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电子工程设计报告

19
2020年4月19日
文档仅供参考

北 京 工 业 大 学
电子工程设计报告

学 院 实验学院
专 业 电子信息工程
姓名学号1 张凯隆 12521325
姓名学号2 张帆 12521319
指导教师 严 峰
日 期 年 11月 20 日

摘要
电子工程设计课程，是电子信息工程专业的一门综合性实训类课程，该课程将实际温度测量控制系统课题引入课堂，让学生在真实的课题环境下，亲历电子产品的开发过程，从认识原件，查阅资料，原器件选型，到功能电路的设计、仿真，在到元器件布局，设计电路版图，两个人一组，独立设计，制作调试系统的各个模块，根据任务要求，发现各个模块的功能，最后再将完成的各个独立模块，在教学模板上连接起来，经过系统联调，实现整个系统的功能。
本次电子工程设计在第一学期的任务主要分为三个模块：稳压电源模块，放大电路模块以及功率放大电路模块。主要阐述了电子工程设计的背景，三个电路设计的原理。在电路设计原理里阐述了主要元件的特性及管脚图，线性稳压电源，放大电路和功率放大电路的设计原理，还有公式及实验测得数据。最后还有一些关于实验当中焊接的过程的感想与总结。

关键字：稳压电源;放大电路;功率放大电路

Abstract
Electronic engineering design course, electronic information engineering a comprehensive professional training courses,the course will be the actual temperature measurement and control system issues into the classroom, so that students in a real Under the subject of the environment, experience of electronic product development process, from the original understanding, access to information, the original device selection, to the function of the circuit design, simulation, in the component layout, circuit design layout, two pairs, independent design, production each module debugging system, according to the mission requirements, discovery function of each module, the individual modules and then finished last in the teaching template linking the system to achieve the function of the whole system.
This experiment in this term is mainly divided into three modules: regulated power supply module, amplifier circuit module and power amplification circuit module. Mainly expounds the background of electronic engineering design, the principle of three circuit design. This paper expounds the main components in the circuit design principle of feature and pin diagram, linear regulated power supply, amplifying circuit and power amplifier circuit, the design principle of formula and experimental measurement data. Finally, some thoughts about experiment of welding process and summary.

Keywords: power supply; amplifier; power amplifier circuit.
目录
第一章 温度测量控制总体概述 3
一、总体概述 3
第二章 稳压电源的设计与实现 4
一、实验目的 4
二、实验原理 4
三、原理图 4
四、PCB图 5
五、材料清单 5
六、焊接电路板 6
七、数据分析 6
八、调试问题和误差分析 6
第三章 放大电路的设计与实现 7
一、实验目的 7
二、实验原理 7
三、原理图及仿真 7
四、PCB图 8
五、材料清单 8
六、焊接电路板 8
七、数据分析 9
八、调试问题和误差分析 9
第四章 功率放大电路的总体概述 9
一、实验目的 9
二、实验原理 9
三、原理图与仿真 10
四、PCB图 11
五、材料清单 11
六、焊接电路板 11
七、数据分析 12
八、调试问题和误差分析 12
第五章 体会感想 13

第一章 温度测量控制总体概述
一、 总体概述
温度作为工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究以及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而又非常重要的参数。因此，在这些领域中，对于这个参数的测量与控制就显得尤为重要，特别是在纺织工业、冶金、化工、食品、温室种植，汽车制造以及气象预报和科研实验室等许多地方，都具有举足轻重的作用。
温度的闭环控制是十分重要也是十分基础的电子设计内容。本次电子工程设计旨在用单片机外围电路以及显示电路的设计，制作，硬件调试，A/D转换电路，D/A转换电路的设计，制作，硬件调试，并对单片机系统以及外围电路进行软件驱动编程，最后经过软硬件联调，实现整个温度显示控制系统的功能和指标，完成电子工程设计的全部任务。
前向通道：由温度传感器，信号调理电路，A/D转换器组成。温度传感器将温度信号转化成电信号，电信号可能是电阻信号，电流信号等模拟信号，也可能是数字信号。如果是模拟信号则需转化成数字信号，进入微控制器进行数据采集。
后向通道：由D/A转换器，驱动器，执行机构组成。微控制器将温度测量值和给定值产生的偏差经过D/A转换电路换成正负电压值，再经过驱动电路进行功率放大，再经过执行机构进行加温和制冷，形成温度闭环控制系统，实现温度的控制。
显示电路：使用数码管或液晶作为显示电路，经过微控制器借口对其进行驱动，实现温度的测量和显示。
键盘电路：使用独立式键盘或行列式键盘，经过借口驱动，实现数字键或者功能键，经过键盘可实现温度值的设定，功能键完全确定，取消等功能。
电源电路：为温度测量控制系统提供直流电源，5V电源，12V电源，-12V电源.

第二章 稳压电源的设计与实现
一、实验目的
交流供电9V 和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。
二、实验原理与分析
整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，能够把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。在此次试验中我们选取的是全波整流，采用了全桥式整流电路。
滤波，将整流电路输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 常见方法：电容滤波、电感滤波、复合滤波。
输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。电路的主体是三端稳压器，三端稳压器的内部是由晶体管和放大器组成的，晶体管用基极接地接法提高高频特性，同时将电路的电压放大倍数设置为1倍；放大器作为负反馈，进行差动放大，以输出作为基准电压，三端稳压器的输入端作为差动放大的另一个输入端。同时对于电路的稳定性，抗噪声性能等等一系列的性能产生积极影响。对于电路的性能的提高产生正面影响。

三、原理图

图2.1线性电源原理图
四、 PCB图
张凯隆：

张帆：

图2.2电源模块PCB
五、材料清单
名称
220u/50V电容
1000u/25V电容
整流桥
LM7805CT
LM7812CT
LM7912CT
数量/个
3
3
2
1
1
1

表2.1 电源模块材料表

六、焊接电路板

图2.3线性电源电路板
七、数据分析
稳压模块的输出端需要一个滤波电路对于稳压器的输出进行滤波，进一步减少纹波。数据方面则是三端稳压器能够产生需要的正负12V电压，以及正5V电压即可。而稳压器的输入端的电容要用大电容，输出端接一个小电容，进行滤波即可。

电压值/V
15~ 15
+9
+5
+12
-12
实际值/V
32.30
9.80
5.00
11.86
-11.92

表2.2 稳压模块测试结果表

八、 调试问题和误差分析
经过对实验数据的分析发现直流输出和理论值之间存在着差异。在焊接的过程中可能出现因拔器件造成的焊盘脱落、焊点没焊上，或者两个焊点之间短路等现象。在我组焊接时由于线路板插针方向的原因导致了线路板镜像颠倒了，只能重新做一次。同时电路中使用的导线存在电阻、电容，同时两根导线之间存在电容等都会使得输出的结果与理论值不一致。而且，在焊接的过程中所造成的焊点处理不当，比如焊锡堆置过多等也会造成误差，这些都是以后要注意的地方。调试过程中发生了保险管烧坏的现象，这是因为我们在测试电源是否正常工作时的误操作导致电路小范围短路，在更换保险管都并在操作正确的情况下使得电路正常工作而且测出数据。

第三章 放大电路的设计与实现
一、 实验目的
实现用将温度信号用电压值来表示，将0-100度的温度（0.273mA-0.373mA的电流）转换为0-5v的电压。
二、 实验原理
本次实验的关键就是调零与放大两个步骤。首先AD590-输出的0.273mA电流信号经过负载10K变为电压信号2.73V，再经过一跟随电路进行稳压。而后经过电阻分压使得另一路从+12V分得2.73V的电压并再次进行跟随稳压，最终将两路进行差分放大，放大5倍使得输出为0-5V。
三、 原理图及仿真

图3.1双电源版仿真

图3.2单电源板仿真
四、 PCB图

图3.4放大电路PCB
五、 实际焊接电路板

图3.5放大电路电路板

六、材料清单
名称
数量/个
0.25W 1K电阻
5
0.25W 10K电阻
2
0.25W 100K电阻
1
10K滑变
2
LM358
2
表3.1 放大环节元件清单

七、数据分析
温度/度（实际）
10
24
45
65
75
温度/度（电压值转换）
10.5
24.2
43.2
61.2
71.2
表3.2 放大环节数据分析表
八、调试问题和误差分析
随着温度的增加，实际温度与测量温度之间的差距越来越大，在满度的时候相差近6度，这有可能是调零出现了问题，本身所使用的电阻与仿真时所使用的电阻并不一致，再加上上下方温度传感器的传感机制并不一致，因此会产生误差，还有就是第二级运放的滑变大小也会直接的影响到温度提高时与实际温度的差距。
第四章 功率放大电路的设计与实现
一、 实验目的
前级驱动电压为-12V ~ +12V ,随着输出负电压的增加,制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的，本实验就是将m A级的电流放大到1A-2A左右。
二、 实验原理
功放环节利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率。当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验仅涉及直流量的变化，且需要正负电压时都导通，因此选择乙类比较合适。
此次实验选用了乙类放大OCL电路，为避免烧坏三极管，前一级小功率放大为2N3904，2N3906三极管，后一级大功率放大为E3055T，E2955T三极管。
三、 原理图与仿真
当输入为+12V时，输出为1.331A

图4.1功率放大电路仿真图）

四、 PCB图

图4.5功率放大电路PCB图
五、 材料清单
名称
数量/个
0.25W 100K电阻
2
1K滑变
1
2N3904
1
2N3906
1
E3055T
1
E2955T
1
表4.1 功放环节元件清单
六、 焊接电路板

图4.6 功率放大电路电路板

七、 数据分析
经实际测量得到电流变化范围是-1.95A—— +2.01A。从而驱动加热制冷。测试结果如图4.3所示。

图4.3 功放环节测试结果图

图4.5制冷及制热图

八、 调试过程及其问题分析
第三块板子的调试过程还是比较顺利的，可是由于之前没有加装三极管散热装置导致了两个三极管温度异常的高，不过十分万幸并没有导致三极管烧毁。之后加装了散热装置以后，三极管表面温度正常了很多。

第五章 体会感想
张凯隆：在这门课中，可谓是收获十分巨大，我对这个课程也十分感兴趣。我本身就是一个十分爱动手的人。这次的课程又是我的动手能力提升了一个档次。同样在和组员设计电路图以及后期焊接和调试的过程中，又对以前的知识做了更加系统复习，在焊接的过程中由于一些细小的焊接细节导致了烧毁了保险管。第一次，做电源的时候因为插针的方向导致了只能重新来。这真的是一失足成千古恨。经过这些的经验教训。在以后的工作中一定做什么都马虎不得。总之，这个课程我十分喜欢，也真的是收获颇丰。
张帆：此次经过这个课程我极大的锻炼自己的动手能力，以前都是经过面包板将线插好，这次不但需要自己设计电路，还要一点一点的焊好，我以前焊接的并不是很好，总会出现很多问题，这次老师对我们的要求很高没一个焊点都要是一个锥形，而且，铜线必须镀锡，不能够有外露的情况。最难的是退锡，因为我们都是用旧板子，我们必须在把板子上已经焊好的锡退掉，一个人需要拿着焊枪把锡焊化，另一个人用吸锡器把它吸出来，再把上面的没用的零件取下来换上自己的。其实我觉得焊之前的设计特别重要因为如果不把零件放在合适的位置，你在焊接的过程中就会用更多的线，浪费不说，走线走的复杂了，出错的几率会大大提高，而且出了错也不方便查找。
这次我们遇到了许多很多问题，比如第一块板子的设计时我们因为是第一次设计因此在制作PCB图时我们就忘记了选正确的封装，以至于后面的连线过程中出了问题。在焊接时我们没有注意到板子上面的暗线，最后我们喊了两遍第一块板子才达到要求。第二块板子我们需要自己设计，在设计过程中我们只能靠上学期自己学的模电知识，我在设计放大电路时发现差分电路比减法电路会简单一些，而在放大时我们需要设计两个滑动变阻器，一个是为了调零的，另一个则是为了调节放大倍数，将最后温度曲线变化的更好。最后一个电路是驱动电路我们采用了两级OCL功率放大电路，每一级的放大倍数都是30-50倍，中间有一个分流电阻，以防最后一级的电流太大烧毁电路。
经过了这学期的学习我们的焊接技术感觉真的有了巨大的提高，到后来我们不再需要老师指导，知道了最后怎么处理一些常见的问题，在调试的过程中也发现自己学会了许多小技巧，比如如何用万用表测电流，测三极管的好坏。总之，我们收获颇丰。