北工大-电子实验课设报告.doc

完整word)北工大_电子实验课设报告

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）、基本要求
1、能控制步进电机正转和反转及运行速度，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）、扩展要求
设计步进电机工作方式为四相八拍。

(四）、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（驱动电路）和步进电机等组成。
脉冲发生电路
环形脉冲分配电路
控制电路
驱动电路
脉冲显示
步进电机

（五）、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TIP122，5Ω(1W)电阻,其他电容、电阻若干.

说明：
a、 本实验提供的是四相步进电机,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.
b、 四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-—C——D-—A；
ii、双四拍方式，通电顺序为AB-—BC-—CD--DA-—AB；
iii、四相八拍方式,通电顺序为A-—AB—-B—-BC--C—-CD——D-—DA——A。
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A-—D—-C——B——A,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.

工作方式
励磁方式
D B C A

单四拍方式

A
1 1 1 0
B
1 1 0 1
C
1 0 1 1
D
0 1 1 1
A
1 1 1 0

双四拍方式

AB
1 1 0 0
BC
1 0 0 1
CD
0 0 1 1
DA
0 1 1 0
AB
1 1 0 0
二、电路设计
（一）、脉冲发生器:
1、设计目标：
设计一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：T1=(R1+R2）Cln2、T2=R2Cln2

5、 仿真波形:
（二)、环形移位信号发生电路
1、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NE555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、74LS08。
3、设计方案:双向移位寄存器74LS194
考虑到双向移位寄存器74LS194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：
RD'
S1 S0
工作状态
0
X X
置零
1
0 0
保持
1
0 1
右移
1
1 0
左移
1
1 1
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S1 S0 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,电路图如下:

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
1
2
3
4
5
6
7
8
A
B
C
D
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
74LS194的8路并行输出
双四拍输出
1
2
3
4
5
6
7
8
A
B
C
D
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
74LS194的8路并行输出
四相八拍输出
1
2
3
4
5
6
7
8
A
B
C
D
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
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=(34）’、C=（56)’、D=(78）'
双四拍状态：A=（12)’、B=（34）’、C=(56）'、D=（78）'
四相八拍状态: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:

（三)、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，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）、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,多相时序控制电流,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。5Ohm。判断出两组绕组的中心引线后，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。

三、步进电机的测试及连接:
（一）、测试步进电机的引脚功能和顺序：
本实验提供的是四相步进电机，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。5Ω。判断出两组绕组的中心引线后，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、D四相的顺序：
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）、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
1个
NE555芯片
1个
74LS194芯片(双向移位寄存器)
2个
74LS08芯片(4与门）
1个
达灵顿三极管（TIP122）
4个
发光二极管
4个
续流二极管
4个
5Ω(1W）电阻
4个
300Ω电阻
5个
1KΩ电阻
4个
5KΩ电位器
1个
50μf电容
1个
10nf电容
1个
单刀双置开关
4个
导线
若干

（三）步进电机步距角的测量：
励磁方式
单四拍
双四拍
四相八拍
转一周所需步数
202
202
404
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）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
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，则在磁场的作用下，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 AA’ 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相通电比较，转子再次转动30
步进电动机的结构
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别。

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：

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。q。此角称为步距角，用°30
2）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
放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置,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比较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：
o 差模电压放大倍数  AVD＝1～500，可手动调节；
o 最大输出电压为±10V，非线性误差 < 0。5％ ；
o 在输入共模电压+7。5V～－7.5V范围内,共模抑制比 KCMR 〉10 ；
o 在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V;
通频带0～10Hz ;

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.

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＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。R2改变时，产生VI ≠0的电压信号.

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
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 Vi1 变换成直流电压放大器的双端输出Vo。
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。

图四

设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不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。
VO2
VO1

图五

同相放大器A1的电压增益Vo1/ Vi=1,反相放大器A2的电压增益Vo2 / Vi=-1/2，则总增益
Vo / Vi=（ Vo1 －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
Vo1 / Vi=R1/（R1+R3）=1/2
当R1 =0时：Vo1= Vi
对反相放大器，电压增益
Vo2 / Vi =—R2/R1
当R2=R5=10kΩ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 =1。
2.差动放大器
方案论证与比较
方案一
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。

图一
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。

方案二
低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入阻抗高，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。

图二
对测量电路的基本要求是:
①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。
②高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。
③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。
3 前置放大器
输入及输出电容器（C1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。

最终设计：

（四）实验记录
信号交换放大器:

差动放大器

前置放大器

输入振幅2mV（有效值）
100HZ

1kHZ

20kHZ

(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。根据设计框图把每个部分分别进行设计，就能使复杂的问题化简为一个个简单的小问题，逐一解决。有了这次的经验，当日后需要设计功能结构更加复杂的电路，也不会束手无策、无从下手了。在课题设计过程当中难免会碰到一些没有接触过的知识，通过这次课程设计，我们的自主学习能力也得到了锻炼.比如步进电机的工作原理和构造，就是我们以前在课堂上从未接触过的，为此我们在网上和相关书籍上查阅的相关资料，解决了遇到的困难。
课程设计对我们实际动手操作能力是一次锻炼,尽管现在我们的设计电路结构并不复杂，但相比过去的电子实验内容，对我们的操作能力有着更高的要求.以前在面包板上连接电路，并不要求连线多么整齐，但这次的电路作为一个较为完整的成品需要认真布线.
我认为自己最大的不足便是调试、分析电路的能力不足，连好电路经常出不来结果就一筹莫展。通过这次课设，我们排查电路故障的能力得到了很大提高.在电路连接完成却不能实现预期功能时，可以冷静的逐步隔离有故障的部分。根据不正常的输出，查找与其有关的输入和控制连线.用万用表检查其电位逻辑关系是否正确，找出问题连线。
我们在数电实验的设计连线和调试上都比较顺利，但在进行模电实验过程中却遇到了不小的阻力。很多指标参数虽然能在理论上成立，在软件仿真中可行，但真当电路连接后却无法调试出理想波形.在遇到诸如此类的问题时，我们必须从电路的最基础的原理入手，逐一部分的调试每一级的电路，用示波器查看芯片的输出波形。一个点一个点的排查问题所在，经过多日的调试后终于达到了指标，虽然离理想的结果还有可提升之处，但模电实验还是在很大程度上让我更加重视了很多平时忽略的电路知识，对我来讲是一次磨练。
整个课程设计过程，应该说是对我们专业综合素质的培养和一次锻炼，使我增强团队合作能力,懂得解决问题的方法，以及做事更加有条不紊。这些都将对我们日后在学习和实际工作中完成各种任务起到很多帮助。

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