模拟课程设计课内容之一

1、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU电子技术课程设计课安排1. 讲课从今天开始，分三次：第一次讲课：2003年6月19日，内容：数字式电容容量测试仪的设计。第二次讲课：2003年6月28日，早上： 地点：东三310室，内容：函数发生器的设计第三次讲课：2003年6月29日，早上：地点：东三310室，内容：直流程控稳压电源Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2. 集中安装调试时间：6月28日7月6日，从6月28日就要确定你要安装的系统，报出材料清单，28日领安装板及必要的工具。

2、实验室全天开放，晚上请同学选出几位负责人，负责实验室的管理，以及安全。与大楼保安协商好关闭大楼时间。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU电子电路系统设计概述1.1 电子电路系统电子电路系统 当今的社会已进入电子与信息时代，从大到宇宙航天飞机，小到家庭电器，都有电子电路或电子系统。电子电路有大有小，但统称为电子系统，也就是讲：就是可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可以称为电子系统。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU电子系统可分为 模拟电子系统数字电子系统目前更多的是模/数

3、结合的混合型电子系统。 根据电子系统的不同功能，大致有： 测控系统； 测量系统； 信号发生系统； 电源系统； 数据处理、信号变换系统、数据采集系统； Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 视频、音频系统； 家用电器系统。 根据电子系统适应的场合不同，对电子系统的设计也可以分为不同的类型：1. 新系统的开发设计、研制，开发一个全新的电子系统，所用到的部分技术，电路有待于周期开发 这种属科研型。2. 新产品开发设计： 利用成熟的技术、电路及器件开发出满足市场需求的产品，电子系统设计牵涉到的范围非常广， Fundamental of Ele

4、ctronic TechnologyCEECEEZJUZJU而且牵涉到的技术层次也大不相同，我们目前所设计的电子系统限定在一个非常小的范围。1.2 电子系统设计方法电子系统设计方法电子系统设计方法分为两大类一、自下而上的设计方法(down/up) 是局步到系统：它是一种试探法的设计。设计者根据自己的经验和对单元电路的熟悉程度，设计出一个个的单元电路，然后拼成一个系统它决定于经验和技巧。二、自上而下的设计方法(up/down) Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 由整体系统到局步：将整个系统电路划分成一个个子系统子系统单元电路，然后连

5、接成系统。 目前经常采用的方法，或是用up/down、down/up混合使用，它可遵循如下流程：确定总体方案 逐步子系统 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 逐步子系统 设计单元电路 选择单元电路元器件 计算参数 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 画出总体电路图初稿 审查 实验（包括修改和测试性能 ） 画出正式的总体电路图 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 设计例子一、设计任务和要求一、设计任务和要求1.

6、能测量不超过 电容量的电容器； F19902.用两只LED数码管和一只发光二极管构成数字显示器，发光二极管用来显示最高位，它的状态亮和暗分别表示“1”和“0”。数码管显示后两位。它们可分别显示出0到9十个整数(2位)，即显示器可显示出最大数字和最小数字分别是199和0。设计并制作一个“大电容容量数显式测量电路”Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU3 .数字显示器所显示的数字N与被测电容Cx的函数关系是；FCNx10N是整数4. 显示响应时间为 2S，即接上电容2S后，显示器应按上述函数关系显示出电容值；5. 测量时，数码管所显示的数字

7、应当清晰，但允许数字有所闪动。6. 若 ，数码管呈暗状态，发光管呈亮状态，表示过量； FCx1990Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU7. 测量电路应有被测电容Cx的“+” “-”接线端； 当“+” “-”端被短路时，数显部分的状态与 与 相同，此端长时间短路，也不会损坏测量电路，“+” “-”端开路时，显示值应为0。FCx19908 . 允许用直流电源供电。二、总体方案选择 在选择方案时，要有下面的几点原则：(技术路线) 1 .在能完成功能、指标的前提下，所选用的电路应尽量简单，这意味着可靠、故障率小、易调。 Fundamenta

8、l of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2. 经济性考虑 元器件选用通用(不选用特殊)，并考虑能够替换，经济、功率等余量不要留的太多，耐压、电流等容量不要留有太多，如输出1W的功率，不要去选Pcm=5W的大功率管(故中功率管就够)。3 . 可靠性的考虑可靠性，指产品在规定时间和规定条件内，完成规定功能的能力(包括平均无故障时间、故障率、失效率、平均寿命等)，元器件经过筛选、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU老化，工作环境考虑，高低温、冲击、振动、干扰，硬件可以采用“冗余结构”。4 . 操作和维护要

9、求 操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，系统中的控制开关按钮不能太多、太复杂，操作程序简单，操作者无须专门训练，就能掌握仪器的使用。下面针对本设计题的要求，提出两种方案，下面针对本设计题的要求，提出两种方案，供大家分析讨论、可行性讨论。供大家分析讨论、可行性讨论。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 总览本设计题，其核心是如何把被测电容量Cx的大小转换成数字量显示出来，使之符合所要求的函数关系FCNx10N是整数方案方案1：第一是被测电容作为微分电容器，把三角波作为微分电路的输入，在合适选取电路参数的情况下，微分电路的输出幅

10、度 与Cx大小成正比，再经过峰值检测电路或是精密整流及滤波，可以得到与Cx成正比的直流电压。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU电压Vx，再经A/D转换，送给数字显示器，便可得到要求，如下图所示：三角波发生器整流、滤波或峰值检测电路A/D转换器数字显示器xCxVxRAFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU数字显示器可由CC7106(适合驱动液晶)，CC7107适合驱动LED，由于上图A/D数显较贵，可采用下面中小规模集成电路实现，如下图所示：CTVCO振荡器&计数器锁存

11、器译码器LED计数控制电路清零锁存xfxVCT 门信号Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU由于XXCV XXfV XXCf当定时时间CT合适时可以满足设计要求。方案方案2：利用单稳态触发器或电容的充放电规律等，可以把被测电容量CX转换成脉冲宽度，即Cx容量与tX宽度成正比，只要将tX与某一固定频率的时钟相与，并得到定时内的计数脉冲，经计数器计数，再经过译码显示器显示出电容的数值。在选择合适的时钟脉冲下，便可实现题目所要求的函数关系。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU时钟发生

12、器&计数器锁存器译码器LED单稳态及控制清零锁存xfxCxT 门信号比较方案1和方案2可知，方案2比方案1简单多了，所以初定选方案2。三、方案2的可行性分析方案2中的Cx是否能实现与tX成正比呢？分析这一要求时，能实现的电路是很多的Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU1. 把 Cx 大小转换成脉冲宽度，首先可用单稳态触发器来实现，如图所示：xTRxCCCV555查手册可知，用555构成单稳态触发器时，所产生的时间误差可达5%，再加上由其它原因引起的测量误差，整机的测量精度可能达不到规定的指标要求。单稳态触发器正常工作时， tX

13、和Cx间的函数关系为：3lnXXRCT Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU由于测量的最大电容Cx=1990 ，所以R一般1k欧姆。这时tX2S了，超过了题中规定的不大于2S的响应时间要求。但是R又不能进一步的减小，因为减小时，其误差会明显的增加，甚至于不能正常工作（放电管的安全问题放电电流增加），所以不选用该电路。F2. 用斯密特触发器实现也可实现tX和Cx间成正比例关系。电路如下图所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUXCRXT但又存在下面问题：若斯密特用TTL电路，

14、则振荡稳定性较差。若斯密特用CMOS(CC40106)电路，则R电阻应取得较大。若R小，则振荡稳定性差，R大会达不到响应时间要求。所以也不合适。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU3 . 可选用运算放大器构成由于电路的输出极性有正有负，所以也不合适（当然可以把双极性改成单极性输出）4 . 利用RC充放电规律，并利用充放电开关，比较器和与门构成。其电路图如下：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU &充放电开关IVCCVRXCREFVCacdeXT其中的充放电开关电路用二

15、极管和三极管代替后的电路如图， 1abcCCVT1D2DbR锗开关管硅开关管Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU画出a、b、c、d、e波形，求Tx和Cx的函数关系。 abcde0t1tREFVXT由C波形可知，t=0时，Vc电压的初始值为Vcesat(管子的饱和压降)。从0t1时，Vc的变化规律为：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUcesatRCtcesatCCcVeVVvx)1)(设t=Tx时，Vc=VREF，上式为：cesatRCTcesatCCREFVeVVVxx)1

16、)(可解得：REFCCCEsatCCxxVVVVRCTln若取VREF=1/2（Vcc+Vcesat），则Tx=RCxln2Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU此时电路，R可以取得较小，若R=100，Cx=1990uf时，由Tx=RCxln2可知，Tx=0.138S，可满足响应时间要求。四、改进电路上述电路还有二个方面问题：1. Tx和管子的饱和压降有关。因为Vcesat是不稳定的，从而影响结果精度。 2. 当R=100，Cx=1990uf时，Tx=0.138S，能满足响应时间，但它比人眼的滞留时间(较Fundamental of E

17、lectronic TechnologyCEECEEZJUZJU0.1S)大，需数据锁存器，要使Tx0.1S，则R应更小，会增加电源的功耗。能否在不减少R的情况下，而减少Tx呢？解决方法如图，电路改成如下图所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU 1abcCCVT1D2DbR锗开关管硅开关管 &RxCe1d2d2C2C2REFV1REFVFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU它的各点波形图如下: abc1d0t1t2REFVeXT1REFV2d2tsatV由图可知：F

18、undamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU11lnREFCCcesatCCxxVVVVRCt22lnREFCCcesatCCxxVVVVRCt2112lnREFCCREFCCxxxxVVVVRCttT令 CCREFVV511CCREFVV312代入后 XxxxxRCRCttT182. 056ln12由式表明，Tx和Vcc、Vcesat无关，由电源、Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU饱和压降的误差几乎为0，精度高得多了。当R=100，Cx=1990uF时，可得Tx36ms，比人眼滞留

19、时间短得多。 由上面分析，可画出详细的框图（以便画出完整的原理 图）。Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU电压比较器2 CCREFVV31电压比较器1 CCREFVV51衰减 衰减 整形 整形 反相器 & 时钟发生器 pf个位计数拾位计数 译码器 译码器 显示 显示清零单元 &高位触发器超量程判断充放电开关低频方波发生器发光二极管指示V5RxCac2d1dexT清零脉冲消隐脉冲进位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU设计单元电路：一、低频方波发生器 技术指标考

20、虑：振荡频率1. 选R=100，Cx=1990uf时，应考虑电容充放电时间保证，不能太快，比S=36ms大得多。2. 由于人眼的滞留效应（0.1S），如显示周期Td0.1S，会出现差误的视觉效果。如选R=100，Cx=995uf时,根据 ，数码显示会出现99和100两个数字，只有当显示 FCNx10Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU周期比人的滞留时间长得多时，我们才能清楚地看清这二个数字，如果Td1滞留时间，则会交替显示99和100，迭加后得188字样。 所以，显示周期应大于0.1S，通常是（0.31）S之间。 电路用CMOS多谐振

21、荡器，由电路参数可得： T1.8RC电路如下图所示：Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU111RRCaM6 . 3F15. 0二、 电压比较器及衰减整形电路1、比较器选用运放LM324实现，电路有四只运放电路：开环增益Aod1.5104，输出失调电压Vos9mv,单位增益带宽1MHz.具体电路如图所示:Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUCCV2REFV1REFVCVk10k10k10k10k10k2k3k2k2k1k12d1d1C2CALM324BLM324V15V15Fu

22、ndamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU三、时钟脉冲发生器振荡频率的决定由 可知fCNX10在计数时间Tx内，应送入N个CP脉冲，所以100|18256ln1056ln1011RxxxCPsfRRCCTNTkHzfcp49. 5Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU前面一块LM324用了二只运放，留下仍可用，所以用运放作为方波发生器。V5CF01. 01Rk162R3Rk16k8 . 6k3WRk1k2ovACLM324)21ln(221RRRCTCP振荡周期 Fundamental

23、of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU四、计数器设计（计数容量为199）选用CC4518作为个位和拾位BCD码计数，最高位可用一个D或JK触发器。128159EN1CP211Qcr1CP14518CCDDVSSVcr221Q31Q41QEN242Q32Q22Q12Q16141312111065437V5xT清零拾位个位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU高位显示器采用一位二进制码0或1，用一位触发器，当选用D触发器时的电路如图所示，1e13Q13QV542Q1CD1390清零xT高位显示Fundame

24、ntal of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUdY2A2B2C2D2BICCV7474LSeY2gY2fY2aY2bY2cY2dY1A1B1C1D1BICCV7474LSeY1gY1fY1aY1bY1cY1GNDGND42Q32Q22Q12Q41Q31Q21Q11QV5消隐39073907五、译码器设计选用74LS47型BCD译码器，连接电路如图拾位个位Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU六、超量程判断及显示电路 超量程是指Cx超过1990uf或Cx被短路。这有两种情况需要分析： 1.最高计数器 已

25、是高电平，拾位计数器 仍有下降沿出现（说明199了）超量程了。13Q42Q这种情况用下图判断 113Q1EQ1EQ42Q1CD1清零接译码器消隐端IBDRFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU2.当Cx很大或测试端短路时，Cx短路 电容充电值Vc可能始终低于VREF1或VcVREF1的时间很短（放电很快），这时 不会出现下降沿。（Tx很短或无Tx），则用下图判断：42Q12d2EQ1EQIv1CD1DR2EQ&390V5去译码器的隐消端13Qd2点波形是说明Cx很大，Vc超过VREF2了。Fundamental of Elect

26、ronic TechnologyCEECEEZJUZJU七、清“0”单稳在每次计数以前，应给计数器清“0”。 其产生电路如下： IvP1000CRRk43k101101v02vFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJUIvP1000CRRk43k101101v02vIvRv01v02vFundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU画出整机电路图，见发的图纸。电子电路的安装调试技术 安装技术分两部分： 整机的结构布局机构设计中解决1. 按照主电路和信号流向顺序布置各级集成电路和晶体管。2.其它

27、元件应围绕各级的集成块和晶体管。 3.第一级输入线与末级输出线，强弱电信号线，高频与低频线应分开走，并有足够的距离，以避免相互干扰。 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU4 . 要有合理的接地，采用各级地线自成回路，然后再分别接到一点地点（单点接地）。电路1电路2电路3电路4单点接地电路1电路2电路3电路4串联接地 Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU串联接地从防止干扰和防噪声是不太合适的，但电路是单向多点连接简单。也可以采用下面的接地母线，如宽铜皮镀银母线，效果会更加好。电路1电路2电路3电路4宽铜皮镀银的接地母线Fundamental of Electronic TechnologyCEECEEZJUZJU二、焊