置的附近，此過程為電容器的充電過程。2.當表針靜止時所指的電阻值就是該電容器的

28、漏電電阻（R）。在測量中如表針距無窮大較遠，表明電容器漏電嚴重，不能使用。有的電容器在測漏電電阻時，表針退回到無窮大位置時，又順時針擺動，這表明電容器漏電更嚴重。一般要求漏電電阻R500k，否則不能使用。三極管的識別方法與檢測方法對于三極管的識別，三極管表面有明顯的型號標示，可以根據標示的型號判斷三極管的類型。三極管的檢測也可以運用萬用表的三極管測量功能來進行檢測。7.3 參考資料1 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，模擬電子技術基礎（第四版）2 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，電子設計從零開始3 清華大學電子學教研組編，高等教育出版社，數字電子技術基礎（第五版）4 邱關源主編，高等教育出版社，電路（第四版）5 梁廷貴主編，科學技術文獻出版社，現(xiàn)代集成電路使用手冊6 潘中良主編，國防工業(yè)出版社，數字電路的仿真與驗證7 許小軍主編，東南