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高低电平课程设计

目录

摘要

引言

1、课程设计任务书

2、总体设计方案(画出一个实现电路功能的大致框图)

3、单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明

4、元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算

5、总体电路原理图及其整个电路的工作原理

6、课程设计中的收获和体会

7、参考文献

 

摘要

此报警器可由以下几部分组成,首先要产生输入电压VI:

0~10V的步进电源;第二部分是比较器,将VI与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,即

,电路报警,而

电路不报警,所以这里选用窗口比较器;第三部分则为报警电路。

关键词步进电源比较器报警电路

引言

在我们的日常生活中,经常会用到一些仪器设备只能在一定的输入电压范围内工作,超出此范围,电路工作就不正常。

由于这个原因,就需要对输入电压进行监控。

本课题从教学训练的角度出发,要求设计一个高低电平报警电路。

 

1、课程设计任务书

在日常生活中,经常会用到一些仪器设备只能在一定的输入电压范围内工作,当电压范围内工作,当电压超过此范围,电路就不能正常工作了,因此需要对输入电压进行监控。

要求设计一个高低电平报警电路。

(1)课程设计的基本要求

1设计任务应在规定时间内完成;

2说明书书写工整;

3电路原理图图面清晰,内容准确;

4元件参数计算项目完整,计算说明清楚,计算结果基本正确。

(1)课程设计说明书的格式

1.封面

2.目录

3.正文

1)课程设计任务书

2)总体设计方案(画出一个实现电路功能的大致框图)

3)单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明

4)元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算

5)总体电路原理图及其整个电路的工作原理

4.课程设计中的收获和体会

5.参考文献

(2)技术指标

当输入电压

时电路报警,其中

为0~10V步进电源,步进1V。

(3)设计内容

此报警器可由以下几部分组成:

1.步进电源:

产生0~10V的输入电压V1;

2.比较器:

将V1与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,如电路图当

上边发光二级管亮,如电路图当

下边发光二级管亮,而

电路不报警,此时比较器可选用窗口比较器。

(5)评分依据

1.平时的出勤情况占10%;

2.设计过程中的动手能力占20%;

3.课程设计说明书的总质量(包括课程设计思路是否合理,单元电路正确与否,整体电路是否完整,电路原理说明是否基本正确等)占40%;

4.答辩过程中回答问题的情况占30%。

2、总体设计方案

根据技术要求,此报警电路由以下几个部分组成,首先要产生输入电压V1为0~10v的步进电源;第二部分应是比较器,将V1与报警门限电平相比较,由于该报警器要求有两个门限电平,即如电路图当

上边发光二级管亮,如电路图当

下边发光二级管亮,而

电路不报警,此时比较器可选用窗口比较器。

总体框图:

3、单元电路(各组成部分电路)设计及其原理说明

1.0~10V步进电源的组成如1所示,其中电源变压器,整流电路,滤波电路等部分的设计。

输出

电压

上图为直流稳压电源的组成

步进电源由直流电源和求和电路组成,而直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路和加法电路5部分组成。

由于要求输出0~10V步进电源,在此选用三端可调输出集成稳压器LM317,LM317输出电压范围为1.25V~37V,为了能满足技术要求输出0~10V,可再选用一片LM337(输出-1.25~-37V),使之输出-1.25V,与LM317的+1.25V相加,从而使输出电压达到0V。

 

V01

V0

 

V02

 

该电路由整流部分、滤波部分、稳压部分和同相加法器组成。

整流部分的作用:

实际是将变换后的交流电压转变为单方向的脉动电压。

直流电路的任务是将交流点变为直流电。

完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用。

因此二极管是整流电路的关键元件。

滤波电路的作用:

对整流电路输出的脉动直流进行平滑,使之成为含交变成份很小的直流电压。

滤波电路用于滤去输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成。

由于电抗元件在电路中有储能作用,并联的电容C在电源供给的电压升高时,能把部分能量存储起来,而当电压降低时,就能把能量释放出来,使负载电压比较平滑,即C具有平波作用。

三端可调输出集成稳压器LM317的作用:

它的内部电路有比较放大器、偏置电路、电流源电路和带隙基准电压VREF等,它的公共端改接到输出端,器件本身无接地端。

所以消耗的电流都从输出端流出,内部的基准电压接至比较放大器的同相端和调整端之间。

它的特点是输出电压连续可调,调节范围较宽。

R2的大小根据输出电压调节范围确定。

C2和C6是用来实现频率补偿、防止稳压器长生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。

C3、C4和C7是用来减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

同相加法器的作用:

该电路是求和电路,

从同相输入.

参数计算:

图中用4个开关的不同组合方式来调节LM317的输出电压V01,已知VREF是LM317的基准电压,其值为VREF=1.25V,且VO=VREF(1+R2/R1),

所以

改变

即可改变

,根据上式,可以很容易的推导出四个开关不同的闭合方式下Vo1的值。

理论值

闭合开关序号

实际测量值(V)

R2阻值(Ω)

实际测量值(Ω)

V01

(V)

V02

(V)

1.25

-1.25

1,2,3,4

0.19

0

0.15

2.25

-1.25

2,3,4

1.19

80

82

3.25

-1.25

1,3,4

2.1

160

156

4.25

-1.25

3,4

2.94

240

238

5.25

-1.25

1,2,4

4.24

320

330

6.25

-1.25

2,4

5.11

400

412

7.25

-1.25

1,4

6.15

480

486

8.25

-1.25

4

6.9

560

568

9.25

-1.25

1,2,3

7.91

640

636

10.25

-1.25

2,3

8.71

720

718

11.25

-1.25

1,3

9.8

800

792

理论值:

R1=80Ω,R2=160Ω,R3=320Ω,R4=640Ω

实验数据:

R1=82Ω,R2=156Ω,R3=330Ω,R4=636Ω

由于R2的取值范围是(0~1200)

,根据上面的公式计算得

的取值范围是:

1.25(1+0)V~1.25(1+800/100)V,即

=(1.25~11.25)V。

而LM337的输出Vo2始终为1.2V。

A1组成同相加法器,根据电路图,由虚短和虚断的概念可得:

------------①

---------------------------------------②

----------------------------------------------------③

3个方程式联立得

的范围可得

的变化范围是(1.25~11.25)V。

其它电阻和电容的大小由经验可得。

 

2窗口比较器的设计与报警电路的设计

电路如图(a)所示,传输特性如图(b)所示。

根据技术要求,UL应为

,UH应为

取R1=R2=R3=15K可满足技术要求,工作过程如下:

当VI>UH时,LED1导通并发光,Vo为低电平

当VI

当UL

电路如图(a)

传输特性如图(b)

4、元器件的选择及其相关技术数据,参数的计算

1.LM317器件

LM317的输出电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。

它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比.LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。

特性简介

可调整输出电压低到1.2V。

保证1.5A输出电流。

典型线性调整率0.01%。

典型负载调整率0.1%。

80dB纹波抑制比。

输出短路保护。

过流、过热保护。

调整管安全工作区保护。

标准三端晶体管封装。

电压范围

  LM3171.2V至37V连续可调。

其封装形式如下:

 

调制

输出

输入

     

绝对最大额定值

符号

参数

单位

VI-O

输入-输出电压差

40

V

IO

输出电流

内部限制

Top

工作结温

LM117

-55到150

LM217

-25到150

LM317

0到125

Ptot

功耗

内部限制

Tstg

储存温度

-65到150

LM317工作原理:

LM317的输入最同电压为30多伏,输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。

LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。

输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容.

LM317内部原理图:

 

LM317标准应用电路图

2.LM337器件

 LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V,负载电流最大为0.4~2.2A。

它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

  通常LM337不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM337输入端的连线超过6英寸(约15厘米)。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

  LM337能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM337的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。

  为前置级音响电路、精密电路、电子制作等对电源要求实现高精度供电的电路,其内阻小,电压稳定,噪音极低,输出纹波小(输出端仅用100uf),能有效的保证电路的高度稳定工作,提高瞬态特性和高频特性。

特性简介

  典型线性调整率0.01%。

典型负载调整率0.1%。

80dB纹波抑制比。

输出短路保护。

过流、过热保护。

调整管安全工作区保护。

输入输出最小压差降为0.2V。

功能与LM317差不多,只是是LM317的反向输出。

 

附封装的引脚识别图:

输入

调制

输出

LM337工作原理:

LM337的输出电压范围是-1.2V至-37V,负载电流最大为0.4~2.2A。

它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM337内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

3.LM324器件

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。

每一组运算放大器有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。

两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。

可工作在单电源下,电压范围是3.0V-32V或16V.

特性简介:

短跑保护输出,真差动输入级,可单电源工作:

3V-32V,低偏置电流:

最大100nA,每封装含四个运算放大器,具有内部补偿的功能,共模范围扩展到负电源,行业标准的引脚排列,输入端具有静电保护功能。

运算放大器如下:

LM324引脚图如下:

 

部分功能:

LM324应用作比较器

  当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB,既10万倍)。

此时运放便形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。

当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。

  附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器,电阻R1、R1ˊ组成分压电路,为运放A1设定比较电平U1;电阻R2、R2ˊ组成分压电路,为运放A2设定比较电平U2。

输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间,当Ui>U1时,运放A1输出高电平;当Ui<U2,则当输入电压Ui越出[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这便是一个电压双限指示器。

  若选择U2>U1,则当输入电压在[U2,U1]区间范围时,LED点亮,这是一个“窗口”电压指示器。

  此电路与各类传感器配合使用,稍加变通,便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

 

5、总体电路原理及整个电路的工作原理

比较电路

6、课程设计中的收获和体会

两个星期的课程设计就这么的结束了,虽然只是短短的两个星期,但是学到的东西并不比两个星期的理论课学到的少,而是更多。

这两个星期的学习让我们学到了很多课堂上学不到的东西。

比如说独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高等等。

这些都是完成一件事必不可少的,让我受益匪浅。

以前我们只是学的一些理论知识,可以这么说,光有理论知识是远远不够的,只有把理论知识跟实践相结合起来。

这次的课程设计就是这样。

由于是第一次做课程设计嘛,所以做的过程中,遇到很多的问题,由于线比较的细,在做线路的过程中,不是太好弄,线做的有点弯弯曲曲的,不是那么的美观,还有就是插元器件时,有些排布的有点密,老师说如果电路有错的话,元器件会烧坏,由于排布比较密,可能靠近的也会烧坏,基于安全等因素,排布不能太密。

在我们检验电路板的过程中,也不是太顺利,第一次去的时候电路一个正确的现象都没出现,这对我们打击非常的大,老师说让我们好好的检查一下。

第二次验电路板时,稳压器lm317、lm337端输出的电压都不对,lm337端的输出电压应该是负值,但是测出来的却是正直,有点匪夷所思。

最后老师给我们检查了一下电路,发现稳压器lm337控制端没有接地,才会出现这种怪现象。

有了前2次的失败,我们把电路接了地,然后又仔细的检查了一遍。

第三次检验电路板时,基本都正确了,lm317端输出电路是1.25v左右,lm337端是-1.25v。

步进电路也正确了,可以从0v~10v调出来,只是有点小小的误差,可能是电阻选择上有点小误差,然后窗口比较电路跟报警电路也实现了输出电压>8v和<4v时报警电路led灯会亮报警,在输出4~8之间的电压时报警电路led灯不亮,也就是不会报警。

看到了我们2个星期幸苦做出来的电路板成功了,我们的心里真的很高兴。

最后老师让我们把电路板稍微调整一下,把误差降低。

可能接线处,与电路板没有很好的接触,导致阻抗大了,导线的电阻就大了。

高低电平报警电路终于完成了,其中有过成功,有过失败,有我们洒下的汗水,有老师的孜孜教诲。

在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。

既然发现了问题,就要改正嘛。

2个星期的课程,很艰辛,但是我做的很快乐,能够成功,不是只靠自己,有伙伴有老师的帮助,老师对我们的帮助,我是记忆犹新,在验电路板时,老师很认真的给我们检验,出现问题时,老师还会很用心的检查原因,有些女生不敢调节开关时,也是老师帮她们调的,老师对我们真的是很用心,很感谢老师。

希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!

 

7、参考文献

1.《武汉理工大学学报(信息与管理工程版)》1998年第02期作者:

郑建彬,周伟,曾翠林

2.《电子技术基础》模拟部分【M】第五版高级出版社康华光主编

3.《运算放大器原理与应用》【M】科学出版社2005蔡锦福主编

4.《快速学会认电子元器件》第一版人们邮电出版社门宏

5.《XX文库》即网上的资料查询及分析应用

6.《常用电子测量仪器的使用》电子工业出版社1999鲁特金著

7.《数字万用表的原理使用与维修》电子工业出版社1988沙古友沙古著

 

元件名称

参数

个数

电解电容

100uf

3

电解电容

470uf

2

电容

0.1uf

2

电阻

80

1

电阻

100

2

电阻

160

1

电阻

320

1

电阻

640

1

电阻

15k

7

电阻

100k

5

电阻

300k

1

运算放大器

LM324

1

稳压块

LM317

1

稳压块

LM337

1

发光二级管

LED-RED

2

8、元件详细清单

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