电子工程设计课件-独立模块电路设计与实现

独立模块电路设计与实现第四部分独立模块电路设计与实现独立模块电路设计与实现电路模块化设计概述电路的模块化设计一个复杂的电子系统，可以按照电路完成的功能或电路的类型分为若干个部分，每个部分构成一个电路模块。1.电路模块2.模块化设计把一个复杂的电子系统分为若干个电路模块，单独进行设计、组装、调试和测试。最后将各模块组装在一起联调。电路的模块化设计功能相对独立于其他电路模块，与其他模块之间的界面清晰，入口参数和出口参数明确，不依赖于其他模块而工作。3.独立电路模块4.模块化设计优点降低电路的规模和复杂程度。减小设计、实现的难度。电路故障的诊断、排除更容易。电路的模块化设计

•根据电路模块在系统中的功能和作用，确定电路设计中要解决的问题和设计要求。5.模块电路设计

•分析电路的入口参数和出口参数，求解电路的传递特性。

•分析与周边模块的关系，设计与周边模块的连接方法与电气和物理标准。

•分析电路的功能、指标，设计测试方法并搭建测试环境。电路的模块化设计⑴

分析设计要求⑵

设计检测方案·检测原理及信号传递关系分析·激励信号产生及注入·测试信号及测试点选择·测试仪器及其接入点选择·辅助电路模块及设备选择6.模块电路测试电路的模块化设计⑶

搭建测试环境·辅助电路模块及设备连接·激励信号源连接·测试仪器连接·各电路模块及测试设备电源连接⑷编写测试程序·激励测试信号·实现特定功能独立模块电路设计与实现直流稳压电源设计与实现直流稳压电源设计与实现一.设计要求⑴数字电源~9V电压+5V交流输入：直流输出：电流1A输出误差：±4%其他要求：短路保护、过热保护直流稳压电源设计与实现⑵模拟电源~14V×2电压±12V交流输入：直流输出：电流0.5A输出误差：±4%其他要求：短路保护、过热保护、纹波小⑶安装：独立电路板结构直流稳压电源设计与实现二.电路方案选择1.线性稳压电路⑴基本工作原理直流稳压电源设计与实现⑵

特点•利用晶体管进行电压调整—动态响应特性好—纹波、噪声小•电压调整晶体管工作在放大区—功耗大、发热量大—效率低适用于低压差、小功率的场合直流稳压电源设计与实现⑶集成线性稳压电路（三端稳压器）•采用带隙（能隙）基准电压电路—温度稳定性好、噪声小•多种保护措施—过流、短路、过热保护•无需其他外围元件—使用方便、无需调整直流稳压电源设计与实现规格齐全固定正压固定负压可调正压可调负压78xx78Mxx78Lxx79xx79Mxx79LxxLM117LM137直流稳压电源设计与实现2.开关稳压电路⑴基本工作原理直流稳压电源设计与实现⑵特点•输入和/或输出电流不连续—纹波、噪声大•调整管工作在开关状态—功耗小、发热量小—效率高适用于高压差、大功率的场合精密的模拟电路不适用直流稳压电源设计与实现—动态响应特性差•采用储能元件维持输出电压稳定•电路复杂、外围元件多、对元件要求高直流稳压电源设计与实现⑶开关稳压电路基本类型及其特点•并联（Boost）型—输出电压不限并反向，输入输出电

流均不连续—Vo>Vi（升压），输出电流不连续•串联（Buck）型—Vo<Vi（降压），输入电流不连续•电感储能（Buck-Boost

）型直流稳压电源设计与实现•Cuk型—输出电压同上，输入输出电流均连续

各种开关电源电路均从以上4种基本型电路引申而来，开关电源电路复杂，不易实现。直流稳压电源设计与实现⑷DC-DC变换器

利用开关稳压电路基本原理设计的集成开关稳压器，外围元件少，易于实现。LM2577

Boost型例如：LM2574/5/6可工作于Buck或Buck-Boost型电压：3.3V/5.0V/12V/15V/1.23~37可调电流：0.5A/1.0A/3.0A输入电压：3.5~40V开关电流：3.0A直流稳压电源设计与实现3.电路方案⑴用集成线性稳压电路设计的电源电路整流滤波电路整流滤波电路780578127912+5V+12V-12V~9V~14V~14V直流稳压电源设计与实现⑵用集成开关稳压电路设计的电源电路~9V~14V整流滤波电路整流滤波电路2575-5+5V+12V-12V2575-122575-12直流稳压电源设计与实现⑶用两种稳压电路设计的电源电路~9V整流滤波电路2575-5+5V整流滤波电路78127912+12V-12V~14V~14V直流稳压电源设计与实现⑷电源电路方案选择•集成线性稳压电路纹波、噪声小效率低实现电路相对简单，成本低直流稳压电源设计与实现•集成开关稳压电路纹波、噪声大效率高

交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的角度考虑应选择集成线性稳压电路的实现方案。也可以部分选择开关稳压电路。实现电路相对复杂，成本较高直流稳压电源设计与实现1.全波整流电路基本工作原理50Hz高压交流50Hz低压交流交流正半周交流负半周负载为电阻的脉动直流输出负载为电容的脉动直流输出三.直流稳压电源的工作原理电容耐压=交流输入电压峰值直流稳压电源设计与实现2.线性集成稳压电源工作原理分析直流稳压电源设计与实现四.安装结构直流稳压电源设计与实现元件清单集成稳压电路：7805，7812，7912各1片整流桥：1A100V2片电解电容：2200u/25V电解电容2只3300u/16V电解电容1只220u/16V电解电容2只散热片：3个直流稳压电源设计与实现保险管：1A250V3只接插件：DIP8IC插座

5只26线双排插针1排线路板：1块其它：M3×10螺钉6颗导线

焊锡保险管座6只34线双排插针1排直流稳压电源设计与实现五.电路组装基本要求及注意事项1.区分电路板的元件面和焊接面3.按要求安装左右插座引出插针并焊接•所有插针全部与焊盘焊接不要遗漏•焊锡不要沾到插针上2.焊接元件•先焊小元件•先安装结构件•先焊少量插针确认安装到位后再焊其它插针直流稳压电源设计与实现4.安装集成线性稳压电路的散热片•将稳压集成电路安装在散热片上•将稳压集成电路插在DIP8IC插座上直流稳压电源设计与实现•对准电路板上为散热片预留的安装孔将IC

插座引脚插入对应的焊孔中•用螺钉将散热片固定在电路板上焊牢IC插

座引脚5.安装保险管插座6.安装整流桥DIP8IC插座并焊接•元件布局原则–连线最短、电气特性、美观•将保险管安装在保险管座上•将保险管座插入安装孔焊牢•根据交流电压引入位置确定整流桥安装位置•将整流桥输入引脚对准交流电压输入方向直流稳压电源设计与实现7.安装输入滤波电容并焊接•合理确定集成稳压电路安装位置•确认滤波电容安装位置•滤波电容极性不得接反•保证各滤波电容耐压不低于输入电压8.安装输出滤波电容并焊接•确认滤波电容安装位置•确认滤波电容极性直流稳压电源设计与实现直流稳压电源设计与实现六.调试方法及注意事项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.测试环境：变压器电压表直流稳压电源电路~220V~9V~14V直流稳压电源设计与实现

3.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。

4.连接完毕后，打开调试台电源远离电源板1~2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。

5.用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出。直流稳压电源设计与实现

7.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。

6.若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复第2、3、4的步骤。直流稳压电源设计与实现8.故障诊断环境示例将插针与插座隔开直流稳压电源设计与实现七.故障诊断举例测试条件：输入~9V断开输出负载测试设备：数字多用表直流电压档/交流电压档示波器故障现象：无+5V输出测试平台：电子工程设计训练调试台直流稳压电源设计与实现１.故障诊断流程直流稳压电源设计与实现2.常见故障及其现象•整流桥接错或损坏•稳压电路接错或损坏•交流输入中心抽头漏接•滤波电容漏接故障原因•交流输入漏接•保险管损坏•电解电容极性接反•电解电容耐压不够•直流输出漏接•无整流输出或输出不正常•无稳压输出或输出不正常•±12V输出不正常•输出纹波大故障现象•保险管无输入•整流桥无输入•电解电容发热或爆裂•电解电容发热或爆裂•无直流输出独立模块电路设计与实现变送器设计与实现一.基本设计要求测量温度：0℃~100℃输出电压：

0~+5V限制条件：

-0.3V

<输出电压<5.3V负载阻抗：

>10KΩ测量误差：

满刻度1%（0.05V或1℃

）安装：

独立电路板结构二.传感器概述1.激励源•交流/直流•电压/电流•恒定电压/恒定电流2.输出形式•模拟量/开关量•电压/电流/电抗•平衡输出/非平衡输出•有源/无源3.特性•灵敏度•线性度•精度•分辨率•飘移•重复性•动态响应二.传感器概述三.温度传感器选择1.集成温度传感器AD592•供电：+4V~+30V•温度系数：1uA/℃•0℃输出：273.2uA•工作温度：-25℃~+105℃•非线性误差：0.1℃~0.5℃•重复误差：±0.1℃•时飘：±0.1℃/月2.铂电阻温度传感器PT100•供电：无源•温度系数：近似0.003851/℃•0℃输出：100Ω•工作温度：-200℃~+650℃

铂电阻的温度—电阻关系是由一多项式确定的近似线性关系，通常通过查分度表获得温度值。•响应时间：2S~30S（与结构有关）三.温度传感器选择3.热电偶温度传感器（T型）•供电：无源•温度系数：非线性•0℃输出：0uV•工作温度：-200℃~+400℃

热电偶灵敏度低（39

uV/

℃

），易受干扰。

热电偶输出电压与温度变化呈非线性关系，测量中需要冷端补偿，信号调理电路构成复杂。三.温度传感器选择4.集成数字温度传感器DS1820•供电：+3.0V~+5.5V•测量精度：0.5℃•工作温度：-55℃~+125℃•输出：9bit数字量•一线串行数字接口

DS18B20为数字测温元件，无需信号调理电路，无需外围元件，直接输出温度的数字量值。三.温度传感器选择•热电偶灵敏度低，温度与输出为非线性关系，信号调理电路复杂，适合宽温范围测温。•铂电阻温度与输出非线性关系，需作电抗到电压的转换，电路复杂，适合宽温范围测温。•DS1820采用一线串行数字控制，操作过程复杂，初学者不易掌握。•

AD592输出电流与温度呈线性关系，精度满

足设计要求，为首选测温传感器。三.温度传感器选择四.传感器信号处理电路任务1.滤波消除、抑制干扰2.变换•I（电流）→V（电压）•电抗→电压3.标准化•放大弱电压转换为0~5V或4~20mA•平移使输出信号过0•电抗→F（频率）→电压五.变送器电路设计1.设计需求分析：测温范围：0℃~100℃AD592输出特性ADC0804输入特性“0点平移”“I—V转换”测温传感器模数转换器任务一：任务二：变送器电路设计2.解决方案1

—“恒流补偿”之“0点平移”变送器电路设计解决方案1

—“恒流补偿”之“I–V转换”电工电子实验教学案例变送器电路设计恒流补偿法0点平移变送器电路基本方案变送器电路设计3.解决方案2

—“恒压补偿”之“I-V转换”变送器电路设计解决方案2—“恒压补偿”之“0点平移”电工电子实验教学案例变送器电路设计恒压补偿法0点平移变送器电路基本方案变送器电路设计4.解决方案3

—“电压平移”之“电压放大”变送器电路设计解决方案3—“电压平移”之“0点平移”设计内容⑵运算放大器平移电路方案i1i2iR1RfRV1V2V0Vii1=0i2=i+is

-i1=i+isi2=Vi/R1+Vs/R2R2Vsis若R1=R2i2=(Vi+Vs)/R1Vo=-Rf×i2

=-(Vi+Vs)×Rf/R1

=-(Vi+Vs)×50

Vs=-Vi0=-0.273VVi=0.273VVo=-0×50=0VT=0℃T=100℃Vi=0.373VVo=-0.1×50=-5VV0(V)Vi(V)设计内容七.安装结构设计内容1.滑动变阻器的使用2.稳压二极管的使用八.设计要求及注意事项

电路中电阻的阻值需要调整的可以使用滑动变阻器。使用中滑动变阻器应串接电阻，使滑动变阻器单位旋转角度的阻值变化尽量小，以保证调整更精确，并减小各种因素对阻值稳定的影响。

为了获得稳定的电压，可以利用稳压二级管的反向击穿特性设计稳压电路。使用中应注意稳压二极管只有通过一定的电流的情况下，才能获得稳定的电压，应正确计算限流电阻的阻值。设计内容3.电路干扰的抑制4.模拟/数字电源的区分使用5.限幅电路设计注意

可以在直流放大电路的负反馈电阻上并接电容来降低交流增益抑制噪声。但是电容不宜太大，否则会延长放大器对于被测信号的响应时间。

模拟电路与数字电路的电源尽量分开，否则会产生不良耦合，干扰模拟测量电路的正常工作。

限幅电路由限幅二极管和限流电阻组成，用于保护后级电路。限流电阻不可以没有，也不可以太大，否则会造成信号衰减，影响测量精度。设计内容九.标定原理与标定方法1.通过标定解决的问题使的过程称为调“零”使的过程称为调“满度”T=0℃T=100℃T(℃)V0(V)设计内容2.恒流补偿变送器标定原理与标定方法V0(V)V0⑴

恒流补偿变送器电路调“零”原理解决方法：调整VR1，改变is使V0=0---调“零”i0iRisRi1i2T(℃)T=0℃，i≠0或理想运放条件不成立，导致V0≠0设计内容⑵

恒流补偿变送器电路调“满度”原理V0(V)V0T(℃)解决方法：调整VR2，改变i2在VR2上的压降，使

V0=5V---调“满度”T=100℃，i2=i100-is=100uA，多种原因导致V0≠5Vi2RRi100iisi1设计内容3.恒压补偿变送器标定原理与方法⑴

恒压补偿变送器电路调“零”原理T(℃)i0EsV0(V)V0解决方法：调整VR1，改变i0在VR1上的压降，使Vi

发生变化，并且使V0=0---调“零”T=0℃，Vi≠0或其他原因，导致V0≠0Vi设计内容⑵

恒压补偿变送器电路调“满度”原理T(℃)V0(V)解决方法：调整VR2，改变放大器增益，使V0=5V---调“满度”T=100℃，多种原因导致V0≠5VV0i100EsVi设计内容4.加法平移变送器标定原理⑴

加法平移变送器电路调“零”原理T(℃)V0(V)Es解决方法：调整VR1，改变is，使V0=0---调“零”T=0℃，is

–i1≠0或其他原因，导致V0≠0V0i0Viisi1设计内容⑵

加法平移变送器电路调“满度”原理T(℃)V0(V)EsV0i100解决方法：调整VR2，改变放大器增益，使V0=5V---调“满度”T=100℃，多种原因导致V0≠5V设计内容十.常见故障及其现象•运算放大器损坏•运算放大器开环•放大器增益控制电阻过小•平移电路未工作故障原因•平移电路元件选择有误•接+5V保护二极管反接•接地保护二极管反接•保护二极管全部反接•保护电路限流电阻过大•输出不随输入变化•输出接近正或负电源电压•输出达不到满刻度•输出不能到达0点故障现象•输出不能到达0点•输出总是高于+4.3V•输出总是低于+0.7V•二级管全