南昌-大学实验报告-电子线路设计与测试本科毕业论文.doc

实 验 报 告

实验课程： 电子线路设计与测试
学生姓名：
学 号：
专业班级： 通信工程

2014年 5月

目 录

信号发生器设计

直流稳压电源设计

音频功率放大电路设计

温度控制电路设计

信号发生器设计
一、实验任务
设计一信号发生器，能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。
二、实验要求
基本性能指标：(1)频率范围100Hz~1kHz；(2)输出电压：方波Up-p≤24V，三角波Up-p=6V，正弦波Up-p>1V。
扩展性能指标：频率范围分段设置10Hz~100Hz, 100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性 方波tr<30us（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。
三、实验方案
信号发生器设计方案有多种，图1是先产生方波、三角波，再将三角波转换为正弦波的组成框图。

图1 信号发生器组成框图
主要原理是：由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路，三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。
图2所示，是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。

图2 方波和三角波产生电路

图3 比较器传输特性和波形
利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。

图4 三角波→正弦波变换电路

图5 三角波→正弦波变换关系
在图4中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
波形发生器的性能指标：
①输出波形种类：基本波形为正弦波、方波和三角波。
②频率范围：输出信号的频率范围一般分为若干波段，根据需要，可设置n个波段范围。
③输出电压：一般指输出波形的峰-峰值Up-p。
④波形特性：表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r～和r△；表征方波特性的参数是上升时间tr。
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下：

仿真结果：
仿真数据如下，方波----三角波----正弦波，且符合实验设计要求。

直流稳压电源设计
一、实验任务
设计一直流稳压电源并进行仿真。
二、实验要求
基本性能指标：
(A1)输出直流电压＋5V，负载电流200mA。
(B1) +3V~ +9V，连续可调；(B2) IOmax=200mA；(B3) 稳压系数 Sr≤5×10-3；(B4) △UO≤5mV。
扩展性能指标：扩展直流稳压电源的输出电流使10mA≤IO≤1.5A。
三、实验方案
直流稳压电源设计框图和直流稳压电源基本电路分别如图1和图2所示：

图1 直流稳压电源框图

图2 直流稳压电源基本电路
主要原理是：
电源变压器将交流电网220V的电压降压为所需的交流电压，然后通过整流电路将交流电压变成单极性电压，再通过滤波电路加以滤除，得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
一般情况下，选用降压的电源变压器。
整流电路主要有半波整流电路、桥式整流电路和全波整流电路，一般情况下多用桥式整流电路，桥式整流输出脉动电压平均值为：

通过每只二极管的平均电流为：

每只二极管承受的最大反向电压为：

滤波电路亦可分为电容滤波、电感滤波、Π型滤波等多种滤波电路，而在小功率电源电路设计中多用电容滤波电路。当在接上滤波电容后，UO会明显增大，其大小与时间常数RLC有关，通常情况下，RLC＝(3~5)T/2（T为电网电压周期）。
稳压电路有二极管稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压电路等，可根据具体要求选择合适的电路形式（具体原理可查阅相关资料）。
稳压电源的性能指标：
最大输出电流IOmax：电源的输出电压UO应不随负载电流IOL而变化，随着负载RL阻值的减少，IOL增大，UO减小，当UO的值下降5%时，此时流经负载的电流定义为IOmax（记下IOmax后迅速增大RL，以减小稳压电源的功耗）。
输出电压：指稳压电源的输出电压，也是稳压器的输出电压。当输入电压为额定值时，可直接用电压表测量。
纹波电压：指叠加在输出电压UO上的交流分量。可用示波器观测其峰-峰值或者有效值。
稳压系数：指在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即

输出电阻：稳压电路输入电压一定时，输出电压变化量△UO与输出电流变化量△IO之比，即
(UI为常数)
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下：

仿真结果：

仿真数据如下，产生+5V直流电压，且符合实验设计要求。

音频功率放大电路设计
一、设计任务
设计一小功率音频放大电路并进行仿真。
二、设计要求
已知条件：电源V或V；输入音频电压峰值为5mV；8/0.5W扬声器；集成运算放大器（TL084）；三极管（9012、9013）；二极管（IN4148）；电阻、电容若干
基本性能指标：Po200mW（输出信号基本不失真）；负载阻抗RL＝8；截止频率fL＝300Hz，fH＝3400Hz
扩展性能指标：Po1W（功率管自选）
三、设计方案
音频功率放大电路基本组成框图如下：

音频功放组成框图
由于话筒的输出信号一般只有5mV左右，通过话音放大器不失真地放大声音信号，其输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗；滤波器用来滤除语音频带以外的干扰信号；功率放大器在输出信号失真尽可能小的前提下，给负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。
应根据设计要求，合理分配各级电路的增益，功率计算应采用有效值。基于运放TL084构建话音放大器与宽带滤波器，频率要求详见基本性能指标。功率放大器可采用使用最广泛的OTL（Output Transformerless）功率放大电路和OCL（Output Capacitorless）功率放大电路，两者均采用甲乙类互补对称电路，这种功放电路在具有较高效率的同时，又兼顾交越失真小，输出波形好，在实际电路中得到了广泛的应用。
对于负载来说，OTL电路和OCL电路都是射极跟随器，且为双向跟随，它们利用射极跟随器的优点——低输出阻抗，提高了功放电路的带负载能力，这也正是输出级所必需的。由于射极跟随器的电压增益接近且小于1，所以，在OTL电路和OCL电路的输入端必须设有推动级，且为甲类工作状态，要求其能够送出完整的输出电压；又因为射极跟随器的电流增益很大，所以，它的功率增益也很大，这就同时要求推动级能够送出一定的电流。推动级可以采用晶体管共射电路，也可以采用集成运算放大电路，请自行查阅相关资料。
在Multisim软件仿真时，用峰值电压为5mV的正弦波信号代替话筒输出的语音信号；用性能相当的三极管替代9012和9013；用8电阻替代扬声器。由于三极管（9012、9013）最大功率为500mW，要特别注意工作中三极管的功耗，过大会烧毁三极管，最好不超过400mW。如制作实物，因扬声器呈感性，易引起高频自激，在扬声器旁并入一容性网络（几十欧姆电阻串联100nF电容）可使等效负载呈阻性，改善负载为扬声器时的高频特性。
四、电路仿真与分析
仿真电路图如下：

仿真结果：
仿真数据如下，实现音频功率放大，且符合实验设计要求。

温度控制电路设计
一、实验任务
设计一温度控制电路并进行仿真。
二、实验要求
基本功能：利用AD590作为测温传感器，TL为低温报警门限温度值，TH为高温报警门限温度值。当T小于TL时，低温警报LED亮并启动加热器；当T大于TH时，高温警报LED亮并启动风扇；当T介于TL、TH之间时，LED全灭，加热器与风扇都不工作（假设TL＝20℃，TH＝30℃）。
扩展功能：用LED数码管显示测量温度值（十进制或十六进制均可）。
三、实验方案
AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。AD590适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。
主要特性：流过器件的电流(μA) 等于器件所处环境的热力学温度(K) 度数；AD590的测温范围为- 55℃~+150℃；AD590的电源电压范围为4～30 V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710mΩ；精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。
基本使用方法如右图。
AD590的输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。
Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V 。
测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。
温度控制电路设计框图如下：

温度控制电路框图
由于Multisim中没有AD590温度传感器，根据它的工作特性，可以采用恒流源来替代该传感器，通过改变电流值模拟环境温度变化。通过温度校正电路得到实际摄氏温度电压值（可适当放大到几伏特，不超过5V），再送温度判决电路判决，需根据报警温度确定门限比较电压值，电路均可用运算放大器及电压比较器来实现。可采用三极管和继电器（RELAY）来控制驱动风扇与加热器，在仿真中用DC MOTOR代替风扇、HEATER代替加热器，并加上发光二极管来指示其是否工作。温度显示部分可采用ADC模数转换芯片来实现，将实际温度电压值通过ADC芯片转换成数字逻辑信号再通过数码管显示。
四、电路仿真与分析
仿真结果：
仿真数据如下，实现温度控制功能，且符合实验设计要求。

温度小于20℃低温警报LED亮并启动加热器

当T介于20℃、30℃之间时，LED全灭，加热器与风扇都不工作

当T大于30℃时，高温警报LED亮并启动风扇

五、总结
通过一理论课程，使我明白了温度控制设计原理，并通过进一步了解，使我对温度控制设计的焊接调试过程充满信心。但到了实践过程，我们遇到了一些困难。 
焊接方面，首先，我们要掌握电烙铁的使用。从网上查阅资料查到了一些电烙铁的使用技巧： 
1．将烙铁头放置在焊盘和元件引脚处，使焊接点升温。  
2．当焊点达到适当温度时，及时将松香焊锡丝放在焊接点上熔化。 
 3． 焊锡熔化后，应将烙铁头根据焊点形状稍加移动，使焊锡均匀布满焊点，并渗入被焊面的缝隙。焊锡丝熔化适量后，应迅速拿开焊锡丝。  
4. 拿开电烙铁，当焊点上焊锡已近饱满，焊剂(松香)尚未完全挥发，温度适当，焊锡最亮，流动性最强时，将烙铁头沿元件引脚方向迅速移动，快离开时，快速往回带一下，同时离开焊点，才能保证焊点光亮、圆滑、无毛刺。用偏口钳将元件过长的引脚剪掉，使元件引脚稍露出焊点即可。  
5．焊几个点后用金属丝擦擦烙铁头，使烙铁头干净、光洁。 遵照上述5个步骤，我们对电路板进行了焊接。 

心得体会 
经过了一个课程设计，我感想颇多。 
首先，我明白了做事情一定要抓紧时间，不能一拖再拖。在制作过程中会遇到了很多意想不到的问题，导致最后时间不够。经过这次课程设计，我们懂得只有抓紧时间才能够适应快节奏的社会，拖拖拉拉最后会一事无成。 
其次，我明白了实践的重要性。理论知识固然重要，但只有将理论投入到实践中去检验，才能体现出理论的价值。电路元件只有焊接到电路板上，才能发挥其真正的作用，单纯的研究理论知识，而不去动手实践，我们就不能全面发展，就不能成为真正对社会有意义的人。 
最后，我还明白了团队合作的重要性。二十一世纪是一个需要的是团队合作，而不是单打独斗。一个大的项目，单纯靠一个人的力量是无法完成的。只有在一个团队的共同努力下，才能最终走向成功。 
这次课程设计，带给我很多的教训，但更多的是经验，我相信我会越来越成熟。

附录：原理图、PCB图、元器件清单

原理图：

实物拍摄：

元件清单：

PCB原理图：