模电课程设计设计制作一频率可调的多波形信号发生器.docx
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模电课程设计设计制作一频率可调的多波形信号发生器
1题目分析………………………………………………………………2
1.1 设计任务………………………………………………………………2
1.2 设计目的…………………………………………………………………2
1.3 课程设计要求……………………………………………………………2
2方案论证………………………………………………………………3
2.1整体思路…………………………………………………………………3
2.2方案论述…………………………………………………………………3
3方案选择………………………………………………………………5
4硬件设计及原理分析…………………………………………………6
5性能测试………………………………………………………………15
6小结与体会………………………………………………………………16
7元件清单………………………………………………………………17
8参考文献………………………………………………………………18
1 题目分析
1.1设计任务
设计制作一频率可调的多波形信号发生器
1.2设计目的
1培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。
2培养学生综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。
3通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。
1.3课程设计要求
1输出电压VO及最大输出电流IOmax（I档:
VO=±12V对称输出,IOmax=100mA;II档:
VO=（+3~+9）V连续可调,IOmax=200mA）;纹波电压VOP-P≤5mV,稳压系数SV≤5×10-3.
2选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（选做：
用PSPICE或EWB软件完成仿真）
3安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
2方案论证
2.1整体思路
为了完成上面所设计的全部指标整机电路分四个部分：
电源变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器
电源变压器:
将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。
整流电路:
将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。
滤波电路:
将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4
稳压电路:
清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。
2.2方案论述
方案一：
整流部分采用一个二极管,利用二极管的单向导电性将交流转化为直流,滤波部分采用电感滤波电路,在整流电路后串入一个电感器,稳压部分,第一档采用由CW7812和CW7912构成的正负12V对称双电源电路,第二档由CW7805组成电路输出正5V直流稳压,第三档由CW7805和电压跟随器组成的输出电压可调稳压电路
构成输出3到9伏电压。
方案二：
整流部分采用单相桥式整流电路,同样是利用了二极管的单向导电性,将交流转化为直流,滤波部分采用电容滤波电路,在整流电路后并入一个电容,稳压部分,第一档和第二档同方案一,第三档采用可调式三端集成稳压器CW317构成的电路输出3到9伏电压。
3方案选择
整流部分采用一个二极管时由于在交流电压一个周期内只有半个周期电压通过二极管,使得交流电压利用率较低,而采用单相桥式整流电路时则不会有这个问题,故宜采用单相桥式整流电路。
滤波部分,采用电感滤波,整流管导电角较大,无峰值电流,输出特性较平坦,一般只适用于低电压大电流场合;采用电容滤波,由于其输出特性较差,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合,但若采用电感滤波,由于铁芯的存在,电路显得笨重体积大,而且易引起电磁干扰,而电容滤波电路就比较简单了,因此采用电容滤波。
稳压部分,由于接有电压跟随器时电路比较复杂,而且电压跟随器成本比较高,不经济,故采用可调式三端集成稳压器CW317构成的电路。
4硬件设计及原理分析
电源部分：
由变压器将220V交流电压转化为合适大小的交流电压,原理如图所示:
输入电压的波形
经变压器降压后的电压波形
整流部分:
整流电路的任务：
把交流电压转变为直流脉动的电压。
常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。
单相半波整流电路:
单相半波整流电路如图所示。
它是最简单的整流电路，由整流变压器、整流二极管D及负载电阻RL组成。
其中u1、u2分别为整流变压器的原边和副边交流电压。
在负载电阻RL得到的是如图所示的单向脉动电压负载上电压平均值和电流平均值:
整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压:
单相桥式整流电路:
单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图（a）所示。
图（b）所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。
无论电压u2是在正半周还是在负半周，负载电阻RL上都有相同方向的电流流过。
因此在负载电阻RL得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图所示。
参数计算
（1）负载上电压平均值和电流平均值。
（2）整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压。
（3）整流变压器副边电压有效值和电流有效值。
半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。
两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。
桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。
因此本电路采用桥式整流电路。
滤波部分：
滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压（或电流）增加时，电容（或电感）把能量储存在电场（或磁场）个；当电源电压（或电流）减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输以电压（或电流）中的脉动成分．得到比较平滑的直流电压。
实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路（包括倒L型、Rc—π型、LC—π型滤波）等。
电容滤波电路
电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。
只有整流电路输出电压大于uo时，才有充电电流iD。
因此整流电路的输出电流是脉冲波。
电容滤波电路的特点：
（1）输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。
RLC愈大→电容器放电愈慢→Uo（平均值）愈大
近似估算:
Uo=1.2U2。
RLC越大→Uo越高→负载电流的平均值越大;整流管导电时间越短→iD的峰值电流越大
2）流过二极管瞬时电流很大。
故一般选管时，取
（3）输出特性（外特性），输出波形随RL或C的变化而改变,Uo和S也随之改变。
结论：
电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。
稳压部分：
三端集成稳压器的内部原理框图如图4—21所示。
可见它也是采用了串联式稳压电源的电路，并增加了启动电路和保护电路，使用时更加可靠。
为了使集成稳压器长期正常地工作，应保证其良好地散热条件，金属壳封装的一般输出电流比较大，使用时要加上足够面积的散片。
集成稳压器的主要参数有：
（1）最大输入电压Uimax，当整流滤波电路输出电压超过Uimax时，可能使稳压器的输出电压不能稳定在额定值。
（2）输出电压UO，三端集成稳压器分为固定正输出和固定负输出两类。
（3）最大输出电流I0max，不同型号的三端集成稳压器Iomax为0.2～2A。
第一档输出正负电压电路如图：
第二档输出正5V电压电路如图：
第三档可调式集成稳压电路如图：
UO=1.2～37V连续可调。
IOM=1.5A，IOmin≥5mA.
CW317的UREF固定在1.2V，IADJ=50
A，忽略不计。
UO=1.2（1+R2/R1）V。
可调式三端稳压器输出连续可调的直流电压。
常见产品有CW317、CW337、LM317、LM337。
317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为1.2～37V，最大输出电流I0max为1.5A。
稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优良等特点。
CW317与CW337系列的引脚功能相同。
单元电路的设计、元器件的选择及其参数值
①选集成稳压器，确定电路形式
选可调式三端稳压器LM317，其特性参数V0=+1.2V～+37V,I0max=1.5A,最小输入输出压降（Vi-V0）min=3V,最大输入输出压降（Vi-V0）max=40V,均满足性能要求其接法如下：
1，2脚之间为1.25V电压基准。
为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。
改变Rp阻值即可调整稳压电压值。
Ci用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激高频震荡和抑制电路引入的高频干扰，输出电容Ci是电解电容，以减少稳压电源输入端由输入电源引入的低频干扰，D用于保护LM317。
组成的稳压电源电路如下图所示。
取R1=240Ω，由式V0=1.25*（1+RP1/R1）可得RP1min=336Ω,RP1max=1.49kΩ，故取RP1为4.7kΩ的精密线绕可调电位器。
②选电源变压器
通常根据变压器的副边输出功率P2来选择（或自绕）变压器。
V0max+（Vi-V0）min≤Vi≤V0min+（Vi-V0）max
9V+3V≤Vi≤3V+40V
12V≤Vi≤43V。
副边电压V2≥V1/1.1取V2≥12/1.1=11V。
副边电流I2≥I0max=0.2A，取I2=0.4A，变压器副边输出功率P2≥I2U2=4.4W。
变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=6.3W。
由上分析，副边输出电压为12V，输出电流为0.4A，为留有余地，一般选择功率为10W的变压器。
③选整流二极管及滤波电容
整流二极管选1N4001，其极限参数为URM≥50V，而√2U2=15.4V，则URM满足要求。
IF=1A，而I0max=0.8A，则IF亦满足要求。
滤波电容C可由纹波电压△V0p-p和稳压系数Sv来确定。
已知V0=9V，Vi=12V,△V0p-p=5mV,Sv=0.005,则△Vi=△V0p-p*Vi/（V0*Sv）=1.3V,则C=Ict/△Vi=1500μF。
电容C的耐压应大于√2U2=15.4V。
故取一只1500μF/25V的电容相并联。
电路总图为：
5性能测试
稳压电源的技术指标分为两种：
一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。
1.输出电压U0和最大输出电流Iomix的测量。
稳压电源正常工作时能输出的最大工作电流，用Iomax表示，一般情况下的工作电流IoIomax时损坏稳压器。
2.输出电压
同时测量Vo与Iomax.测试过程是：
输出端接负载RL,输入端接220V的交流电压数字电压表的测量值为Vo;使RL逐渐减小，直到Vo的值下降5%，此时流经负载RL的电流即为Iomax.
3.纹波电压：
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。
4.稳压系数S的测量
稳压系数：
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：
Sv=（V-Vo）/（Vi/VI）3）电压调整率：
输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
5.输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：
输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。
输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可
系统指标测试
指标
挡数
输出电压
最大输出电流（mA）
纹波电压（mV）
稳压系数
1挡
±12V
100
2挡
+5V
300
三挡
+3~+9V
200
5
5×10-3
6小结与体会
在对集成直流稳压电源进行一周的设计后，使我对电容滤波电路的工作原理有了本质的理解，掌握了集成直流稳压电源的工作原理；并让我初步掌握了pspice的用法以及锻炼了我的动手能力使我不再仅仅局限于课堂上的学习，视野变得开阔了。
通过实战演练，我们了解了该怎样将所学的基本知识运用到实际操作中，让我们认识到看起来其很复杂的电子制作实际上也是由最基本的原理构成的，认真学好书本知识并将他运用到实际中将大大方便我们的生活。
同时，在实际的硬件调试过程中我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！
因此，在这方面的学习应该是任重道远的，我们应该要认真学习基础知识，为更深入的学习做好准备。
同时，我也要感谢在本次课程设计中带领我们的老师，感谢你在实习过程中给予我们的帮助和耐心指导。
7元器件清单
名称
型号
数量
电解电容
2200μF/50V
2
电解电容
10μF/50V
2
电解电容
1μF/50V
1
瓷片电容
0.1μF
4
瓷片电容
0.33μF
3
可调式三端稳压器
LM317
1
5V集成稳压器
CW7805
1
12V集成稳压器
L7812
1
-12V集成稳压器
L7912
1
电阻
240Ω
1
可调电位器
4.7kΩ
1
二极管
1N4001
1
整流桥
2W10
1
电路板
小号
1
电源变压器
14V/20W
1
导线
1.5m
8 参考文献
【1】高吉祥主编模拟电子线路设计电子工业出版社2007
【2】高平主编电子线路设计基础化学工业出版社2007
【3】康华光主编电子技术基础（模拟部分）高等教育出版社2006
【4】邹逢兴主编集成模拟技术电子工业出版社2005
【5】李万成主编模拟电子技术基础实验与课程设计
哈尔滨工程大学车版社
【6】谢自美主编电子线路设计实验测试华中科技大学出版社
2005
本科生课程设计成绩评定表
姓名
陶磊
性别
男
专业、班级
通信工程0701班
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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