北工大电子工程设计第一阶段电源+变送器+驱动

1、北京工业大学课程设计报告（小型温度控制系统）电子工程设计报告题目：小型温度控制系统（第一阶段） 专业：电子科学与技术 小组：第九组 姓名：王丹阳学号：11023224 指导教师：孙慧平 完成日期：2013.05.20中文摘要电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统，其中包含有三个阶段。本次实验为第一阶段内容，即完成直流稳压电源模块的设计与实现、传感器信号处理电路模块的设计与实现、控制信号驱动电路模块的设计与实现三个实验内容。本实验通过对三个模块的理论设计与实际调试，逐步掌握了小型电子系统的设计步骤与方法。 本报告针对以上三个模块分别详细给出设计要求、方案选择与讨论、电路设计图及实物

2、、原理分析、电路调试、数据计算及误差分析，完整反映了实验过程。目录1设计题目及课题背景41.1设计题目41.2课题背景42设计技术指标及设计要求42.1 设计任务42.2 设计参考方案52.3 设计要求52.3.1电源模块52.3.2信号处理模块52.3.3功率放大模块52.4 发挥部分62.5 参考元器件63设计框架及原理分析63.1 设计原理说明63.2电源模块63.2.1方案选择63.2.2原理分析73.3变送器模块103.3.1方案选择103.3.2原理分析113.4驱动器123.4.1方案选择123.4.2原理分析124系统的调试及实物图134.1调试顺序说明134.2电源模块134

3、.2.1电源模块调试134.2.2电源模块实物图134.3 变送器模块144.3.1 变送器模块调试144.3.2变送器模块实物图144.4 驱动器模块154.4.1 驱动器模块调试154.4.2驱动器模块实物图155出现的问题分析及解决165.1稳压电源电路板165.2变送器电路板165.3驱动电路板176数据与误差分析176.1稳压电源电路板176.2变送器模块电路板176.3驱动器模块电路板187附录187.1 系统电路的工作原理图187.2 元器件识别方法和检测方法197.3 参考资料208收获和体会20一、设计题目及课题背景1.1设计题目小型闭环温度控制系统1.2课题背景电子工程设计

4、的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统，其中包含有三个阶段。本次实验为第一阶段内容，即完成直流稳压电源模块的设计与实现、传感器信号处理电路模块的设计与实现、控制信号驱动电路模块的设计与实现。具体如下：（1）直流稳压电源模块：为其他模块供电，由变压器、整流桥和稳压管三大部分组成。使市电交流电压变为所需要的低压交流电，交流电变为直流电，不稳定的直流电压经滤波后，变为定的直流电压输出。输出+5V， +12，-12直流电压。（2）传感器信号处理电路模块：即变送器部分。将输入电流通过集成运放转化为输出0-5V电压信号（对应于0-100），并具有调零、调满度的电位器，以便进行温度校准，减小误差。（3）控

5、制信号驱动电路模块：即驱动器部分。将D/A输出的电流经过放大，通过控制输出电压，达到控制温度的目的。并使电路具有短路保护的功能。 本报告针对以上三个模块分别详细给出设计要求、方案选择与讨论、电路设计图及实物、原理分析、电路调试、数据计算及误差分析，完整反映了实验过程。二、设计技术指标及设计要求2.1 设计任务电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。完成上述设计工作涉及传感器、非电测量、模拟电子技术、数字电子技术、计算机原理、接口技术、程序设计、自

6、动控制、通信等知识应用，具有广泛的知识涵盖面。完成“小型温度控制系统”的设计，不需要特殊的电子元器件和专用仪器设备，作为一般的实践教学任务具有较好的可操作性。2.2 设计参考方案系统的原理框图为：2.3 设计要求本阶段要求设计电源电路，信号处理电路，功率放大电路等模块。相关模块设计要求如下：2.3.1电源模块 交流输入：9V、14V2直流输出：+5V/1A、12V/0.5A安装：独立电路板结构2.3.2信号处理模块测量温度：0 100输出电压：0V 5V测量误差：满刻度1%（0.05V或1 ）负载阻抗：30K限制条件：0.7V 输出电压5.7V安装：独立电路板结构2.3.3功率放大模块控制半导

7、体制冷片的驱动电路实际上是一个电压增益为1的功率放大器，要求如下：输入电压：-10V +10V输出电压：-10V +10V电流输出能力：3A 输入阻抗：1k负载阻抗：3.5负载驱动形式：共地安装：独立电路板结构2.4 发挥部分 在系统功能扩充基础上进行的发挥、创新能力培养。 2.5 参考元器件 开关型稳压降压器LM2576T、稳压集成电路L7812、稳压集成电路L7912、桥式整流器DF06、运放OP07、三极管S9012、三极管S9013,功率三极管MJE2955T、功率三极管MJE3055T、其他电容、电阻、二极管等。三、设计框架及原理分析3.1 设计原理说明小型温度控制系统包含电源模块、

8、测温系统、变送器、模数转换器 、单片机、数模转换器、驱动器、控温系统。各系统在单片机的控制下共同完成对温度控制。本次实验要完成变送器、驱动器、电源模块。3.2电源模块3.2.1方案选择本模块有2种电路方案，分别为线性稳压电路和开关稳压电路。方案图如下：整流滤波电路780578127912+5V+12V-12V9V14V14V整流滤波电路9V14V整流滤波电路整流滤波电路2575-5 Buck型+5V+12V-12V2575-12 Buck型 2575-12 Buck-Boost型 线性稳压电路开关稳压电路优点纹波、噪声小，实现电路简单、成本低效率高缺点效率低纹波、噪声大，实现电路复杂、成本高采

9、用线性稳压芯片LM7805（+5V）,LM7812（+12V）和LM7912（-12V）。由于交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的角度考虑选择集成线性稳压电路方案。3.2.2原理分析综述在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。其方框图及各电路的输出电压波形如图所示。电源电压器：将市电交流电压变为所需要的低压交流电，电路图如图所示。整流电路：将交流电压转变为脉动的直流电压的过程。利用具有单向导电性的二极管，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。常见整流电路有两种：单相半波整流电路和单相桥式整

10、流电路。半波整流电路：桥式整流电路：整流原理：u2正半周时,D1、D3导通，D2、D4截止，电流通路如图:u2负半周时,D2、D4导通，D1、D3截止，电流通路如图:u20时u20时，T1导通，T2截止，iL=ie1; 当ui0时，T2导通，T1截止，iL=ie2。由于每个管子导通180，故为乙类功放。本电路设计中选择了9013、9012、MJE3055T、MJE2955T作为功放的放大管。其中当输入电压为0+9V 时，9013、MJE3055T导通，当输入电压为-90V 时，9012、MJE2955T导通。之所以要选择复合管进行放大，主要是因为9013、9012的ICM=0.5A，而电路的输

11、出电流最大会达到3A，此时，三极管必烧无疑。而MJE3055T、MJE2955T作为大功率三极管，ICM=10A，完全不用担心电流过大烧掉管子的问题。但由于功放的前一级为DA输出，其电流为10mA左右，若想最终放大到3A（即300倍），MJE3055T、MJE2955T的hFE=70又不能达到要求。所以利用9013、9012的高hFE(=300)和MJE3055T、MJE2955T的高ICM=(10A)组成了最终的功放电路。原理图中的二极管主要是为了避免交越失真。四、系统的调试及实物图4.1调试顺序说明 本实验的调试采取分模块调试的方式进行，等到电源焊接完成后一个模块一个模块的调试。各模块的调

12、试互不影响，调试一个完成一个，有利于提高调试效率，是调试尽快完成。4.2电源模块4.2.1电源模块调试 电源模块的调试相对简单，依照电路图焊好电路后，插在电路测试板上，打开电源，测量输出端的电压即可。如果电路焊接没有问题的话，测量的输出端电压就应该满足要求。即输出应为5V和V电压。 电源模块调试步骤如下：（1）电源板焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试；（2）测试时，电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有9V、14V的插座连接，左插座悬空；（3）连接完毕后，打开调试台电源远离电源板12分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试；（4）用数字多用表按电源板左

13、插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出。（5）若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复2、3、4的步骤。（6）输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的设计工作结束。否则，检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题。4.2.2电源模块实物图 4.3 变送器模块4.3.1 变送器模块调试 变送器模块调试比较复杂，要分几个步骤反复调试，才能达到最后的结果。首先把调试好的电源模块和变送器模块插在测试板上。然后调节温度至0度，调节电位器1，使运放的6号管脚输出电压为0V，再调节温度至100度，使运放的6号管脚输出电压为5V。

14、按照上述步骤反复调试几次，便可以得到相关结果。变送器模块调试步骤如下：（1）将电源板及变送器板分别插在调控台的指定位置，打开电源选择确定键。（2）返回到选择菜单，选择AD592一栏，进入温度控制界面。（3）改变温度为0，用万用表测输出电压，调节VR1，使v0=0V，此过程称为调零；（4）改变温度为100时，用万用表测输出电压，调节VR2，使v0=5V，此的过程称为调满度。（5）反复重复（3）、（4）两步，直到输出电压平衡为止。（6）电压稳定后，改变调试台温度，使其分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90及100，测量输出电压，并记录数据。4.3.2变送器模块实物图4.4

15、驱动器模块4.4.1 驱动器模块调试把调试好的电源模块和驱动器模块插到测试板上，然后用信号发生器发出一个正弦波，用示波器测试输出端是否有正弦波，是否有失真。驱动器部分调试步骤如下：（1）将电源板、控制信号驱动电路板、调试电路板分别放置在指定位置， （2）打开调试台，改变调试电路板上的电阻，从而改变电压输出值。（3）观察调试台屏幕显示数据，并记录数据范围。4.4.2驱动器模块实物图五、出现的问题分析及解决5.1稳压电源电路板故障现象故障原因无整流输出或输出不正常整流桥接错或损坏无稳压输出或输出不正常集成稳压电路引脚接错或损坏12输出不正常交流输入中心抽头漏接输出波纹大滤波电容漏接保险管无输入交流

16、输入漏接整理桥无输入保险管损坏电解电容发热或爆裂电解电容极性接反电解电容发热或爆裂电解电容耐压不够无直流输出直流输出漏接稳压电源板理论上遇到的故障及原因每次上电检查保险丝是否全部正常工作，若有烧断需及时找指导老师更换。每次调试完毕记得关闭电源，避免出现触电。5.2变送器电路板故障现象故障原因输出不随输入变化运算放大器损坏输出接近正或负电源电压运算放大器开环输出达不到满刻度放大器增益控制电阻过小输出不能到达0点平移电路未工作输出不能到达0点平移电路元件选择有误输出总是高于4.3V接5V保护二极管反接输出总是低于0.7接地保护二极管反接二极管全部烧毁保护二极管全部反接加载后输出有明显的衰减保护电路

17、限流电阻过大无输出运算放大器电源漏接输出偏向电源一侧不随输入变化运算放大器单电源漏接变送器电路板理论上遇到的故障及原因实际中我们为降低误差，在设计中考虑了电路元器件的温漂、时漂和噪声等问题，因此选择使用了OP07运算放大器。试验中，试验台右排管脚+12V、-12V管脚的错误表示容易引起芯片烧坏，调试时应注意。变送器电路的设计与所使用的传感器密切相关，因此在设计中我们特别注意了传感器与变送器连接电路的设计和校准方法及实用的关系等问题。5.3驱动电路板在调试过程中我们遇到了问题。第一个问题就是2955、3955发热严重，且稳压电源模块保险丝经常烧断，后来我们将接在正负12V之间的滑动变阻换小成5K

18、，问题解决。另外我们在验证驱动电路板时，只会正电压不输出负电压，因此进行了几次查线阶段。首先查出了焊接不结实问题，有的地方焊锡多导致连线，用吸拔器吸走多余焊锡又进行了一次排查，检查无误后再去验证，问题依旧没有解决。随后我们调整了电路，并且找老师商讨之后，验证成功。六、数据与误差分析6.1稳压电源电路板万用表黑表皮接地，红表皮接三个输出点来测试三个输出的电压值，其中+5V管脚的输出电压稳定在4.970.05V，而-12V管脚的输出电压稳定在-11.970.04V，+12V管脚的输出电压稳定在11.960.00V左右。三个管脚的输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。数据如下：780578127

19、9121+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：由测试结果可以看出直流电源的稳定度接近100%。6.2变送器模块电路板在0的时候，调整滑动变阻器VR1使得电路的输出电压为0V；在100的时候，调整滑动变阻器VR2使得电路的输出电压为5V。以后每增加10，输出电压均大概增加0.40.6V，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差0.1V左右，误差在允许范围内。数据如下：温度010203040501(V)00.510.981.52.012.492(V)00.50

20、.991.4922.493(V)00.510.991.522.51平均值00.510.991.522.5理论值00.511.522.5温度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理论值33.544.55经分析,电路误差较小，实验结果较为准确。6.3驱动器模块电路板温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端（既电路板右排针从上数第七管脚）电压值降低。在调试台上调试时，输入10V电压时，输出端输出电压8.7

21、V；输入-10V电压时，输出端电压-9.2V。基本达到设计要求。七、附录7.1 系统电路的工作原理图7.2 元器件识别方法和检测方法芯片的识别方法和检测方法 相对于其他元件，芯片的识别和检测相对简单，芯片表面有明显的型号标示，可以用来识别信号。而芯片的检测实验室也有专门的仪器，可以直接借助专用的仪器来检测芯片的好坏。电阻的识别方法与检测方法电阻的标示一般都是色环标示法。色环标示主要应用圆柱型的电阻器上，如：碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、保险丝电阻、绕线电阻。主要分两部分。第一部分的每一条色环都是等距，自成一组，容易和第二部分的色环区分。四个色环电阻的识别：第一、二环分别代表两位有效数的

22、阻值；第三环代表倍率；第四环代表误差。 五个色环电阻的识别：第一、二、三环分别代表三位有效数的阻值；第四环代表倍率；第五环代表误差。 如果第五条色环为黑色，一般用来表示为绕线电阻器，第五条色环如为白色，一般用来表示为保险丝电阻器。如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧姆电阻。色环颜色和相应的数值对照表如下。银金黑棕红橙黄绿蓝紫灰白无有效数字0123456789数量级10-210-110010 1102103104105106107108109 电阻的检测相对简单，直接用万用表测电阻的阻值并与电阻上的色环标示值比较就可以检验电阻的好坏。电容的识别方法与检测方法电容器的标注规则为：当

23、电容器的容量大于100pF而又小于1mF时，一般不注单位，没有小数点的，其单位是pF时，有小数点的其单位是mF。如4700就是4700pF，0.22就是0.22mF。当电容量大于是10000pF时，可用mF为单位，当电容小于10000pF时用pF为单位。据此根据电容器表面的标注可以识别电容器的大小。电容器的检测方法如下：1.用万用电表的欧姆档（R10k或R1k档，视电容器的容量而定），当两表笔分别接触容器的两根引线时，表针首先朝顺时针方向（向右）摆动，然后又慢慢地向左回归至位置的附近，此过程为电容器的充电过程。2.当表针静止时所指的电阻值就是该电容器的漏电电阻（R）。在测量中如表针距无穷大较远

24、，表明电容器漏电严重，不能使用。有的电容器在测漏电电阻时，表针退回到无穷大位置时，又顺时针摆动，这表明电容器漏电更严重。一般要求漏电电阻R500k，否则不能使用。三极管的识别方法与检测方法对于三极管的识别，三极管表面有明显的型号标示，可以根据标示的型号判断三极管的类型。三极管的检测也可以运用万用表的三极管测量功能来进行检测。7.3 参考资料1 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，模拟电子技术基础（第四版）2 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，电子设计从零开始3 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，数字电子技术基础（第五版）4 邱关源主编，高等教育出版社，电路（第四版）5 梁廷贵主编，科学技术文献出版社，现代集成电路使用手册6 潘中良主编，国防工业出版社，数字电路的仿真与验证7 许小军主编，东南大学出版社，电子技术实验与课程设计指导8 孙余凯主编，电子工业出版社，常用集成电路使用手册八、收获和体会这次试验经过我和我的同伴历时两个星期的努力之后才完成验收。有过整个下午到晚上的时间的漫长试验的经历。实验过程中，我们对模拟电路设计的一般过程