中等职业学校电子技能竞赛考题学生组资料.docx
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中等职业学校电子技能竞赛考题学生组资料
2014年中等职业学校电子技能竞赛考题（学生组）
考题名称：
简易UPS不间断电源
完成时间：
4小时
目录
一、电路说明部分
1.1电路原理简介
1.2电路主要元器件介绍
1.3装配及调试说明
二、考题答卷部分
2.1电子产品装配
30分
2.2原理分析及参数测试
25分
2.3电子产品功能测试
30分
三、电路设计软件Portel应用部分
15分
备注：
请参赛选手认真审题后，再焊接组装。
考号：
工位号：
一、电路说明部分
1、1电路原理简介
1、产品功能
不间断电源（以下简称UPS）在我们日常生活中随处可见，如学校、企业、银行和机关单位的等，UPS主要作用是在市电停电时，能够继续为不能断电的设备继续提供电能，为用户争取时间停止设备。
这里为同学们展现的是一种简单的UPS电路，其主要目的是了解UPS电源的工作原理，电路中J2为交流电源输入端，J1为不间断电源输出端，考虑到装调人员的人身安全，这里的系统工作电压为AC30V。
2、电路工作原理
UPS电源主要由以下电路组成：
正弦波振荡器、限幅放大器、前置驱动、功率放大器、升压变压器、开关机控制电路、双电源切换电路、失电检测电路、失电报警电路、过流检测保护电路、手动开关机控制电路等，组成框图见图1，电路原理图见图2。
图1UPS电源组成图
正弦波振荡电路：
正弦波振荡电路为文氏桥振荡器，C1/C2/R1/R22/RP5组成选频电路，调节RP5可调整振荡电路的振荡频率，R3/R4/RP2组成正反馈电路，为振荡电路提供必要的电压增益，调节RP2可调整电路的正反馈量。
限幅放大电路：
限幅放大电路是为反比例运算放大电路，由R13/R25/R26/RP6/U1B组成，调节RP6可改变电路的放大倍数。
开关机控制：
开关机控制电路由继电器K1作为执行部件，当继电器吸合时，限幅放大器输出的信号对地短路，后级电路停止工作达到关机目的。
前置驱动：
前置驱动电路为电压跟随器，由U1C组成此电路不起放大作用，只为驱动功率放大电路，为功率管提供足够的驱动电流。
功率放大电路：
功率放大电路采用简单的OCL功放电路，由R30/R31/R32/R33/R34/Q6/Q7组成，正半周Q7工作，负半周Q6工作，R34为电流取样电阻，电流越大其端电压越高。
升压变压器：
升压变压器为普通的工频变压器，电路组成元件为T1/RV1/R2/LED4/D9组成，RV1为压敏电阻，其标称值为36V，此电阻为过压保护电阻，防止因电压过高伤及人身安全，R2/LED4/D9为升压电路的工作指示，当指示灯点亮时证明升压电路已开始工作。
输出切换电路：
输出切换电路由D1/C13/K2组成，K2为双刀双掷的继电器，线圈工作电压为DC24V，D1和C13为整流滤波电路为K2提供工作电源，当输入的AC24V电压存在时，K2吸合输出自动切换到常用电源，不纯在是，输出切换到由升压电路提供的电源。
电源检测：
电源检测电路由R35/D10/C17/U4组成，当输入电源AC24V存在时，光电耦合器U4导通，控制继电器K1吸合，升压电路停止工作，当无电源输入AC24V存在时，U4截止不参与对K1的控制，此时失压告警电路开始报警。
失压告警电路：
失压告警电路由2个多谐振荡电路组成，R8/C6/U5D/U5E组成音频振荡电路，振荡频率约为2kHz，U5F和R21为振荡电路的输出隔离电路。
R29/C8/U5A/U5B组成周期为2Hz间隙振荡电路，通过U5C和R20隔离后由Q4调制音频信号，D7/D6/Q3/R13/Q15组成报警音控制电路。
过流保护电路：
过流保护电流由取样电阻、三极管放大电路、检波电路、电压比较电路和锁存电路组成。
R34为取样电阻。
R28/R17/RP4/C16/C12/C11/Q1组成放大电路，将取样电阻的电压进行放大，调节RP4可调整放大电路的静态点。
D8和C11组成检波电路，将交流信号转换成直流电压。
RP3/R16/R15/R27/U1D组成电压比较器，调整RP3可设置比较器的参考点电压。
U3A/R9/C9/S1组成过流锁存电路。
LED1和R6组成过流保护指示电路，LED1点亮时过流保护启动。
手动开关机电路：
C15/R10/R11/S2/R24/LED2/U3B组成手动开关机电路，U3B为D触发器，按一次S2输出翻转一次，U3B的输出端Q通过D4控制开关机电路。
3、电路目的
将±12V通过J3接入，AC24V通过J2接入，J1为电压输出端，LED5为输出指示灯。
A、开启±12V电源，关闭AC24V电源。
输出端电压为30V±2V；喇叭BT1发出滴滴滴…..的报警音；按S1键可开关机，关机后输出为0V；短接输出端，保护电路启动，电路停止工作，输出为0V
B、开启±12电源，开启AC24V电源。
输出端电压J1=输入端电压J2，报警音消失。
C、关闭±12电源，开启AC24V电源，输出端电压J1=输入端电压J2，报警音消失。
图2电路原理图
4.PCB元件布置图，详见图3和图4
图3顶层元件布置图
图4底层元件布置图
5.元件清单
序号
名称
规格
代号
封装
序号
名称
规格
代号
封装
1
色环电阻
1kΩ
R32
AXIAL0.3
51
电解电容
10uf/50V
C12
RB2.5/5
2
色环电阻
1kΩ
R33
AXIAL0.3
52
电解电容
10uf/50V
C9
RB2.5/5
3
色环电阻
1Ω/1W
R34
AXIAL0.5
53
电解电容
100uf/25V
C19
RB4/7
4
色环电阻
3kΩ
R4
AXIAL0.3
54
电解电容
100uf/25V
C20
RB4/7
5
色环电阻
4.7k
R24
AXIAL0.3
55
独石电容
0.1uf
C3
RAD0.2
6
色环电阻
4.7kΩ
R7
AXIAL0.3
56
独石电容
0.1uf
C4
RAD0.2
7
色环电阻
4.7kΩ
R6
AXIAL0.3
57
独石电容
0.1uf
C2
RAD0.2
8
色环电阻
4.7kΩ
R5
AXIAL0.3
58
独石电容
0.1uf
C7
RAD0.2
9
色环电阻
10k
R35
AXIAL0.3
59
独石电容
0.01uf
C16
RAD0.2
10
色环电阻
10kΩ
R10
AXIAL0.3
60
独石电容
0.1uf
C5
RAD0.2
11
色环电阻
10kΩ
R13
AXIAL0.3
61
独石电容
0.1uf
C8
RAD0.2
12
色环电阻
10kΩ
R16
AXIAL0.3
62
独石电容
0.1uf
C1
RAD0.2
13
色环电阻
10kΩ
R18
AXIAL0.3
63
贴片电容
0.1uf
C6
0805
14
色环电阻
10kΩ
R12
AXIAL0.3
64
二极管
1N4007
D11
1N4001
15
色环电阻
10kΩ
R17
AXIAL0.3
65
二极管
1N4007
D10
1N4001
16
色环电阻
10kΩ
R9
AXIAL0.3
66
二极管
1N4007
D9
1N4001
17
色环电阻
10kΩ
R15
AXIAL0.3
67
二极管
1N4148
D3
DIODE7.75
18
色环电阻
10kΩ
R14
AXIAL0.3
68
二极管
1N4148
D6
DIODE7.75
19
色环电阻
10kΩ
R11
AXIAL0.3
69
二极管
1N4148
D5
DIODE7.75
20
色环电阻
20kΩ
R22
AXIAL0.3
70
二极管
1N4148
D7
DIODE7.75
21
色环电阻
22kΩ
R2
AXIAL0.3
71
二极管
1N4148
D2
DIODE7.75
22
色环电阻
22kΩ
R1
AXIAL0.3
72
二极管
1N4148
D8
DIODE7.75
23
色环电阻
22kΩ
R3
AXIAL0.3
73
二极管
1N4148
D4
DIODE7.75
24
色环电阻
47kΩ
R23
AXIAL0.3
74
二极管
1N4148
D1
DIODE7.75
25
色环电阻
47Ω
R36
axial0.3
75
二极管
1N4007
D12
1N4001
26
色环电阻
100kΩ
R27
AXIAL0.3
76
发光二极管
M3红色
LED2
LED0.1
27
色环电阻
100kΩ
R28
AXIAL0.3
77
发光二极管
M3红色
LED3
LED0.1
28
色环电阻
100kΩ
R25
AXIAL0.3
78
发光二极管
M3红色
LED4
LED0.1
29
色环电阻
100kΩ
R26
AXIAL0.3
79
发光二极管
M3红色
LED1
LED0.1
30
色环电阻
200kΩ
R30
AXIAL0.3
80
发光二极管
M3红色
LED5
LED0.1
31
色环电阻
200kΩ
R31
AXIAL0.3
81
贴片三极管
1815
Q5
SOT-23/C1815
32
贴片电阻
4.7kΩ
R8
0805
82
贴片三极管
1815
Q3
SOT-23/C1815
33
贴片电阻
10kΩ
R20
0805
83
贴片三极管
1815
Q4
SOT-23/C1815
34
贴片电阻
10kΩ
R21
0805
84
三极管
1815
Q1
TO-92C/C1815
35
贴片电阻
10kΩ
R19
0805
85
三极管
1815
Q2
TO-92C/C1815
36
贴片电阻
100kΩ
R29
0805
86
三极管
D772
Q6
D882
37
压敏电阻
7D390
RV1
RAD0.3
87
三极管
D882
Q7
D882
38
可调电位器
10kΩ*2
RP5
KT
88
集成电路
4013
U3
DIP14
39
可调电阻
10kΩ
RP1
VR3362
89
集成电路
40106
U5
SOP-14
40
可调电阻
10kΩ
RP4
VR3362
90
集成电路
LM324
U1
41
可调电阻
10kΩ
RP3
VR3362
91
接线端子
CON2
J1
2-5.08
42
可调电阻
10kΩ
RP2
VR3362
92
接线端子
CON2
J2
2-5.08
43
可调电阻
50kΩ
RP6
VR3362
93
接线端子
CON3
J3
3-5.08
44
电解电容
1uf/50V
C18
RB2.5/5
94
光耦
PC817
U4
DIP4
45
电解电容
10uf
C17
RB2.5/5
95
继电器
MR62-24USR
K2
8JJDQ
46
电解电容
10uf/25V
C15
RB2.5/5
96
继电器
SRSB-12VDC
K1
JH23F
47
电解电容
10uf/50V
C11
RB2.5/5
97
按键
6*6mm
S2
6*6KEY
48
电解电容
10uf/50V
C10
RB2.5/5
98
按键
6*6mm
S1
6*6KEY
49
电解电容
10uf/50V
C14
RB2.5/5
99
变压器
12V/36V3W
T1
12/1.5W变压器
50
电解电容
10uf/50V
C13
RB2.5/5
100
扬声器
8Ω/0.5W
BT1
8/28
表1
1.2电路主要元器件介绍
1、运算放大器LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，其内部包含4组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运算放大器相互独立，引脚及内部方框图如图5所示，LM324具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。
图5
2、双D触发器CD4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及（Q非）输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
引脚图见图6，真值表见表2。
图6表2
3、6非门CD40106（输入带施密特触发）
CD40106型是在输入级具有施密特触发功能的反相器。
在输入波形的上升段和下降段，其阀值电压不同。
CD40106的引脚图如图7。
图7
4、变压器
变压器采用普通工频变压器，初级为12V,次级为36V,外形见图8。
图8
侧视图高压侧低压侧
压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。
它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示，图9是外形图，图10为电路图形符号。
5、压敏电阻
图10
图9
1.3装配及调试说明
1、焊接说明
A、变压器焊接时应注意高压端和低压端，低压端12V焊接在三极管Q6/Q7侧，高压端36V焊接在继电器输出侧；
B、可调电位器RP5金属部分需接地。
2、调试方法
A、调试前的准备工作
通过J3端子接入+12V、-12V和GND工作电源（注意电源极性）。
通过J2端子接入AC24V。
将RP1调整至接地端，即输出电压为0处；将RP6的电阻值调节到最小位置；将RP4的阻值调节到最小位置。
完成以上步骤后可将±12电源接通。
B、开关机控制电路：
开关机控制电路的执行部件为K1，当K1吸合时由U1B输出的信号对地短接，升压电路无法工作。
继电器K1由3个单元电路进行控制，分别为手动开关机电路、过流检测电路和交流电源检测电路，要调试其他电路前，应将先将以上3块电路调试正常，使K1处于断开状态。
手动开关机电路调试：
手动开关机电路以D触发器为核心，数据输入端D与输出端Q相连，S2作为D触发器的时钟信号，当S2按下时电路翻转一次，当LED2熄灭时，U3的13脚输出为低电平，手动开关机电路不参与对K1的控制。
过流检测电路：
在此处先不介绍过流检测电路的调试方法，其主要目的是先将过流检测电路关闭，使过流检测电路不参与对K1的控制，关闭过流检测电路的方法，首先调节RP4使Q1电压为最小值（一般为1V以下）。
其次调节RP3使RP3动触点的输出电压为12V。
最后按下S1键使LED1熄灭，此时U3A的1脚输出为低电平，证明过流检测电路未参与对K1的控制。
交流电源检测电路：
先不接入AC24V电源即交流电源检测电路不参与对K1的控制。
总之在调试升压电路之前应使K1处于断开状态！
！
！
C、正弦波振荡电路调试。
通电前请将RP1调整到最小点，即RP1的动触点输出电压为0V。
接通±12V电源，用示波器测量U1的1脚，观察电路是否起振，若未起振调节RP2使电阻减小增大正反馈量，使电路起振。
若输出的正弦波失真了，调节RP2使电阻增大减小失真度。
调节RP5可改变电路的振荡频率。
在调试振荡电路时通过调整RP5和RP3使电路输出频率为50Hz±1Hz的标准正弦波。
D、放大和升压电路调试。
调节RP6使等效电阻值最小，调节RP1使RP1输出端的正弦波峰值电压为2V。
检查压敏电阻RV1是否焊接正确。
接入±12V电源断开AC24V电源，用万用表测量J1电压，此时调节RP6使J1的输出电压为AC30V。
注意：
此电路调试时K1不能处于吸合状态，导致K1吸合升压电路将停止工作。
E、交流电源检测和输出切换电路调试：
当AC24V接入时，D10和C17组成整流滤波电路，为光耦U4初级供电，光耦初级通电后次级导通，电流通过光耦次级通过D2使三极管Q2导通继电器K1吸合，此时升压电路关闭。
AC24V接入时，继电器K2吸合，交流输出端J1通过继电器K2的常开触点与J2接通；当AC24V未接入时继电器K1、K2断开，此时升压电路开始工作，由升压电路产生的交流电源通过K2的常闭触点输出到J1。
F、交流电源失电告警电路：
失电告警电路由U5和相关的外部元件组成，当AC24V接入时，光耦U4次级导通，三极管Q3导通，音频振荡电路和间歇振荡电路输出的信号通过二极管D6和D7对地短路，此时喇叭不发出声音证明交流电源存在。
当AC24V为接入时Q3截止，通过间歇信号通过Q4调制音频信号使喇叭发出滴滴滴…..的声音，告知使用者停电了。
G、过流检测电路调试：
先按S2键关闭升压电路，R17/R28/C16/C12/RP4/Q1组成的三极管基本放大电路，调节RP4可改变电路的静态工作点，调节RP4使三极管C极电压为3±0.5V。
RP3为比较器的参考电压设置点，调节RP3可调整过流保护的启动值。
D触发器U3A和S1/C9/R9组成的过流保护锁存电路，S端为逻辑1时输出端Q为1，R端为逻辑1时输出端Q为0，S1作为过流保护后的清除按键。
若电流过大超出设定值比较器输出为1，此时D触发器U3A输出端Q输出为1，通过二极管D3使K1吸合关闭升压电路，从而起着过流保护的作用，升压电路关闭后取样电阻R34无电压信号，比较器输出为逻辑0，但此时D触发器输出Q仍然为逻辑1，只能通过按下S1键使输出清零，从其启动升压电路。
H、LED指示说明：
LED1过流保护指示灯，点亮时表示过流保护启动；
LED2手动开关机指示灯，点亮时表示关机；
LED3电源指示灯，点亮时表示DC12V工作电源正常；
LED4升压电路工作指示灯，点亮时表示升压电路已输出交流电压；
LED5输出指示灯，电路时表示交流电源输出端J1输出正常。
3、整机试验
图1
J3接入±12V电源，J2接入AC24V电源，此时J1电压等于J2电压，升压电路停止工作，当断开AC24V电压时，喇叭发出滴滴滴…..的报警音，J1的电源等于30V，按下S2键可开关J1输出的30V电压，当J1输出端短路时LED1点亮J1输出电压等于0V，短路消除后按下S2键J1从新输出30V电压。
二、考题答卷部分
2.1电子产品装配（30分）
元件包中大概有30%的多余材料用于筛选，请根据电路原理图和元材料清单筛选出合适的原材料，并完成2.2项的元件测试报告。
元件焊接标准及工具的使用标准见下表：
内容
技术要求
配分
评分标准
得分
元器件引脚
1、引脚加工尺寸及成形应符合装配工艺要求
4
1、检查成品，不符合要求的，每处每件扣0.5分/件。
2、根据监考记录，工具的不正确操作，每次扣0.5分。
元器件安装
2、元件高度及字符方向应符合工艺要求
3、元件安装横平竖直
4、电路板底层安装贴片元件
6
焊点
5、焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光滑、圆润、干净，无毛刺
6、焊盘不应脱落
7、修脚长度适当，一致，美观
9
安装质量
8、集成电路、二三极管等及导线安装均应符合工艺要求
9、元器件安装牢固，排列整齐
10、无烫伤和划伤，整机清洁无污物
6
常用工具的
使用和维护
11、电烙铁的正确使用
12、钳口工具的正确使用和维护
13、万用表正常使用和维护
14、毫伏表正常使用和维护
15、示波器正常使用和维护
5
2.2参数测试（25分）
1、筛选元件（10分）
将下表中涉及元器件检测结果填入表中。
注意：
质量判定填写“可用”、“断路”、“短路”、“漏电”。
所使用的万用表型号为:
____________________________
元器件
识别及检测内容
配分
评分标准
得分
电阻器
R1
标称值（含误差）
测量值
测量档位
每支1分
错1项，该电阻不得分。
电容器
C1
标称值（µf）
介质
质量判定
每支1分
错1项，该电容不得分。
二极管
D10
正向
电阻
反向
电阻
测量档位
质量判定
每支1分
错1项，该二极管不得分。
三极管
Q7
画外形示意图
标出管脚名称
电路符号
质量判定
每支1分
错1项，该三极管不得分。
继电器
K2
画外形示意图
标出管脚名称
线圈电阻
质量判定
每支1分
错1项，该可调电阻不得分。
光耦
U4
画外形示意图
标出管脚名称
电路符号
质量判断
每支1分
错1项，该蜂光耦不得分。
元件挑选
全部元器件
元件应用正确
2分
检查电路板上安装的元件，装错、漏装或操作损坏元件扣0.5分/件。
万用表的
使用和维护
万用表正常使用和维护
操作全过程中，对万用表的使用逐工位检查
2分
各项操作方法不当及错误操作手法扣0.5分/项
2、电路原理分析和参数测试（共15分，每空0.5分）
（1、电阻R35的作用是什么。
（2、可调电阻RP4的作用是什么。
（3、电容C14的作用是什么。
（4、由U1B和外围元件组成的什么电路（反比例运算放大电路，同比例运算放大电路，电压比较器）。
（5、三极管Q6/Q7和外围元件组成什么功率放大电路（OTL、OCL、BTL）。
（6、压敏电阻RV1的作用是什么（过压保护、限流、滤波）。
（7、二极管D4/D3/D2组成什么逻辑关系（与、或、异或）。
（8、三极管Q4工作于什么状态（放大、开关、检波）。
（9、三极管Q1工作于什么状态（放大、开关、检波）。
（10、U1D和外围元件组成（反比例运算放大电路，同比例运算放大电路，电压比较器）。
（11、二极管D7的作用是（整流、开关隔离、钳位）。
（12、二极管D10的作用是（整流、开关隔离、钳位）。
（13、二极管D1的作用是（整流、开关隔离、钳位）。
（14、电容C18的作用是（滤波、耦合、振荡）。
（15、三极管Q2的C极和E极击穿升压电路将（停止工作、正常工作、输出电压降低）。
（16、若三极管Q3的C极和E极开路告警电路将发出滴滴滴……报警声（正常、连续、始终不）。
（17、正弦波振荡电路中的C2增大，其振荡频率（增大、减小）。
（18、音频振荡电路中的R8减小，其振荡频率（增大、减小）。
（19、当升压电路工作时R34两端电压为V。
（20、当升压电路正常工作时
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