无源停电报警器11Word文件下载.docx
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5.3印刷电路板的规划及其元器件的安装19
5.4手工焊接20
5.5电路的调试、故障分析及其结果21
第六章结束语22
6.1论文总结22
6.2工作展望22
参考文献、资料索引23
致 谢24
第一章前言
在电子科学技术高速发展的今天，电子产品越来越多的应用在我们的日常生活中，像日常我们工作所用的电脑、手机等等，这些高科技产品给我们带来了极大的方便，这要归功于科学技术的高度发达。
如今，日常生活也越来越走向电子化。
无源停电报警器是我们所要做的毕业设计课题。
它的电路主要包括振荡电路、整流电路和光电耦合电路三大部分。
无源停电报警器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》中的相关知识。
特别是对一些电路的分析都涉及到《模拟电子技术》中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法、思路。
通过对本设计的模块式的分开分析、设计，如整体电路是有振荡电路、整流电路、光电耦合电路组成。
我们把原本复杂的电路简单化、部分化，最后再把每部分有机的结合起来，这样大大提高了工作效率，同时思路是相当明确。
毕业设计是重要，但更重要的是设计是的思路、方法，我们不能单纯的拿一个产品与另一项产品作比较。
我们面对课题要深深挖掘它所包含的知识点，所含的问题，认真总结解决问题的方法。
面对常用的一些元件电阻、电容、集成电路等等，我们要把他们有机的结合在一起，争取创造出更多的实验成果。
第二章电路原理及主要功能模块
本章主要详细分析电路的工作原理及其各功能模块的工作原理，还介绍了有关功能模块的设计方案、设计思想。
2.1电路原理图及其工作原理分析
（1）无源停电报警器的电路原理图如图所示：
图2-1无源停电报警器的电路原理图
（2）无源停电报警器的电路的工作原理：
图中，A2即与非门A-D组成两个频率不等的振荡器，电路起振时，压电陶瓷片B就会发出“嘟-嘟”报警声响。
VD1-VD5、C1和C2组成电容降压桥式整流稳压电路，当220V电网正常供电时，C2两端输出15V左右的直流电。
直流电一路经R1使LED发光，表示电网供电正常；
另一路经R2注入光电耦合器A1的1脚，使光电耦合器内藏发光管通电发光，因而光电耦合器内藏光敏三极管导通。
A1的5脚为低电平，使与非门A的输入端8脚也为低电平，有与非门的基础知识输出端4脚输出低电平，这时振荡器停振，压电陶瓷片B无声；
真流电的第三条支路是经VD6向C5充上约15V直流电，为C5存储电荷。
一旦220V交流电网停电，C2储存电荷通过R1和LED泄放，很快降到0V。
这时有电指示灯LED熄灭。
同时，A1的内藏发光二极管也随之熄灭，光敏三极管截止，5脚输出高电平，使与非门A的输入端8脚也为高电平有与非门的基础知识输出端4脚输出高电平，所以A2的两个振荡器起振，B就发出“嘟-嘟-”报警声。
A2报警所需要电源来自电容C5储存的电荷，这时二极管VD6截止，C5储存电荷不会送到VD6左边电路去。
C5储存电荷只供A2使用，由于C5容量很大，且A2是CMOOS电路耗电极小，C5储存电荷足可供压电陶瓷片B发声5min之久，已满足使用要求。
当电网恢复供电时，LED又点亮，A1的5脚输出低电平，振荡器停振，C5又充满电荷。
2.2振荡电路模块
此模块电路是无源停电报警器电路的主题电路，它是A2即与非门A-D组成两个频率不等的振荡器，正是这部分电路的输出决定陶瓷片B的效果。
通常振荡电路有4部分组成：
放大电路、反馈网络、稳幅环节、选频网络组成。
其中反馈电路是正反馈电路，放大器的输入端外加输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波，此信号经过放大器放大输出信号Uo,而它又作为反馈网络的输入信号，在反馈网络的输出端产生反馈信号Uf。
如果把反馈信号Uf，作为输入端的输入信号Ui输入放大器，当Ui与Uf的大小相等且相位相同，输入端可维持一定频率和幅度的信号Uo的输出，从而实现自激振荡。
为了使振荡电路输出一个固定的频率正弦波，要求自激振荡只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生，因此振荡电路必须有选频网络，使得只有通过选频网络输出的信号Uf和Ui相同的条件而产生自激振荡，而其他的频率不能满足条件产生不了自激振荡。
（1）电路构成及工作原理
①电路构成
图2-2振荡电路
其中电解电容C5是“电源”，当220V交流电断电时，它所存储的电荷为振荡电路供电。
图中所示与非门B与R4,C3构成振荡器；
与非门D与R5,C4构成振荡器；
由于数值有差别，所以是两个频率不同的振荡器，即构成振荡电路。
陶瓷片B是振荡的电路的输出端，有声音效果。
②电路的工作原理
它是有与非门B、R4、C3组成的振荡器，以及与非门D、R5、C4组成的振荡器，其原理如下：
用门电路组成的多谐振荡器，它们最主要的用途是用来作时钟脉冲发生器，用来驱动计数器或脉冲分配器，使电路的各组成部分能够按照所设定的工作程序有条不紊地工作。
用与非门和或非门组成的多谐振荡器如图所示。
其振荡周期T=2．2R2·
C1。
图2-3与非门振荡器
对于本设计，由于两个振荡器所包含的元件数值不同，有振荡周期公式T=2．2R·
C可计算出不同的振荡周期即不同的振荡频率。
一个是以与非门B为中心的振荡器，它的振荡频率f=1/2.2*R4*C3;
另一个是以与非门D为中心的振荡器，它的振荡频率f=1/2.2*R5*C4。
显然两者产生频率不同的振荡频率，所以达到振荡效果，通过陶瓷片B就发出嘟-嘟的声音。
2.3整流电路模块
这部分的电路的主要作用是整流，通过整流稳压电路把实际外电网中的220V交流电整流成本次毕业设计所用的直流电，整流后得到的电压约为15V的直流电。
直流电基本分三条支路流动：
A1的5脚为低电平，使与非门A的输入端8脚也为低电平，振荡器停振，压电陶瓷片B无声；
真流电的第三条支路是经VD6向C5充上约15V直流电。
①电路构成
整流稳压电路是有VD1-VD5、C1和C2组成电容降压桥式整流稳压电路。
如图所示
图2-4整流稳压电路
图中最左端为220V交流电输入端，电容C1起降压的的作用，有四个二极管VD1-VD4组成的电桥是整流稳压的主题电路，它有把常用交流电转换成本实验直流电的作用。
C2的作用是电容滤波，形成电容滤波电路，可以获得平滑的直流电压。
而稳压二极管VD5稳定输出电压的的作用，把直流电稳定成某一固定值
②电路的工作原理
经过电容滤波后的波形，可以获得平滑的直流电压。
图示
图2-5电容滤波电路
电路的工作原理可归纳为二极管导通、截止的过程
++
UO
Ui
-
图2-6整流桥图
当二极管输入电压Ui上端为+时，D1、D3导通,D2、D4截止，其流向
（1）
在ui的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1→RL→D3回到TR次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。
流向图
（1）流向图
（2）
图2-7整流流向图
当二极管输入电压Ui上端为-时，D2、D4导通,D1、D3截止，其流向
（2）
在ui的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→RL→D4回到Tr次级上端，在负载RL上得到另一半波整流电压。
于是得到全波整流的效果，如图（图2.3—4）。
发光二极管的工作
此外此整流稳压电路模块包含一个：
发光二极管的点亮功能。
该功能具有指示作用，它的正常点亮表示电网正常供电。
当外电网正常供电时，经过整流稳压电路、电容滤波电路以及稳压二极管VD5的作用后，电解电容C2的+端产生约+15V的直流电。
直流电流过电阻R1,点亮发光二极管（LED），这说明此时外电网220V供电正常。
如果外电网供电中断，整流稳压电路也就失去作用，电解电容C2所存储的电荷通过R1、LED泄放，很快降到0V,所以LED不亮。
当外电网通电时，整流稳压电路产生+15V的直流电，LED灯再次被点亮。
2.3光电耦合电路模块
这部分是可以说整个设计的控制部分，有承前启后的作用。
此模块的主要元件是光电耦合器4N25，它有着特殊的构造，对后面电路有控制作用。
根据前面整流稳压电路所提供的电流，4N25的输出端可以产生电平，这电平控制着后面的振荡电路。
（1）电路构成及工作原理
1电路构成
图2-8光电耦合电路
有电路图看出，光电耦合器4N25的输入端与电阻R2相连，光电耦合器的一引脚接地，其实这是一个发光二极管发光电路。
光电耦合器的一引脚（内部接光敏三极管的集电极）接的是振荡电路部分。
光电耦合器4N25是由发光二极管与光敏三极管封装在一起的。
电路的工作原理可以说是特殊二极管与特殊三极管的联合作用。
整流稳压电路、电容滤波电路所产生的直流电经过R2流过光电耦合器的发光二极管，发光二极管会发光。
光照在光敏三极管的光敏部分，光敏三极管导通，三极管的集电极产生低电平，使与非门的输入端也为低电平，同样经过与非门振荡电路，这时陶瓷片的输入端B为低电平，所以不发声。
当外网220V电压中断，整流电路不能产生直流电，没有电流通过发光二极管，二极管不发光，光敏三极管截止，三极管的集电极产生高电平，同样经过与非门振荡电路，这时陶瓷片的输入端B为高电平，所以发出报警声。
③光敏三极管的工作原理
光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，当有光照射在基区时，激发产生的电子－－空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。
该电流注人发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。
因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。
第三章电路集成块和集成芯片基本功能介绍
本章主要介绍无源停电报警器电路所用到的集成块，下面的小结就是对它们的外部、内部结构、所能实现的功能原理进行相关分析。
集成块有：
2输入端四与非门CD4011集成电路和4N25型光电耦合器。
3.1二输入端四与非门CD4011集成电路
CD4011为二输入正向逻辑与非门。
CD4011提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、塑料双列直插（P）和陶瓷片载体（C）等封装。
1.电路结构
（1）CD4011的内部结构图和管脚排列图
内部结构图管脚排列图
图3-1CD4011内外结构图
（2）组成
CD4011集成电路有四个与非门集成，即单独的4个与非门。
引脚1、引脚2是与非门的输入端，引脚3是输出端；
引脚5、引脚6是与非门的输入端，引脚4是输出端；
引脚8、引脚9是与非门的输入端，引脚10是输出端；
引脚12、引脚13是与非门的输入端，引脚11是输出端。
关于逻辑门中的与非门是经常被应用的，是较为基础的逻辑门。
表3-1与非门逻辑真值表
A
B
Y
0
0
1
1
与非门的特殊作用：
与非门的输出端串接上由电容C和电阻R组成的反馈网络，把输出信号通过反馈网络反馈到与非门的输入端，这样可以形成自激振荡，组成振荡器应用与此电路。
（3）TTL与非门
图为五管TTL与非门典型电路图。
它可以分为三部分：
输入极、中间极（放大区）、输出极三部分
图3-2TTL与非门电路图
a:
输入级：
它由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成,它实现了输入变量A、B、C的与运算。
b:
中间级：
中间级由T2、R2和R3组成，是一个倒相器，从T2的集电极C2和发射极E2上可以分别获得两个相位相反的电压信号，用以供给输出级使用。
c:
输出级：
它是由T3、T4、T6和电组R4、R5组成。
其中T3、T4二管构成复合管，由于复合管T3、T4的基极信号为C2，
3.2光电耦合器4N25
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
1.芯片结构
（1）4N25内部结构图和管脚排列图
内部结构图外部引脚图
图3-34N25光电耦合器内外结构图
内部是一个发光二极管与光敏三极管的组合封装而成，外部为六引脚的集成电路。
它采用双列直插式6脚塑封包装，其中3、6脚为空脚，只用其1、2和4、5四脚，其中2、4脚为接地脚（GND）。
（2）组成
光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。
当在输入端加电信号时，发光器件发光。
这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。
从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。
1发光二极管
发光二极管即LED是应用相当广泛的元件，在电子制作方面经常被用到，发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。
由于本身有可点亮这一特性，常常作为指示灯。
图3-4发光二极管实物、电路符号
从图a）外观上看发光二极管有两个引脚，一长一短，长引脚接正极，短引脚接负极。
图b）是等效成理想情况下发光情景，在实际使用中一定要串接限流电阻。
a.LED发光原理：
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
b.LED的特性参数：
（1）允许功耗:
允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流：
允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压：
所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境:
发光二极管可正常工作的环境温度范围。
②光敏三极管
光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。
通常基极不引出。
它通常和发光二极管一起使用，构成光电耦合元器件，如4N25、4N26、4N27、4N28等。
图3-5光敏三极管原理图
光敏三极管也是靠光的照射量来控制电流的器件。
它可等效看作一个光电二极管与一只晶体三极管的结合，所以它具有放大作用。
其最常用的材料是硅，一般仅引出集电极和发射极，其外形与发光二极管一样。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。
当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号
2.集成芯片的引脚读法
对于一个集成芯片，他一般有很多引脚，而这些引脚的排列必须是有顺序的。
对于常见的双列直插，我们让芯片正面的小点或小空放置在自己的左方，那么这是芯片左下方第一引脚就是顺序上的第一引脚，然后逆时针依次读出引脚位数。
第四章元器件选择及其分析介绍
本章主要介绍无源停电报警器电路所用到的一般元器件，具体包括：
电容、电阻、二极管、扬声器，下面的小节就是对它们的逐一介绍。
4.1电容
电容器是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时。
电容器通常叫做电容。
本电路我们选用的是电解电容和元片电容，它们分别用于滤波、存储电荷、耦合等。
1、电容的选用
（1）选用常识
电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。
在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。
使用电解电容的时候，还要注意正负极不要接反。
揩振回路可以选用云母、高频陶瓷电容，隔直流可以选用、云母、电解、陶瓷等电容，滤波可以选用电解电容。
电容在装入电路前要检查它有没有短路、断路和漏电等现象，并且核对它的电容值。
安装的时候，要使电容的类别、容量、耐压等符号容易看到，以便核实。
（2）主要性能指标
标称容量和允许误差：
电容器储存电荷的能力，常用的单位是F、uF、pF。
电容器上标有的电容数是电容器的标称容量,一般，电容器上都直接写出其容量。
为了简便起见，大于100pF而小于1uF的电容常常不注单位。
没有小数点的，它的单位是pF，有小数点的，它的单位是uF。
如有的电容上标有“332”（3300pF）三位有效数字，左起两位给出电容量的第一、二位数字，而第三位数字则表示在后加0的个数，单位是pF。
2、电容器检测的一般方法
将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大偏度（对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大），接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。
此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。
实际使用经验表明，电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上，否则，将不能正常工作。
4.2电阻
电阻，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。
欧姆定律说，I=U/R，那么R=U/I，电阻的基本单位是欧姆，用字母“Ω”表示。
电阻的主要职能就是阻碍电流流过，并对电路有分压作用，如二极管的电路中经常有电阻起限流作用。
在本实验中电阻全部采用RTX-1/8W型碳膜电阻。
碳膜电阻器常用符号RT作标志，R代表电阻器，T代表材料是碳膜，RTX表示小型碳膜电阻，而1/8W表示电阻的额定功率。
碳膜电阻器的性能特点：
稳定性良好，负温度系数小，高频特性好，受电压和频率影响较小。
（1）电阻的标识
在国际上惯用“色环标注法”。
“色环电阻”占据着电阻器元件的主流地位。
“色环电阻”有的是用４个色环表示，有的用５个。
区别是：
４环电阻，一般是碳膜电阻，用３个色环来表示阻值，用１个色环表示误差。
５环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用４个色环表示阻值，另一个色环也是表示误差。
色环电阻的规则是最后一圈代表误差，对于四环电阻，前二环代表有效值，第三环代表乘上的次方数。
对于五环电阻，前三环代表有效数字，第四换代表几次方。
熟记以下色换代表的有效数值：
棕=1 红=2， 橙=3， 黄=4， 绿=5，
蓝=6， 紫=7， 灰=8， 白=9， 黑=0
对于最后一个色环即误差色环，它主要有三种颜色：
黄金色代表５％的误差，银色代表10%的误差，无色代表20%的误差。
（2）电阻色环法的读数
如有四环电阻，读出它的色环为：
红蓝橙黄。
对照上述规则知R=27*10^3Ω=27KΩ对于五环电阻，读出它的色环：
红棕黄红银。
得出R=21.4K。
在读环过程中谨记环的顺序，不要把环读颠倒，一般看见第一环是黄、银、白，那就读错了，误差换才是这三种颜色。
试着读出本设计所涉及到的电阻。
电阻
色环
实际值
测量值
误差
R1
红黑黑棕
2千欧姆
2.2欧姆
0.2﹪
R2
1.96千欧姆
-0.8﹪
R3
橙黑黑橙
300千欧姆
299.2千欧姆
R4
红红黑黄
2.2兆欧姆
2.23兆欧姆
0.3﹪
R5
红红黑橙
220千欧姆
224千欧姆
1.7﹪
表4-1所用电阻阻值
（3）电阻阻值的测量
电阻的阻值可用万用表的欧姆档测量，欧姆档可分为×
Ω、×
KΩ、×
MΩ。
由于电阻并没有方向性，所以测试阻值时表笔并没有方向，不过在测电路中的的电阻时最好断掉电源，电路中的电流会影响最后测量结果。
4.3二极管
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。
半导体最重要的两种元素是硅和锗，而最常见、最基础的半导体元件就是二极管，它的特性就是单向导电性。
1基本知识
二极管是有PN结构成：
P区是由于原来硅材料中的+4价的硅原子被+3价的原子替代，所以余下大量的空穴，导致P区电子减少形成P型半导体；
N区是由于原来硅材料中的+4价的硅原子被+5价的原子替代，所以余下大量的电子，导致N区空穴减少形成N型半导体；
当在同一块半导体中形成两种半导体时，交界面就发生扩散，形成杂质离子空间电荷区，同时建立内电厂。
当PN结上加偏置电压时，若P区接电源正极，N区接电源负极，则称正偏；
若N区接电源正极，P区接电源负极，则称反偏。
当正偏时PN结呈现很小电阻，阻值近似为0，称为导通；
反偏时，内电场增强，PN结呈现很大电阻，称为截止。
2二极管的特性
常见的几种二极管，有玻璃封装的、塑料封装的和金属封装的等几种。
图4-3是二极管的电路符号，有两个电极，并且分为正负极，一般把极性标示在二极管的外壳上。
图4-1二极管伏安特性曲线图
四个工作区：
死区（正向）、导通区（正向）、反向截止区（反向）、击穿区（反向）
开始时，正向电压较小，电流几乎为零，称为死区，二极管仍处于截止状态。
当正向电压超过一定数值即门槛电压时，电流开始急剧增大，电压处于定值称为导通电压。
硅管的导通电压约为0.7V，鍺管的约为0.3V，称为正向特性曲线。
而在反向特性中，电流很小，不随反向电压的变化而变化，称为反向饱和电流。
当反向电压增加到一数值时，反向电流突然急剧增大，这种现象称为反向击穿。
对应的电压称为反向击穿电压。
3检测小功率晶体二极管
A、判别正、负电极
（a）、观察外壳上的的符号标记。
通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为正极，另一端是负极。
（b）、以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接的一端为正极，红表笔所接的一端则为负极。
4特殊二极管
A.发光二极管：
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核
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