北工大电子试验课设报告

1、北京工业大学电子课程设计报告学号：姓名：学院：电控学院专业：电子信息工程题目：步进电机控制电路测量放大器第一部分步进电机控制电路一、设计要求（一）、设计任务本课题要求设计一个步进电机控制电路，该电路能对步进电机的运行状 态进行控制。（二八基本要求L能控制步进电机正筋口反转及运行速度，并由LED显示运行状态。（步进电机工作方式可为单四拍或双四拍）。2、测量步进电机的步距角。（通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电 机的步距角）。（三八扩展要求 设计步进电机工作方式为四相八拍（四八设计框图步进电机控制电路主要由脉冲发生电路、环行脉冲分配电路、控制逻辑及正反控制门、功 率放大器（驱动电

2、路）和步进电机等组成。（五八参考元器件NE555,计数器 74LS161, 74LS08, 74LS74, 74LS14 （ 04 ） , 74LS138 （ 74LS153 ）,四相步进电机，发光二极管，续流二极管IN4004,复合三极管TIP122,5Q （ 1W ）电阻, 其他电容、电阻若干。说明:a、本实验提供的是Ui相步进电机，它对外有六条引线,其中二条为公共端、另外!1!条分别为A相、B相、C相、D相，但引脚具体排序未知，故在使用前需要对步进电机进行分析，测试，并判断出具体的相序。b、!1!相步进电机磁激励方式基本有三种i、单四拍方式，通电顺序为A B -CD-A ;ii、双四拍方

3、式，通电顺序为ABBCCDDAAB ； Ills!1!相八拍方式，通电顺序为A- ABBC-C-CD-DDAAo如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电,则步进电机将正向转动。若通电顺序与上述相反，如单四拍方式，通电顺序ADCBA ,则步进电机将反向转动。如下表所示为步进电机的单四拍和双四拍的励磁方式及A、B、C、D 相的输入逻辑信号。有关步进电机的工作原理及使用方法请自己查阅资料。励磁方式DBCAA1110B1101单四拍方式C1011D0111A1110AB1100viz nn 土白BC1001双四拍方式CD0011DA0110AB1100、电路设计(一)、脉冲发生器：1、设计目标：设计一

4、个可以产生占空比和周期可调的方波信号的脉冲发生器。2、基本思路：利用NE555构成的多谐振荡器产生所需信号。3、选用原件：NE555、5K欧电位器、300欧电阻、50微法电容、0.01微法电容。4、电路原理原理公式：T 仁(Rl + R2)CIn2、T2 = R2CIn2RI :GKB-555 VIRTUAL5、仿真波形:（二）、环形移位信号发生电路NE5551、设计目标:设计一个可以生成四路如图表所示变化的脉冲信号，其状态变化由产生的脉冲控制。并能通过开关切换单四拍或双四拍模式。2、选用元件：74LS194、74LS08o3、设计方案：双向移位寄存器74LS194考虑到双向移位寄存器74LS

5、194的本身功能与步进电机的驱动电路极为接近，又因为 此方案用芯片较少，可以使后期布线工作省时间，所以我们最终决定采用以双向移位寄存器 为基础的脉冲信号分配电路。74LS194的功能表:RD1S1so工作状态0XX置零100保持101右移110左移111并行输入74LS194本身具有双向移位的功能，但在启动前需要预先对4个输入端进行置数，来 控制输出波形占空比。由于步进电机的驱动有单四拍，双四拍两种方式，所以需要三个开 关，其中两个控制si SO的点位高低来控制寄存器的工作状态，另一个开关用来切换单四和 双四拍两种状态。使用1片74LS194 ,虽然可以非常简单的产生单四拍和双四拍的控制信号，

6、电路图如下：11但在增加扩展功能时却遇到了很大的困难，1片74LS194最多只能产生4种不同状态的信号，而四相八拍励磁方式有八种状态，所以至少要用两片74LS194才能实现。在原来电路图的基础上，我们增加了另一片74LS194,希望通过两路不同频率的脉冲信号得叠加来产生四相八拍的脉冲信号。在8位寄存器的置数端设置开关来切换3种励磁状态的思路:74LS194的8路并行输出单四拍输出12345678ABCD0111111110001011111110001101111101001110111101001111011100101111101100101111110100011111111000017

7、4LS194的8路并行输出双四拍输出12345678ABCD000111111100100011111100110001110110111000110110111100010011111110000011011111001001001 174LS194 茁811J10100；白输出1路并行输tt四相八;12345678ABCD001111111000100111111100110011110100111001110110111100110010111110010011111111000001011111101001按图表所示列出逻辑表达式，并最终化简得:单四拍状态：A= (12), B= (3

8、4), C= (56) D= (78),双四拍状态：A=( 12), B = ( 34); C = ( 56)、D=(78)相八拍状态：A= ( 12), B= (34)、C= (56)； D= (78),3种状态的逻辑关系相同，这样只需要在8位移位寄存器的输入端设置连个开关对其进行 置数就可以实现3种状态的切换，这样整个电路总共需要4个开关，比较方便操作。最终的电路设计图如下:-SoU6D74L509DLED1R3 ：10CC.10JO（三八驱动电路:1、设计目的：由于门电路所输出的电流远不足以驱动步进电机的转动，这里需要一个具有功率放大 能力的驱动电路，它由环形脉冲电路所产生的脉冲信号控制

9、，产生一个足以驱动步进电机 的电流。2、选用元件：复合三极管（TIP122 ）、续流二极管、发光二极管、5欧电阻、300欧电阻、1K欧电阻。3、电路图：图中1K欧电阻接门电路的输出，D1为续流二极管，LED1为发光二极管，M代表步进电机 的任意一相。将驱动电路与前两部分相连。至此，所有电路设计完成，可以连接步进电机了。（四八步进电机：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多柜时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电 的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常

10、规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易 事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 本实验提供的是四相步进电机，它对外有六条引线，其中两条为公共端，另四条分别为A相B相.C相D相,但引线具体排序未知，故在使用前需对步进电机进行。测量每两根引线之间的电阻，不同绕组之间的电阻为无穷大。同一绕组中，中心引线到两边的电阻约为 7.50hmo判断出两组绕组的中心引线后，剩下的四

11、根即为AB,C,D四个项。中心引线即为公共端，接+5V。三、步进电机的测试及连接:（一）、测试步进电机的弓I脚功能和顺序:本实验提供的是!1!相步进电机，它对外有六条引线，其中二条为公共端、另外四条分别为A相、B相、C相、D相，但引脚具体排序未知，故在使用前需要对步进电机进行分 析，测试，并判断出具体的相序。1、判断公共端:在不明引脚功能的情况下，不能贸然通电测试，以免损坏电机。应采用其他方法。根 据步进电机的内部构造，永磁感应子式步进电机一共六根引线，共分为两组，测量每 两根引线之间的电阻，不同绕组之间的电阻为无穷大。同一绕组中，中心引线到两边 的电阻约为7.5Q。判断出两组绕组的中心引线后

12、，剩下的四根即为A、B、C、D四个项。中心引线即为公共端，接+5V。2、判断 A、B、C、DUi相的顺序:我们试着用随便选取四条引线中的一根设为A相，接低电平。再另取一根引线触低 电平，若电机正转，则该项为B,；反转，该项为D；否则，该项为C。进行测试。（二八连接步进电机测试电路功能:将控制电路与驱动电路和步进电机相连最终电路包括的元件步进电机NE555芯片74LS194芯片（双向移位寄存器）74LS08芯片（4与门）达灵顿三极管（TIP122 ） 发光二极管 续流二极管5Q （ 1W电阻300 Q电阻IK Q电阻5K Q电位器1个1个2个1个4个4个4个4个5个4个1个1个1个4个若干50

13、Pf电容lOnf电容单刀双置开关 导线(三)步进电机步距角的测量励磁力式单四拍双四拍四相八拍转一周所需步数202202404步距角1度46分1度46分0度54分四、参考资料步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机 械移动一小段距离。步进电动机步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。步进电动机的特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。步进电动机的种类根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式(又叫感应子式

14、)三种。反应式步进电机的应用较多。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。图7-20(a)三相反应式步进电动机工作原理图则在磁场的作用下,A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度,转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电使转子1、3齿和41对齐。图7-20( b )三相反应式步进电动机工作原理图同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30图7-20( c)三相反应式步进电动机工作原理图。最后，C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐,相对B相通电匕酸,转子再次转动30步进

15、电动机的结构步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。步进电动机结构简图定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相注意：这里的相和交流电中的相的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区图7-22三相反应式步进电动机结构原理图步进电动机工作方式（以三相步进电机为例）步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。 一、三相单三拍三相绕组中的通电顺序为：A相TB相TC相3通电顺序也可以为：A相AC相TB相这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且,一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相

16、单三拍。三相单三拍的特点：1 ）每来一个电脉冲，转子转过b表示。此角称为步距角，用302 ）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。第二部分测量放大器测量放大器简述由电子管或晶体管、电源变压器和其 他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。了解和掌握放大 器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。通常,测量放大器多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能

17、指标，但不便于实现增益的预置与数字控制，同时价格较高。为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。提高了测量放大器的性能指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的稳压电源，并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求测量放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调已实现对匕喉大的范围的被测信号的测量。测量放大器前级主要用差分输入，经过双

18、端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大。（一）设计任务：使用运算放大器设计一套用于交流信号测量的放大器模块。（二）、基本要求：差模电压放大倍数AVD = 1500,可手动调节;最大输出电压为土 10V ,非线性误差10在AVD = 500时，输出端噪声电压的峰一峰值小于IV;通频带IOHn;第一部分：信号变换放大器设计并制作一个信号变换放大器，参见下图。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，以此作为差动放大器的输入信号。函数A发土器-土信号变换$ %加十奥O第二部分：差动放大器设计、制作一个测量用差动放大器，参见下图。输入信号VI取自桥式测量电路的输出。当R1=

19、R2= R3=R4时，VI = 0。R2改变时，产生匕工的电压信号。Vo-Ve=-15第三部分：前置放大器被测输入正弦波信号最小幅度为有效值10毫伏；（输入幅度尽量小）频率为100HZ-20KHZ ;（上限频率尽量高）放大器增益达到60dB。（增益尽量高）（三）设计方案Vil变换成直流电压放大1 信号交换放大器信号变换放大器主要功能是将函数发生器的单端输入器的双端输出Voo 设计并制作一个信号变换放大器，参见图四。将函数发生器单端输出的正弦电压 信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。借号变换4a vt收大器 认图四设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不

20、失真的转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。为了使信号不失真，就需保证电路的对称性。冬同相放大器A1的电压增益Vol/ Vi = l ,反相放大器A2的电压增益Vo2 /Vi = -l/2则总增益Vo/Vi = ( Vol Vo2)/ Vi =1下面推导信号变换放大器的电压增益关系式：对同相放大器(既电压跟随器)，电压增益Vol/Vi = Rl/(Rl+R3) = l/2当R1 =0时：Vo仁Vi对反相放大器，电压增益Vo2 / Vi =-R2/Rl当 R2=R5=10 灼时:Vo2 =- Vi反相放大器同相端对地电阻R4为平衡电阻总增益Vo/ Vi =lo2 差动放大

21、器方案论证与比较万案一同相并联式高阻抗测量放大器电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优点。线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输人电阻大的特点 外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需 要，后级的电阻精度则要求匹配。增益分配一般前级取高值，后级取低值。该测量放大器由运放U1和U3按同相输入接法组成第一级差分放大电路,运放U2组成第二级差分放大电路万案二低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入

22、阻抗高，放大倍数可调；但是共模抑 制比较小，实测只有104，共模抑制能力太差+ 15V图二对测量电路的基本要求是: 高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。 高共模抑制比，以抑制各种共模干扰弓I入的误差。高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种：同相串联 式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器。抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的同相并联电路之后， 再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载的需要，电路 如图一所示。它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互

23、补偿，以及输出不包含共模信 号等优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下降。方案一比方案二的抑制共模能力强，故采取方案一C2=10nF R5,10KC3:1 即F3前置放大器输入及输出电容器（ci及C4 ）只是选项，可根据实际情况考虑选用。适用与否取决于用户系统的输入与输出如何连接。若输出设有直流补偿，那么便需要增设C1输入电容器, 以便阻塞直流电信号。输出电容器也可发挥相同的作用。H67 M可选C1=10pF IMIC 11 * VAV J1R1-220kR3F00kR4=100k最终设计:（四）实验记彳畲交换放大器:差动放大器前置放大器输入振幅2mV （有效值） 100HZlkH

24、Z20kHZ2（五）收获体会本学期的电子课程设计涉及到了数字电子技术和模拟电子技术的内容，加深了 我对知识的理解和掌握。为了完成设计任务，我们又巩固了之前所学的专业课知识， 遇到不懂的内容随时翻阅教材和资料，并在实践中进一步加深了对专业知识的掌握和 应用，从中得到了新的收获并且用于实践，在反复设计和修改方案的过程中，体会到 了电路设计的乐趣所在。课程设计培养了我们完成一件复杂任务的方式方法。刚一开始听说要设计一个 完整、具有实际功能的电路，我们几乎一筹莫展，不知从何下手。因为从前的试验中 我们只是进行单个芯片的基本功能实现，而从未涉及到一个系统的功能设计。但通过 老师的讲解和对设计要求的分析研究，我们逐渐能将复杂的电路分解为若干个简单电 路的组合，整体功能的实现也依赖于多个部分的功能累加。根据