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文檔簡介
1、<p><b> 自動化學(xué)院</b></p><p> 電子基礎(chǔ)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p> 課題名稱: 輸出可調(diào)到0V的基準電壓源 </p><p> 課題要求:一、具有以下功能:</p><p> 1、輸出電壓:0-8V連續(xù)可調(diào)</p><p> 2、輸出電流
2、(8V時):0-40Ma</p><p> 二、完成原理圖、PCB圖設(shè)計</p><p> 三、完成安裝及調(diào)試。</p><p> 四、寫出設(shè)計報告。 </p><p><b> 課題內(nèi)容:</b></p><p> 第一周:查找相關(guān)資料;方案設(shè)計。</p&g
3、t;<p> 第二周:設(shè)計原理圖、PCB圖。 </p><p> 第三周:完成安裝及調(diào)試。撰寫報告 </p><p><b> 主要參考資料:</b></p>
4、<p> 王慶主編. Protel99SE & DXP 電路設(shè)計教程. 電子工業(yè)出版, 2006.6</p><p> 康華光等. 電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分第四版).高等教育出版社, 1999.6</p><p> 康華光等. 電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分第四版).高等教育出版社, 1999.6</p><p> 輸出可調(diào)到0V的基準電壓源<
5、;/p><p> 摘要:基準電壓源是一種用來作為電壓標準的高穩(wěn)定度電壓源。目前,它已被廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀表和測試系統(tǒng)中,是一種頗有發(fā)展的新型特種電源集成電路。它的主要特點是電壓穩(wěn)定度高,不受環(huán)境溫度變化的影響,能通過外部元件作精細調(diào)整,獲得高準確度的基準電壓值??刹捎谬R納穩(wěn)壓管來獲取基準電壓。當穩(wěn)壓管被反向擊穿時,其穩(wěn)定電壓基本保持恒定。其主要優(yōu)點是成本低廉,缺點是穩(wěn)定性差、高溫度漂移、功耗及噪聲較高、輸出阻
6、抗較高。</p><p> 此設(shè)計應(yīng)用穩(wěn)壓管及集成運放、三極管來組成穩(wěn)壓電源,可用電位器來實現(xiàn)其可調(diào),電路主要功能是能輸出由0V到8V連續(xù)可調(diào)的電壓。</p><p> 關(guān)鍵字:可調(diào) 0V 基準電壓源</p><p> ?。ù雾撆c下一頁對調(diào))</p><p><b> 目 錄</b></p>
7、;<p> 1 前言 ……………………………………………………………………………(5)</p><p><b> 2 設(shè)計方案</b></p><p> 2.1 方案一 …………………………………………………………………………(6)</p><p><b> 2.2 方案二</b></p
8、><p> 2.2.1設(shè)計思路 …………………………………………………………………(7)</p><p> 2.2.2系統(tǒng)框圖 …………………………………………………………………(11)</p><p> 2.2.3原理圖及工作原理 ………………………………………………………(11)</p><p> 2.3 方案比較 …………
9、…………………………………………………………(14)</p><p> 2.4 PCB板設(shè)計</p><p> 2.4.1PCB板圖 …………………………………………………………………(15)</p><p> 2.4.2元器件清單 ………………………………………………………………(16)</p><p><b> 3
10、 電路安裝調(diào)試</b></p><p> 3.1 儀器儀表及安裝 ……………………………………………………………(17)</p><p> 3.2 測量參數(shù) ……………………………………………………………………(17)</p><p> 4 結(jié)論 ……………………………………………………………………………(17)</p>
11、<p> 5 參考文獻 ……………………………………………………………………(18)</p><p> 6 致謝 ……………………………………………………………………………(19)</p><p><b> 1 前 言</b></p><p> 可調(diào)基準電壓源與傳統(tǒng)的電源相比,具有電路新穎,功能奇特,性能先進,種類
12、繁多,應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛的特點。目前我國已成為世界上生產(chǎn)電源及電源模塊的大國,國內(nèi)外生產(chǎn)的基準電壓源多達上千種,而的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,幾乎所有的數(shù)字儀表都用到基準電壓源,它們可以是獨立的、也可集成在芯片種。它根據(jù)電壓溫度系數(shù)的大小,大致可分成三類:精密型基準電壓源、準精密型基準電壓源、普通型基準電壓源。</p><p> 傳統(tǒng)電源成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、輸出沒有變壓,在使用過程中不方便,設(shè)想是否可設(shè)計一種輸出
13、可調(diào)且電壓穩(wěn)定度高,不受環(huán)境溫度變化的影響的電源。穩(wěn)壓管的靜態(tài)工作電流較大,適合對功耗要求不高的應(yīng)用場合,外部需要接限流電阻,只能流入灌電流及滯后電壓大,其存在主要問題是長期穩(wěn)定性差。</p><p> 隨著科技的發(fā)展,帶隙基準電壓源漸漸發(fā)展起來,它可以解決傳統(tǒng)的基準電壓源的缺點,并實現(xiàn)其可調(diào)、穩(wěn)定等要求。但帶隙基準電壓源也存在一些缺點及問題,其電源電壓范圍較窄且部分器件不能吸入電流,它適合低功耗應(yīng)用場合。&l
14、t;/p><p> 針對穩(wěn)壓管與帶隙基準電壓源的優(yōu)缺點,在未來基準電壓的發(fā)展道路上,應(yīng)將其的優(yōu)點結(jié)合,并避免其所產(chǎn)生的缺點,目前基準電壓源在其穩(wěn)定性能差、電源電壓范圍較窄及精度低等問題上還需進一步研究,來解決此問題。</p><p> 在實際應(yīng)用中可用此基準電壓源來給MP3、手機等數(shù)碼產(chǎn)品做充電器,電壓較穩(wěn)定,而且可當作為萬能充電器,根據(jù)其所需要的電壓來調(diào)節(jié)基準電壓源的輸出電壓來給各產(chǎn)品充
15、電,相比于市場中的普通萬能充電器來說,其穩(wěn)定性好,對手機、MP3等數(shù)碼產(chǎn)品電池損傷小,且普通萬能充電器構(gòu)造簡單,工藝很粗糙,沒有一定的規(guī)格,基準電壓源可根據(jù)其需要來達到其要求,使其對產(chǎn)品的損害減小。</p><p> 根據(jù)人們的需要及對技術(shù)的要求越來越高,我們可通過創(chuàng)新來使基準電壓源實現(xiàn)更多的功能,且基準電壓源的成本低,為社會減少不必要的浪費,也符合國家節(jié)能要求。因此,在傳統(tǒng)的基準電壓電源基礎(chǔ)上我們應(yīng)勇于創(chuàng)新,
16、創(chuàng)造出功能更多,精度較高的電源。</p><p><b> 2 設(shè)計方案</b></p><p><b> 2.1 方案一</b></p><p> 芯片LM317是集成的穩(wěn)壓芯片,用于正電壓調(diào)壓器,其額定電壓的選擇只需要一個電阻性的分壓器,其主要性能如下:</p><p> 輸出電壓范圍
17、:1.2到37V </p><p> 輸出電流可超過1.5A </p><p> 0.1%的輸入和負載調(diào)節(jié)率 </p><p> 用于高電壓的浮動運行 </p><p> 全系列保護:限流、熱斷開和SOA控制 </p><p> LM317T有一個最小負載電流的問題,即只有負載電流超過某一值時,它才能起到穩(wěn)壓
18、的作用,在負載端接一個合適的電阻使其達到穩(wěn)壓作用。</p><p> 而LM317的 輸出電壓=1.25×(1+ADJ端到地的電阻/ADJ端到+Vout端的電阻),所以其有一個最小電壓值為1.25V,若要使其調(diào)到0V則考慮在其輸出端加個-1.25V電壓,使其電壓抵消而等于0V。要使它兩端有個穩(wěn)定的-1.25V可考慮使用穩(wěn)壓管,但穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓要為1.25V。通過滑動變阻器來調(diào)節(jié)阻值即調(diào)節(jié)ADJ端到地
19、的電阻來使LM317達到所需的輸出電壓。</p><p> 根據(jù)以上思路得其系統(tǒng)框圖如圖【1】所示:</p><p> (此處兩箭頭應(yīng)反向)</p><p><b> 圖【1】系統(tǒng)框圖</b></p><p> 穩(wěn)壓管要求其穩(wěn)壓電壓為1.25V,則可得輸出從0V調(diào)起,但由于市場上沒找到穩(wěn)壓電壓為1.25V的穩(wěn)壓管
20、,而采用了穩(wěn)壓電壓為2.2V,通過計算得R1=1.0KΩ,R2=10KΩ,R3=22Ω,且穩(wěn)壓管型號為02BZ2.2,可得其輸出電壓近似為0V,大約為1mV,而最大電壓也達到12V。</p><p> 由以上系統(tǒng)框圖及計算設(shè)計電路原理圖,其整體電路圖如下圖【2】所示:</p><p> 圖【2】方案一原理圖</p><p> 用EWB仿真測其輸出電壓最小只調(diào)到
21、了830uV, 而最大達到11.92V,由于買不到所需型號的穩(wěn)壓管,且最小及最大電壓沒有達到所要求的值即未達到0V~8V連續(xù)可調(diào),所以放棄此方案。</p><p><b> 方案二</b></p><p><b> 設(shè)計思路</b></p><p> 根據(jù)基準電壓源的特點及其原理,可用穩(wěn)壓管來獲得基準電壓,而用集成運
22、放、電位器、電阻、三極管來構(gòu)成基準電壓源。</p><p> 當穩(wěn)壓管被反向擊穿時,其穩(wěn)定電壓(即擊穿電壓)基本保持不變。它在工作時需要串聯(lián)一只限流電阻。其主要優(yōu)點是成本低廉,缺點是穩(wěn)定性差、高溫度漂移、功耗及噪聲較高、輸出阻抗較高。但其穩(wěn)壓范圍很寬,輸出功率很大。此設(shè)計選用三個穩(wěn)壓管,其型號分別為兩個2CW61,一個2CW107。2CW61的穩(wěn)壓電壓為12.5~14V,工作電流為16mA,2CW107的穩(wěn)壓電
23、壓為8.5-9.5V,工作電流為5Ma.</p><p> 集成運放采用的是芯片F(xiàn)007。F007屬第二代集成運放,采用了有源集電極負載、電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高、共模電壓范圍大、校正簡便、輸出有過流保護、不需要外部頻率補償、無阻塞和振蕩現(xiàn)象、輸入由過壓保護等。它是仿國外μA741型全補償通用運放,不需外接補償,廣泛用于模擬運算,電壓比較器、程序控制、信號的放大處理交換等電子電路中。</p>&
24、lt;p> 它由偏置電路、輸入級、輸出級和中間級構(gòu)成。其內(nèi)部框圖如圖【3】所示:</p><p> ?。ù藞D中各信號線都應(yīng)加箭頭)</p><p> 圖【3】F007內(nèi)部框圖</p><p> 偏置電路的作用是向各級放大電路提供合適的偏置電流,決定各級的靜態(tài)工作點。輸入級對集成運放的多項技術(shù)指標起著決定性的作用。它的電路形式幾乎都采用各種各樣的差動放大電
25、路,以發(fā)揮集成電路制造工藝上的優(yōu)勢。中間級電路的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù),并向輸出級提供較大的推動電流,有時還要完成雙端輸出變單端輸出,電位移動等功能。輸出級的作用是向負載輸出足夠大的電流,要求它的輸出電阻要小,并應(yīng)有過載保護措施。輸出級大都采用互補對稱輸出級,兩管輪流工作,且每個管于導(dǎo)電時均使電路工作在射極輸出狀態(tài),故帶負載能力較強。</p><p> 其內(nèi)部原理電路圖如下圖【4】所示:</p
26、><p> 圖【4】F007內(nèi)部原理電路</p><p> 其引腳圖如下圖【5】所示:</p><p> 圖【5】F007引腳圖</p><p> 其基本接線圖如下圖【6】所示:</p><p> 圖【6】F007基本接線圖</p><p> F007的電參數(shù)如下表(1)所示:</
27、p><p> 表(1) F007電參數(shù)</p><p> 但由于市場上沒買到F007而使用LM741代替。 LM741的管腳圖如圖【7】的(a)所示,其特點是電壓適應(yīng)范圍較寬,可在±5~±18V范圍內(nèi)選用;具有很高的輸入共模、差模電壓,電壓范圍分別為±15V和±30V;內(nèi)含頻率補償和過載、短路保護電路;可通過外接電位器進行調(diào)零,如圖【
28、7】的(b)所示。 </p><p> 圖【7】管腳圖及調(diào)零電路圖</p><p> LM741的功能與F007基本相同</p><p><b> 系統(tǒng)框圖</b></p><p> 穩(wěn)壓管來獲得基準電壓,用滑動變阻器來實現(xiàn)其可調(diào),其系統(tǒng)框圖如下圖【8】所示:</p><p><b&
29、gt; ?。ù思^應(yīng)反向)</b></p><p> 圖【8】方案二系統(tǒng)框圖</p><p> 直流電源接電阻(其保護作用)將電壓輸入集成放大器,并接穩(wěn)壓管,使穩(wěn)壓管產(chǎn)生反向擊穿電壓而獲得基準電壓送入運算放大器中,并在輸入端接入一個反饋電阻,反饋電阻另一端接滑動變阻器滑頭,來改變電位器阻值,而三極管將運放的輸出電壓放大。電路根據(jù)滑動變阻器阻值的不同而得到不同電壓值,使其輸出
30、可調(diào)。</p><p> 2.2.3原理圖及工作原理</p><p><b> 設(shè)計各單元電路如下</b></p><p><b> 輸入電路:</b></p><p> 輸入電路由輸入保護電路和輸入基準電壓電路組成</p><p> 輸入保護電流由穩(wěn)壓管D1和D2
31、及一個限流電阻組成</p><p> 根據(jù)D1、D2型號求得限流電阻,取穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電壓為13V,工作電流為16Ma,</p><p><b> 則ΩΩ</b></p><p> 輸入基準電壓電路由穩(wěn)壓管D3及電阻和滑動變阻器組成</p><p><b> Ω</b></p>&
32、lt;p> 所以得其單元電路如圖【9】和圖【10】</p><p> 圖【9】輸入保護電路 圖【10】輸入基準電壓電路</p><p><b> 放大及反饋電路:</b></p><p> 此電路由集成運算放大器LM741及三極管組成,三極管起穩(wěn)定作用</p><
33、p> 而運算放大器的 ,運放與三極管的工作電壓為,根據(jù)以上公式求得</p><p> 當時,要求,則說明應(yīng)遠小于,取Ω;</p><p> 當即滑動變阻器的中間值時,要求其輸出最大,達到;</p><p><b> 通過計算的Ω,Ω</b></p><p><b> Ω</b&g
34、t;</p><p> 根據(jù)參數(shù)計算的其放大反饋電路如圖【11】所示:</p><p> 圖【11】放大及反饋電路</p><p> 根據(jù)各單元格的設(shè)計及系統(tǒng)框圖設(shè)計其原理圖。其設(shè)計思路是將直流電源通過輸入保護電路,輸入保護電路在電路中其保護整個電路的作用,防止電路中電流過大而損壞器件,而根據(jù)穩(wěn)壓管的特點,若其反向電壓過大會產(chǎn)生反向擊穿,即產(chǎn)生了一個基準電壓,
35、再通過一個電阻來輸入給運放的輸入端,當放大電路工作,運放及三極管工作電壓都為,其達到工作電壓,從而輸出穩(wěn)定的電壓,而運放的放大倍數(shù)通過反饋電阻與輸入電阻的比值的改變而改變,其反饋電阻應(yīng)用一個滑動變阻器,從而實現(xiàn)可調(diào)。 如圖【12】所示:</p><p> 圖【12】方案二電路原理圖<
36、/p><p> 通過計算得其最低輸出電壓可達到,改變滑動變阻器阻值來得其輸出電壓可調(diào),連續(xù)可變,最高電壓達到,可實現(xiàn)課題要求,故采用此方案。</p><p> 工作原理是、組成穩(wěn)壓管保護電路,為其工作時的限流電阻,為輸入提供一個穩(wěn)壓電壓,當其反向電壓達到一定值時產(chǎn)生反向擊穿,而電壓值保持在其穩(wěn)</p><p> 壓電壓,將電壓提供給集成運放的輸入端,由于集成運放的
37、放大倍數(shù),通過電位器阻值的改變來改變運放的放大倍數(shù),從而來獲得輸出電壓,再經(jīng)三極管的</p><p> 穩(wěn)定作用輸出。當時約等于,其輸出亦為,當時,根據(jù)可求出其放大倍數(shù),得其輸出電壓。</p><p><b> 方案比較</b></p><p> 方案一所用元件相對較少,電路簡單清晰,但最終無法調(diào)到0V,其原因是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值沒達到所需要
38、的值,而且各元件值有相差。在實際應(yīng)用中此類型電路應(yīng)用較廣泛,不過其要求不一定是從0V開始可調(diào),較多數(shù)都是從其基準電壓1.25V開始調(diào)起。此電路可稱為是可調(diào)式三端穩(wěn)壓源,可根據(jù)各端電阻值的改變來達到其所需要的電壓值。</p><p> 而方案二所用元件相對方案一較多,其原理也較簡單,通過穩(wěn)壓管來獲得基準電壓,并用兩個穩(wěn)壓管來組成其保護電路,使用集成運算放大器來放大其電壓,放大器的放大倍數(shù)通過其反饋阻值與輸入阻值的
39、比值的改變而改變,使電壓能連續(xù)改變,且能使其輸出準確的達到0V,但由于元器件未能買到完全一樣的而當F007用LM741代替了,可能會使結(jié)果有一些偏差。</p><p><b> PCB板設(shè)計</b></p><p><b> PCB板圖</b></p><p> 根據(jù)其原理圖畫出其PCB板圖如下圖【13】所示:<
40、;/p><p> 圖【13】PCB板圖1</p><p> 由于布局不清晰,看不出元件的參數(shù),通過小組討論采用如圖【14】的PCB板圖</p><p> 圖【14】PCB板圖2</p><p> 此PCB板排列清晰,一目了然,且布局整齊,便于焊接電路板。</p><p><b> 元器件清單</b
41、></p><p> 根據(jù)原理圖得其元器件清單如下表(2)所示:</p><p> 表(2) 元器件清單</p><p><b> 3 電路安裝調(diào)試</b></p><p> 3.1 儀器儀表及安裝</p><p> 主要儀器:直流電源、電壓表、電流表、示波器、歐姆表</p&
42、gt;<p> 電壓表與電流表及歐姆表用萬用表代替,用萬用表的歐姆檔測量每個電阻的阻值以檢測電阻元件的好壞。</p><p> 穩(wěn)壓管的正負極確定直接從元件上讀取,有黑色一杠的表示正。</p><p> 根據(jù)電路圖的各部分功能確定元器件在實驗箱的插接板上的位置,并按信號的流向?qū)⒃骷樞虻剡B接。</p><p> 導(dǎo)線直徑應(yīng)和插接板的插孔直徑相
43、一致,過粗會損壞插孔,過細則與插孔接觸不良。</p><p> 為檢查電路的方便,根據(jù)不同用途,導(dǎo)線選用不同顏色。連接用的導(dǎo)線緊貼在插接板上,避免接觸不良。盡量做到橫平豎直,便于查線和更換器件。</p><p> 根據(jù)PCB板焊接電路,要看清每個元件是怎么接的,在焊接電路板時,每焊一個元器件都用萬用表測量其是否有電流或電阻、電壓,以保證其焊接成功,并再次檢查板上元件是否和PCB板上相同
44、,保證它的準確性。</p><p> 電路板焊接完成后,用導(dǎo)線引出去正負接線頭及輸出接頭以便輸入與測量輸出。</p><p> 用直流電源提供30V電壓,以達到電路所需輸入電壓。</p><p><b> 3.2 測量參數(shù)</b></p><p><b> 輸出電壓范圍</b></p&
45、gt;<p> 三極管各端電壓值為:當時, </p><p><b> 當時, </b></p><p> 當輸出電壓為2V時,在輸出端并聯(lián)一個電阻Ω</p><p><b> 通過計算得其電流為</b></p><p> 根據(jù)課題要求其精度要達到0.04
46、%,則其電流應(yīng)為0.9996Ma,由于在測量精度時電壓加得過大使集成運算放大器燒壞,其放大倍數(shù)改變,再此測量其輸出電壓其最大只達到了0.5V。</p><p><b> 4 結(jié)論</b></p><p> 所接電路板輸出未能達到0V~8V可調(diào),其最大輸出電壓只達到了5.2V,由于元器件的更換,及各元器件的誤差未能達到所要求的,在調(diào)試過程中,由于沒有把握好輸入電壓
47、的值而電路板幾次燒壞,電壓過大,使電阻燒了,最后檢查由于R2的阻值過小而使其兩端壓降太大,而無法達到要求。并且,通過測量運放與三極管的工作電壓也不等于,說明此電路的各參數(shù)有錯誤,而通過計算得其輸出可調(diào)范圍能達到0V~8V,此方案還有待改進,可考慮改變其輸入電壓或電阻來實現(xiàn)。對比于方案一,此方案能實現(xiàn)由0V可調(diào),且思路清晰。</p><p> 通過此次課程設(shè)計懂得的要做好一個課題需從最基礎(chǔ)的元件開始,對于此次課設(shè)
48、,由于開始沒有認真對待,對電路及其工作原理不夠了解,最近這個星期通過去圖書館借書及網(wǎng)上查資料對此電路有了了解,原來對集成運算放大器不了解,并不知道它的放大倍數(shù)可通過改變其反饋來改變,看了集成運放的介紹與說明后懂得其基本工作原理及其各個接口的作用。</p><p> 通過這個課題的實踐,懂得了穩(wěn)壓管及其集成運算放大器、三極管的工作原理,也懂得了基準電壓源的特點、分類及其工作原理。</p><p
49、> 希望以后可以有各種不同的課題,來豐富自己的課余知識及加強自學(xué)能力,這樣可使自己在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程及學(xué)校所要掌握的課程之余學(xué)習(xí)更多的課外知識,來增加見識,把所學(xué)的東西與實踐相結(jié)合,把所學(xué)的東西用到實際生活,并為社會發(fā)明更多的小東西,為社會作貢獻。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p><b> 參考文獻</b>&l
50、t;/p><p> [1]. 沙占友等. 特種集成電源設(shè)計與應(yīng)用. 北京: 中國電力出版社, 2007, 1~4</p><p> [2]. 王昊等. 集成運放應(yīng)用電路設(shè)計360例. 北京: 電子工業(yè)出版社,2007,337~344</p><p> [3]. 謝自美. 電子線路設(shè)計﹒實驗﹒測試(第三版). 武漢: 華中科技大學(xué)出版社,2006,143 </
51、p><p> [4] http://hi.baidu.com/jiajianxinnx/blog/item/470764f7667d7b20720eec33.html</p><p> [5] http://www.cnham.com/tech1/html/12/electrocircuit/2006/0423/10904.html</p><p> [6]
52、 http://www.tsht.com/cpxx/products/danpian/dianlushouce/010.htm</p><p> [7] http://www.elecfans.com/article/88/196/2007/200712196707.html</p><p><b> 致 謝</b></p><p>&l
53、t;b> 致 謝</b></p><p> 本課題在選題及研究過程中得到**老師及**老師的悉心指導(dǎo)下完成的,他們以其嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、孜孜以求、精益求精的工作作風(fēng)和創(chuàng)新的進取精神來教導(dǎo)我們。老師們淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我們深深的啟迪。同時,在此次課程設(shè)計過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于基準電壓源的知識,實驗技能有了很大的提高。 </p><
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