電子工程設計報告

1、電子工程設計報告報告內容：電子工程課程設計專業(yè)：自動化小組：24c姓名學號：鄭鵬09020110 指導教師：張印春完成日期：2011年11月7號一、課題背景和簡介（1）課題背景：當今社會中，隨著單片機的廣泛應用，越來越多的自動控制過程實現(xiàn)了低成本、高標準的實際應用。對于較為常用的空調溫度調節(jié)系統(tǒng)，因其在現(xiàn)今階段應用的廣泛，且立足于溫度測量和反饋控制基礎，具有較高的實用價值，同時相比較其它系統(tǒng)而言，內容更有針對性，更適應本科生的實驗設計課程。因此，適應這樣的社會實事，本課程基于為了能使電子信息、通信類本科生能較早的了解到具體的電子工程設計中可能真是遇到的問題，專門設計了此次課題。本系統(tǒng)被分解成多

2、個單元電路，格局難易程度不一，分幾個階段，為期兩個學期，最終完成，期間通過教學模板進行系統(tǒng)聯(lián)調，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)。本學期主要進行第一、二階段的練習，在老師的指導下完成直流穩(wěn)壓電源的制作過程。同時，通過老師的引導自主完成溫度變送器環(huán)節(jié)，使同學們對整個的電工實驗流程有了一個客觀真實的了解。同時對系統(tǒng)有了較為整體的認識以及提高了電子工程設計和實際操作方面的綜合能力。通過本學期的實驗，最終同學們能夠初步掌握在給定條件和要求的情況下解決以下問題：如何達到以最經(jīng)濟實用的方法、巧妙合理的去設計工程系統(tǒng)中的某一部分電路，并將其連接到系統(tǒng)中去。（2）課題簡介： 1）直流穩(wěn)壓電源：直流穩(wěn)壓電源的元器件見圖（1）所

3、示，采用統(tǒng)一電路，共三組電源分別為（+5V，1A）、（+12V，1A）、（5V，1A）。2）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，是將傳感器輸出的信號轉變?yōu)椴杉娐匪枰男盘?。溫度變送器輸出電壓?5V（對應溫度0100）。溫度變送器應具有調零、調滿度電位器，以便進行溫度校準。溫度變送器是一個脈沖放大整形電路。3）模數(shù)轉換器：是將模擬電信號轉變成計算機能識別的數(shù)字信號。在模數(shù)轉換中，應根據(jù)測量精度要求，考慮轉換電路的精度和分辨率，并力求降低成本。模數(shù)轉換有多種方法可以實現(xiàn)，如采用電壓/頻率變換器，以頻率或脈沖來計算溫度，也可以采用A/D變換器或其他方法。如采用A/D變換器

4、，建議使用ADC0804。由于轉速采集送回的是脈沖信號，可以用單位時間內的脈沖個數(shù)計算轉速，也可以用脈沖寬度來計算轉速。不管用哪種方法，都要保證轉速精度的要求。應考慮轉換器輸入阻抗和變換器輸出阻抗對信號的衰減可能引起的測試誤差，并盡量降低這一誤差。板間連接應注意保護。4）數(shù)模轉換器： 是將一個數(shù)字電量轉換成一個模擬電量。在數(shù)模轉換中，應根據(jù)轉換要求，考慮輸出電壓的分辨率和精度。數(shù)模轉換有多種方法可以實現(xiàn)，在滿足要求的情況下，應力求降低成本。可以采用頻率/電壓變換的方法，也可以采用D/A變換器或其他方法，如采用D/A變換器，建議使用DAC0832。（00FF）數(shù)字對應于（-10+10V）電壓。5

5、）驅動電路：是一個功率放大器，驅動電壓為-9V+9V，驅動電流最大為3A，隨著輸出負電壓的增加，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。二、需求分析本系統(tǒng)雖然早已實際應用多年，但是對于初學反饋調節(jié)的本科生而言具有較高的了解價值，同時縱觀現(xiàn)今社會發(fā)展現(xiàn)實，可以看出在至少將近幾十年內還會繼續(xù)擁有參考研究價值，因此這項實驗不會和社會脫節(jié)，具有較為廣泛的需求基礎。三、方案論證設計電源是此系統(tǒng)順利工作的基礎，其作用不可小覷。電源的設計要求能輸出穩(wěn)定的直流電壓，以保證后續(xù)電路板的正常工作。也就是說，電源主要完成交流和直流的電壓方向和數(shù)值的轉變。變送器也是此系統(tǒng)

6、的重要部分，它的誤差必須控制在一定范圍內，否則后面的電路部分無法正常工作，所以在兼顧穩(wěn)定性和易操作性的同時，合理的電路設計顯得尤為重要。變送器的設計方案很多，這里采用單級運放電流電壓轉換方式。四、電路（選擇）設計直流穩(wěn)壓電源的電路原理圖如下：圖（1）變送器電路原理圖如下：圖（2）模數(shù)電路原理圖：數(shù)模原理圖：驅動電路原理圖：五、原理分析（1）、直流穩(wěn)壓電源的原理橋式整流電路全波整流，四個二極管接成電橋形式；濾波電路可以濾去整流輸出電壓的紋波；三端固定式集成穩(wěn)壓器。圖（3）（2）、變送器原理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，是將傳感器輸出的信號轉變?yōu)椴杉娐匪枰男盘?。穩(wěn)壓電路，

7、為恒壓補償電路提供穩(wěn)定的電壓；恒流補償電路，提供273uA恒定補償電流；增益控制電路，控制輸出滿度為5V。AD590特性的分析如下圖：（3）、數(shù)模轉換器：1. 基本要求輸入范圍： 00H 0FFH對應輸出： -10V+10V誤差： 1%FSR響應時間： < 1ms電源供電： +5V，±12V安裝： 獨立電路板結構2. 電路選擇常用 D/A 電路的特點（1）基本原理 電流開關型：用數(shù)字切換電流開關，產生與電阻網(wǎng)絡權電流對應的電流“和”；脈寬調制型：將數(shù)字轉換為輸出脈沖寬度，用積分器將脈沖寬度轉換為與之對應的電壓輸出；（2）輸出方式與數(shù)字量成比例的電流輸出/與數(shù)字量成比例的電壓輸出

8、/數(shù)字量和參考電壓的相乘輸出（3）技術指標衡量一個數(shù)模轉換器質量的主要性能指標有：輸出電壓的分辨率、精度和動態(tài)指標。分辨率的高低由轉換器的位數(shù)決定，位數(shù)越多，分辨率越高。動態(tài)指標指的是D/A轉換器的建立時間，它是描述D/A轉換快慢的主要參數(shù)。超高速D/A轉換器的建立時間為小于100ns，較高速D/A轉換器的建立時間為100ns1us,高速D/A轉換器的建立時間為1us10us。（4）DAC0832 8 位乘算型電流輸出的典型產品，具有MCU兼容接口，使用方便，價格低，能滿足設計要求。3.電路方案（1）芯片簡介DAC0832的內部功能框圖如下：引腳功能：D0-7：數(shù)據(jù)輸入線,與89C51的P0.

9、0-P0.7相連，作為數(shù)據(jù)輸入端。ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效，我們將它與89C51的P2.4管腳相連，用來片選D/A轉換器。WR1為輸入鎖存器的寫選通信號。輸入寄存器的鎖存信號LE1由ILE、CS、WR1的邏輯組合產生。當ILE為高電平、CS為低電平、WR1輸入負脈沖時，在LE1產生正脈沖；LE1為高電平時，輸入鎖存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線的狀態(tài)變化，LE1的負跳變將數(shù)據(jù)線上的信息鎖入輸入寄存器。XFER：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效，我們將它與/CS段連接在一起，作為片選端。WR2為DAC寄存器的寫選通信號。DAC寄存器的鎖存信號LE2，有XFER、W

10、R2的邏輯組合產生。當XFER為低電平，WR2輸入付脈沖，則在LE2產生正脈沖；LE2維高電平時，DAC寄存器的輸出和輸入寄存器的狀態(tài)一致，LE2負跳變，輸入寄存器的內容打入DAC寄存器。在設計電路時，我們將WR1與WR2連接在一起，作為對D/A轉換器的寫選通信號。VREF：基準電源輸入引腳。RFB：反饋信號輸入引腳，反饋電阻在芯片內部。IOUT1、IOUT2：電流輸出引腳。電流IOUT1與IOUT2的和為常數(shù)，IOUT2、IOUT1隨DAC寄存器的內容線性變化。VCC：電源輸入引腳。AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字地。主要技術指標· 分辨率 - 8位·誤差 - 0.2

11、 % FSR·電流穩(wěn)定時間 - 1微秒（2）工作原理DAC0832輸出的Iout1=D0*(I/28)+D1*(I/27)+D7*(I/21) = (I/28)(D0*20+D1*21+D7*27) =(I/28)*DATA =Vref/(28*R)*DATA輸出為電流，量值正比于 DATA。單極輸出轉換電路如圖Vout1=-Vref/28*DATA雙極輸出轉換電路如圖當Vi1=0時，Vout=-Vref/2；當Vi2=0時，Vout=Vref。因此Vout的取值范圍為-Vref/2Vref/2。（4）、模數(shù)轉換器1.基本要求輸入信號范圍： 0V+5V分辨率： 8bit精度： 1LS

12、B轉換時間： < 1ms安裝： 獨立電路板結構2.電路選擇常用A / D電路的特點（1）基本原理 積分型：將電壓轉換成脈寬信號或頻率，由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。優(yōu)點：分辨率高；缺點：轉換速率極低 ； 逐次比較型 ：由比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。優(yōu)點：速度較高、功耗低，在<12位分辯率時價格便宜 ； 并行比較型：用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換。優(yōu)點：轉換速率極高；分辯率高時電路規(guī)模大、價格也高，只適用于低分辨率高速場合 ；壓頻轉換型：將模擬信號轉換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量 ，從理論上講其分辨率幾乎可以無限增加。優(yōu)點：分辯率高、

13、功耗低、價格低；但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉換（2）技術指標在模數(shù)轉換中，應根據(jù)測量精度要求，考慮轉換電路的精度、分辨率和轉換時間，并力求降低成本，衡量一個數(shù)模轉換器質量的主要性能指標有：分辨率、轉換精度和轉換時間。A/D轉換器的分辨率高低習慣上以輸出二進制數(shù)或者BCD碼的位數(shù)表示。轉換時間是指A/D轉換器完成一次轉換所需要的時間。高速A/D轉換（如并行式A/D）的轉換時間為幾十ns, 逐次逼近式A/D轉換器的轉換時間幾us到幾十us,雙積分式A/D轉換器的轉換時間為幾十ms。轉換精度主要反映實際A/D轉換器與理想A/D轉換器的差別。（3）ADC0804 8 位逐次比較（逐次逼近）型典型

14、產品，具有MCU 兼容接口，使用方便；分辯率和轉換速度都能夠滿足設計要求，且價格低廉。3.電路方案（1）芯片簡介ADC0804芯片如下圖技術指標：分辨率 8位；轉換時間 100S轉換誤差：±1/4LSB±1/2LSB±1LSB模擬輸入范圍：一般為05V數(shù)字輸出電平：TTL電平；不需要外部時鐘；工作電壓單電源 +5V（2）工作原理ADC0804工作原理圖如下圖近似電壓V=K3*2.5+K2*1.25+K1*0.625+K0*0.3125（5）驅動電路：驅動器及所謂的功率放大電路，能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。從能量控制和轉換的角度看

15、，功率放大電路與其它放大電路在本質上沒有根本的區(qū)別；只是供方既不是單純追求輸出高電壓或大電流，而是追求在電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。其實驅動器前方供給的指使一個信號，驅動器用以放大這個信號，真正的能量供給是驅動器的電源。本次電路的兩方器件交替導通的推挽工作方式。當信號為正時9013和3055導通輸出正電壓；反之9012和2955通輸出負電壓。電路框圖信號來源選擇（跳線）功率放大電路驅動器電源六、理論計算變送器參數(shù)的計算穩(wěn)壓電路：為恒壓補償電路提供穩(wěn)定的電壓，穩(wěn)壓管D1的工作電流取3mA。限流電阻。恒流補償電路：提供273uA恒定補償電流，限流電阻，。增益控制電路：控制輸出滿度為5

16、V。滿度輸入電壓為100uA×12.1=12.1V電阻，。七、調試原理與方法（1）調試電源板：利用調試臺電源板右側插座調試，調試臺電源板左側插座不能插入，用萬用表檢測輸出電壓+5v、+12、-12v，檢測電壓紋波，電壓符合要求后可以將電源板按調試臺位置插入，調試臺電源指示燈、數(shù)碼管正常顯示。（2）調試變送器板： 利用調試臺變送器板調試，電源板需要插上。調試臺電源電壓工作正常，數(shù)碼管正常顯示。在調試臺變送器插座插上變送器板，注意方向。利用調試臺鍵盤輸入調試溫度。調整電流源輸出。（模擬AD590電流變化）。電流源輸出電流為：I=273uA+溫度值溫度值為：0攝氏度時放大器輸出電壓為0V。

17、溫度值為：100攝氏度時放大器輸出電壓為5V。（3）調試模數(shù)和數(shù)模板：利用調試臺進行調試，通過左上角的溫度顯示得知現(xiàn)在的溫度，調節(jié)鍵盤，設定一個高溫，點擊運行。芯片沒有燒毀，制熱燈亮起，溫度增加。再設定一個低溫，運行。芯片正常工作，制冷燈亮起，溫度降低，與預期效果相同。八、實物圖：（1）電源板正面：背面：Pcb圖：（2）變送器：正面：背面：（3）模數(shù)轉換器：正面：背面：（4）數(shù)模轉換器：正面：背面：九、誤差分析直流穩(wěn)壓電源誤差：1、主要來自元件特性，整流橋、7805、7812、7905的特性和理想?yún)?shù)之間有一定誤差。2、還有一方面是手動焊線的接觸不良上，使得線與線之間的電流感抗增加，干擾增多，

18、影響了電路。變送器誤差分析：1、滑動變阻器插在底座上會產生干擾產生誤差。2、在直流放大電路的負反饋電阻上并接的電容稍大，會延長放大器對于被測信號的響應時間，減弱其降低交流增益抑制噪聲的作用，帶來誤差。3、限流電阻的選取不合適，造成信號衰減，影響測量精度。4、焊接的過程中的一些跨線和少許的虛焊現(xiàn)象都導致誤差的產生。十、出現(xiàn)的問題及解決：本次實驗中，出現(xiàn)的大多問題在設計電路電阻電容的選擇和計算，還有焊板子的焊接技術方面。因為之前大多是仿照實驗沒有自己進行過設計，所以老師提供了方案方法，我們也經(jīng)歷了不少困難才進一步解決設計電路和選擇器件的問題。焊接技術，還不夠成熟精準，這次的電路板焊接比較復雜，遠遠超過了之前的難度，線多且疊雜，以至于經(jīng)常焊錯，索性在沒有通電前的反復檢查中就發(fā)現(xiàn)了問題，杜絕了燒毀芯片的可能。十一、心得體會： 經(jīng)過8周的設計實踐，我們終