呼吸燈課程設計

PAGEPAGE2鄭州科技大學《數字電子技術》課程設計題目LED呼吸燈學生姓名專業(yè)班級學號院（系）指導教師完成時間2013年3月13日PAGE1目錄1課程設計目的 12課程設計任務與要求 23設計方案與論證 43.1設計任務分析 43.2設計電路 43.3調試 54設計原理及其功能 65單元電路的設計 75.1LED日光燈 75.2電阻 85.3電容 85.4三極管 95.5LM358 116硬件的制作與調試 136.1電路焊接 136.2功能實現 136.3外觀 137設計總結 14參考文獻 16附錄一：總體電路原理圖 17附錄二：元器件清單 18PAGE181課程設計目的電子技術是一門實踐性很強的課程，加強工程訓練，特別是技能的培養(yǎng)，對于培養(yǎng)工程人員的素質和能力具有十分重要的作用。在電子信息類本科教學中，電子技術課程設計是一個重要的實踐環(huán)節(jié)，它包括選擇課題、電子電路設計、組裝、調試和編寫總結報告等實踐內容。通過課程設計要實現以下兩個目標：第一，讓學生初步掌握電子線路的試驗、設計方法。即學生根據設計要求和性能參數，查閱文獻資料，收集、分析類似電路的性能，并通過組裝調試等實踐活動，使電路達到性能指標；第二，課程設計為后續(xù)的畢業(yè)設計打好基礎。畢業(yè)設計是系統(tǒng)的工程設計實踐，而課程設計的著眼點是讓學生開始從理論學習的軌道上逐漸引向實際運用，從已學過的定性分析、定量計算的方法，逐步掌握工程設計的步驟和方法，了解科學實驗的程序和實施方法，同時，課程設計報告的書寫，為今后從事技術工作撰寫科技報告和技術資料打下基礎。2課程設計任務與要求數字電子技術課程設計的方法和步驟數字電子技術課程設計的方法和步驟數字電子技術課程設計的方法和步驟數字電子技術課程設計的方法和步驟設計一個電子電路系統(tǒng)時，首先必須明確系統(tǒng)的設計任務，根據任務進行方案選擇，然后對方案中的各部分進行單元的設計、參數計算和器件選擇，最后將各部分連接在一起，畫出一個符合設計要求的完整系統(tǒng)電路圖。1、設計任務分析對系統(tǒng)的設計任務進行具體分析，充分了解系統(tǒng)的性能、指標內容及要求，以便明確系統(tǒng)應完成的任務。2、方案論證這一步的工作要求是把系統(tǒng)的任務分配給若干個單元電路，并畫出一個能表示各單元功能的整機原理框圖。方案選擇的重要任務是根據掌握的知識和資料，針對系統(tǒng)提出的任務、要求和條件，完成系統(tǒng)的功能設計。在這個過程中要用于探索，勇于創(chuàng)新，力爭做到設計方案合理、可靠、經濟、功能齊全、技術先進，并且對方案要不斷進行可行性和優(yōu)缺點的分析，最后設計出一個完整框圖?？驁D必須正確反映系統(tǒng)應完成的任務和各組成部分功能，清楚表示系統(tǒng)的基本組成和相互關系。3、方案實現1）單元電路設計單元電路是整機的一部分，只有把各單元電路設計好才能提高整體設計水平。每個單元電路設計前都需明確本單元電路的任務，詳細擬訂出單元電路的性能指標，與前后級之間的關系，分析電路的組成形式。具體設計時，可以模仿成熟的先進電路，也可以進行創(chuàng)新或改進，但都必須保證性能要求。而且，不僅單元電路本身要設計合理，各單元電路間也要相互配合，注意各部分的輸入信號、輸出信號和控制信號的關系。2）參數計算為保證單元電路達到功能指標要求，就需要用電子技術知識對參數進行計算。例如，放大電路中各阻值、放大倍數的計算；振蕩器中電阻、電容、振蕩頻率等參數的計算。只有很好地理解電路的工作原理，正確利用計算公式，計算的參數才能滿足設計要求。3）器件選擇阻容元件的選擇：電阻和電容種類很多，正確選擇電阻和電容是很重要的。不同的電路對電阻和電容性能要求也不同，有些電路對電容的漏電要求很嚴，還有些電路對電阻、電容的性能和容量要求很高。例如濾波電路中常用大容量鋁電解電容，為濾掉高頻通常還需并聯(lián)小容量瓷片電容。設計時要根據電路的要求選擇性能和參數合適的阻容元件，并要注意功耗、容量、頻率和耐壓范圍是否滿足要求。分立元件的選擇：分立元件包括二極管、晶體三極管、場效應管、光電二（三）極管、晶閘管等。根據其用途分別進行選擇。選擇的器件種類不同，注意事項也不同。例如選擇晶體三極管時，首先注意是選擇NPN型還是PNP型管，是高頻管還是低頻管，是大功率還是小功率，并注意管子的參數是否滿足電路設計指標的要求。集成電路的選擇：由于集成電路可以實現很多單元電路甚至整機電路的功能，所以選用集成電路來設計單元電路和總體電路既方便又靈活，它不僅使系統(tǒng)體積縮小，而且性能可靠，便于調試及運用，在設計電路時頗受歡迎。集成電路有模擬集成電路和數字集成電路。國內外已生出大量集成電路，其器件的型號、原理、功能、特征可查閱有關手冊。選擇的集成電路不僅要在功能和特性上實現設計方案，而且要滿足功耗、電壓、速度、價格等多方面的要求。安裝調試：安裝與調試過程應按照先局部后整機的原則，根據信號的流向逐塊調試，使各功能塊都要達到各自技術指標的要求，然后把它們連接起來進行統(tǒng)調和系統(tǒng)測試。調試包括調整與測試兩部分，調整主要是調節(jié)電路中可變元器件或更換器件，使之達到性能的改善。測試是采用電子儀器測量相關點的數據與波形，以便準確判斷設計電路的性能。裝配前必須對元器件進行性能參數測試。根據設計任務的不同，有時需進行印制電路板設計制作，并在印制電路板上進行裝配調試。3設計方案與論證3.1設計任務分析說到呼吸燈的設計，也許大家最先想到的就是蘋果。確實，從powerbookg3和ibok開始，蘋果的筆記本電腦就開始家去了呼吸燈的設計，只要用戶合上筆記本的時候，位于筆記本前團的睡眠指示燈就會呈呼吸狀的閃動，這樣的設計第一次出現在大家面前的時候，人們更多的是贊嘆蘋果的無限創(chuàng)意。顧名思義，燈光在微電腦控制之下完成由亮到暗的絕劍變化，感覺就像是在呼吸。廣泛應用與數碼產品，起到裝飾和只是工作效果。目前被廣泛用于手機之上，并成為各大品牌新款手機的賣點之一。呼吸分為兩個過程：吸氣：指數曲線上升，該過程需要1.5S呼氣：指數曲線下降，該過程需要1.5S.對成人而言，平均每分鐘呼吸16~18次；對兒童而言，平均每分鐘呼吸20次；3.2設計電路圖1-1電路圖3.3調試各參數選定后，必須先用multisim軟件進行仿真，待仿真與預期實驗結果完全一致說明參數選擇正確才能進行電路的實際焊接，如果與預期結果不一致須檢查電路或重設參數重新進行仿真直到與預期結果符合。電路仿真在電路設計中必不可少，先進行了仿真并根據仿真結果焊接電路可以避免元件的損壞和焊接的高效性。4設計原理及其功能LED在電路的控制之下，發(fā)光強度由亮到暗逐漸變化，就像呼吸一樣，所以電路名稱被定義為呼吸燈。工作原理：I1A及其外圍元件組成一個自激振蕩器，其震蕩信號由1腳輸出，作用在三極管Q1的導通程度，從而控制4只LED的發(fā)亮度和頻率，使其亮度和頻率的變化像人的呼吸一樣。5單元電路的設計5.1LED日光燈LED日光燈以質優(yōu)、耐用、節(jié)能為主要特點，投射角度調節(jié)范圍大，15W的亮度相當于普通40W日光燈?？垢邷?、防潮防水、防漏電。使用電壓有:110V、220V可選，外罩可選玻璃或PC材質。燈頭與普通日光燈一樣。LED日光燈采用最新的LED光源技術，數位化外觀設計，節(jié)電高達70%以上，12W的LED日光燈光強相當于40W的日光燈管（用于鎮(zhèn)流器和啟輝器，36W的日光燈真正的耗電量為42W至44W）。LED日光燈壽命為普通燈管的10倍以上，幾乎免維護，無須經常更換燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器。綠色環(huán)保的半導體電光源，光線柔和，光譜純，有利于使用者的視力保護及身體健康。6000K的冷光源給人視覺上清涼的感受，人性化的照度差異設計，更有助于集中精神，提高效率。目前，LED日光燈和普通日光燈對比來說，優(yōu)點如下：1，節(jié)能。2，壽命長。3，適用性好，因單顆LED的體積小，可以做成任何形狀。4，回應時間短，是ns（納秒）級別的回應時間，而普通燈具是ms（毫秒）級別的回應時間。5，環(huán)保，無有害金屬，廢棄物容易回收。6，色彩絢麗，發(fā)光色彩純正，光譜范圍窄，并能通過紅綠藍三基色混色成七彩或者白光。缺點：1，價格貴。2，目前能普遍做到的光效率和理論光效率還有很大差距。3，目前能做到的壽命和理論壽命（10w小時）還有很大差距。4，還是有一定的發(fā)熱量。5，光衰還可以大幅度縮小。不過這些缺點都可以通過工藝的改進克服，所以即使目前LED光源還不能完全取代現有傳統(tǒng)光源，但隨著技術的發(fā)展，日后一定是LED的天下。5.2電阻電阻（Resistance，通常用“R”表示）是所有電路中使用最多的元件之一。在物理學中，用電阻來表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。電阻元件是對電流呈現阻礙作用的耗能元件。因為物質對電流產生的阻礙作用，所以稱其該作用下的電阻物質。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。5.3電容電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容。因電容是電子設備中大量使用的電子元件之一，所以廣泛應用于隔直、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換、控制電路等方面。在電子線路中，電容用來通過交流而阻隔直流，也用來存儲和釋放電荷以充當濾波器，平滑輸出脈動信號。小容量的電容，通常在高頻電路中使用，如：收音機、發(fā)射機和振蕩器中。大容量的電容往往是作濾波和存儲電荷用。而且還有一個特點，一般1μF以上的電容均為電解電容，而1μF以下的電容多為瓷片電容，當然也有其他的，如：獨石電容、滌綸電容、小容量的云母電容等。電解電容有個鋁殼，里面充滿了電解質，并引出兩個電極，作為正（+）、負（-）極，與其它電容器不同，它們在電路中的極性不能接錯，而其他電容則沒有極性。把電容器的兩個電極分別接在電源的正、負極上，過一會兒即使把電源斷開，把電容器的兩個電極分別接在電源的正、負極上，過一會兒即使把電源斷開，兩個引腳間仍然會有殘留電壓，電容器儲存了電荷。電容器極板間建立起電壓，積蓄起電能，這個過程稱為電容器的充電。充好電的電容器兩端有一定的電壓。電容器儲存的電荷向電路釋放的過程，稱為電容器的放電。電子電路中，只有在電容器充電過程中，才有電流流過，充電過程結束后，電容器是不能通過直流電的，在電路中起著“隔直流”的作用。電路中，電容器常被用作耦合、旁路、濾波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。交流電不僅方向往復交變，它的大小也在按規(guī)律變化。電容器接在交流電源上，電容器連續(xù)地充電、放電，電路中就會流過與交流電變化規(guī)律一致（相位不同）的充電電流和放電電流。電容器的選用涉及到很多問題。首先是耐壓的問題。加在一個電容器的兩端的電壓超過了它的額定電壓，電容器就會被擊穿損壞。一般電解電容的耐壓分檔為6.3V、10V、16V、25V、50V等。5.4三極管半導體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的PN結，組成一個PNP（或NPN）結構。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開關等作用的半導體電子器件。晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數載流子（電子）及基區(qū)的多數載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：β1=Ic/Ib式中：β1--稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β=△Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍數，由于低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩PN三極管放大時管子內部的工作原理：1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子（形成發(fā)射極電流）發(fā)射結施加正向電壓且摻雜濃度高，所以發(fā)射區(qū)多數自由電子越過發(fā)射結擴散到基區(qū)，發(fā)射區(qū)的自由電子由直流電源補充，從而形成了發(fā)射極電流。（同時，基區(qū)的多數載流子也會擴散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射極電流的一部分。由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度較低，因此由基區(qū)多子空穴形成的電流可以忽略不計。）2、自由電子在基區(qū)和空穴復合，形成基區(qū)電流，并繼續(xù)向集電區(qū)擴散自由電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區(qū)形成集電極電流。也有很小一部分電子（因為基區(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復合（基區(qū)中的空穴由直流電源補充），擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流由于集電結加反向電壓且面積很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數載流子（空穴）也。會產生漂移運動，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數值很小，但對溫度卻異常敏感。LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與

電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

5.5LM358LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358特性(Features)：＊內部頻率補償。＊直流電壓增益高(約100dB)。＊單位增益頻帶寬(約1MHz)。＊電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(±1.5~±15V)。＊低功耗電流，適合于電池供電。＊低輸入偏流。＊低輸入失調電壓和失調電流。＊共模輸入電壓范圍寬，包括接地。＊差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。＊輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V)。LM358主要參數輸入偏置電流45nA輸入失調電流50nA輸入失調電壓2.9mV輸入共模電壓最大值VCC~1.5V共模抑制比80dB電源抑制比100dBLM358引腳圖LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。6硬件的制作與調試6.1電路焊接根據仿真電路焊接實際電路，正確掌握電烙鐵的使用，注意區(qū)分三極管的C,B,E極，發(fā)光二極管的陰極和陽極，在焊接過程中要有足夠的耐心，細心。焊接步驟：1備：絲，右手拿電烙鐵，是烙鐵尖與焊錫絲和焊接部位離得很近，處于誰是可以焊接的狀態(tài)。2加熱：把烙鐵尖緊貼焊接部位，進行加熱。3焊錫絲融化把焊錫絲緊貼合部適量熔化。4焊錫絲脫落融化的焊錫絲達到適量范圍之后，立即脫離焊錫絲。5烙鐵脫離達到錫釬焊目的范圍時，烙鐵頭應立刻脫離，在焊錫硬化前，不要挪動焊接部位。6檢查焊錫凝固后，按工藝要求用直觀方法檢查焊點，判斷是否符合要求。6.2功能實現按電路圖焊接完成后，檢查電路，檢查無誤后，接12V電源，觀察燈是否像呼吸一樣變化。6.3外觀各元件在電路板上合理布置，看起來大方，美觀，干凈，簡單。7設計總結通過本次的課程設計讓我更加深刻理解模擬電路的相關知識，巧妙地把這門課程應用到現實生活中，在本次課設中，讓我感覺了，自己所學知識的潰乏，驗證了古人說的“書到用時方恨少”這句話，所以我們要反復的學習學過的知識。在設計過程中，經常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。我沉得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘