电子工程设计实验报告

题目：稳压电源、变送器（与驱动器）电路

电子工程设计报告

设计

专业：自动化 小组：第六组

姓名学号：

指导教师：

完成日期：2012.10.23

摘要

本学期电子工程设计实验包括上下两个学期进行,本学期我们所要完成的实验包括三部分内容:直流稳压电源，温度变送器的设计制作，以及驱动电路*的设计（带*为选做）。

实验流程分为设计和制作&调试两部分：

设计：利用protel99se软件设计电源和变送器的原理图，通过软件自动布线功能用原理图制作出PCB版图。

制作&调试：将实验元件按照设计图合理布局，正确插放并焊接。 电源调试：用万用表对电源三个不同输出电压测量，得到的电压与理想值相同。

变送器调试：测量0～100℃间等间隔温度下（10℃）对应的输出电压值，通过调节相应电位器使之在0～5V间尽量满足线性关系。

经调试，我组的电源,变送器以及驱动电路均达到设计要求。

目录

一、课题背景-------------------------------------------------------------4 二、实验简述-------------------------------------------------------------4 三、电路设计及原理分析---------------------------------------------------4 （一）稳压电源-----------------------------------------------------------4 1、设计思路---------------------------------------------------------4 2、电路框图---------------------------------------------------------5 3、基本要求---------------------------------------------------------5 4、稳压电路基本形成及工作原理---------------------------------------5 （1）集成线性稳压电源的工作原理图设计------------------------------5 （2）稳压电源的工作原理--------------------------------------------6 （3）焊接电路板实物图----------------------------------------------6 （二）变送器电路---------------------------------------------------------7 1、设计思路---------------------------------------------------------7 2、电路框图---------------------------------------------------------7 3、基本要求---------------------------------------------------------8 4、变送器基本形式及工作原理-----------------------------------------8 （1）变送器的工作原理----------------------------------------------8 （2）变送器电路的参数计算-----------------------------------------8 （3）变送器的工作原理图设计----------------------------------------8 （4）焊接电路板实物图----------------------------------------------9 四、调试过程及分析-------------------------------------------------------10 1、调试过程----------------------------------------------------------10 (1)稳压电源电路板--------------------------------------------------------------------------10 （2）温度变送器电路板----------------------------------------------10 2、测试数据----------------------------------------------------------10

（1）电源电路------------------------------------------------------10 （2）变送器电路----------------------------------------------------10 3、误差分析---------------------------------------------------------10 五、出现的问题分析及解决-------------------------------------------------11 六、选作题：驱动器-------------------------------------------------------12 1、基本要求----------------------------------------------------------12 2、驱动电路的基本形式和工作原理----------------------------------12 3、调试---------------------------------------------------------14 4、问题--------------------------------------------------------------14 七、结论-----------------------------------------------------------------14 八、心得体会与建议-------------------------------------------------------14 九、附录-----------------------------------------------------------------15 十、致谢-----------------------------------------------------------------18 十一、参考文献-----------------------------------------------------------18

一、课题背景

本项目致力于解决“小型温度测量与控制系统”中电源部分与变送器部分电路设计。电源电路需要满足输入9V交流与14V交流，输出直流+5V与±12V要求。变送器电路需要满足对于0~100℃温度相应输出电压0~5V要求。同时达到低污染、低功耗、高效率等指标。从而更好的构架后续电路，使整个系统能够得到实现。

二、实验简述

本项目需要设计两部分电路。第一部分为电源，电源需要满足输入9V交流与14V交流，输出直流+5V与±12V要求，并能够为整个系统提供电源，需要供电稳定持久。第二部分为变送器，变送器需要满足对于0~100℃温度相应输出电压0~5V要求，将AD590送过来的信号在数值上减去273并转换为电压信号，送至A/D转换完成系统控制器的信号采集与转换。

三、电路设计及原理分析

一．稳压电源 （1）设计思路

由需求分析可知若要实现电源部分功能，电源电路由三部分构成：变压器、整流电路和稳压电路。变压器：将市电交流电压变成所需要的低压交流电。整流器：将交流电变为直流电。稳压器：将部分定的直流电压经滤波后，变成稳定的直流电压输出。稳压电源技术指标分为：特性指标及质量指标。特性指标：输出电压、输出电流和电压调节范围。质量指标：稳定度、输出电阻、纹波电压及温度系数。

（2）电路框图

(3) 基本要求

交流输入：~9V ~14V×2 直流输出：+5V ±12V

变 压 器 整 流 器 稳 压 器 （4）稳压电路基本形式及工作原理：

1.集成线性稳压电源的工作原理图设计

图3-1-1 protel99SE实现的原理图

图3-1-2 protel99SE实现的PCB图

2. 稳压电源的工作原理

线性稳压电源的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区整流电源，一般是靠二极管的单向导通性质，阻断交流电负值电压，通过正值电压，再经过滤波电容及单算稳压器转变为直流电压。220V交流通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和输出级电容滤波便在稳压电源的输出端产生了精度较高、较稳定的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

3.焊接电路板实物图

图3-1-3稳压电源电路板的正面

图3-1-4 稳压电源电路板的背面

二．变送器 （1）设计思路

由需求分析可知整个电路由三部分构成：电压跟随器、电压调节器及差分放大器。电压跟随器：缓冲、隔离、提高带载能力的作用。电压调节器：输出2.73V稳定电压。差分放大器：使输入数值达到要求并做倍数放大。变送器前端输入是温度传感器AD590，后端输出是A/D转换AD804，所以需要将电流信号转换为电压信号，能完成放大调零、调满度功能，能将绝对温度转换成相对温度。基于以上要求我们选用OP07运放搭建变送器电路，实现基本功能。

（2）电路框架

电压调节器 电压跟随器 差 分 放 大 器 （3）基本要求

对应测量温度：0~100℃ 输出电压： 0~5V

限制条件： 输出电压≤5V

输出电压≥0V

（4）变送器基本形式及工作原理：

1. 变送器的工作原理

测量温度这种非电物理量，需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上，这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。

2.变送器电路的参数计算

稳压电路—为恒压补偿电路提供稳定的电压 稳压二极管D1工作电流取3mA

限流电阻 R1(12V9.1V)3mA970 R1取1K

恒压补偿电路—提供 273uA 恒定补偿电流 限流电阻 R2VR19.1V273A33.3K R2取30K，VR1取5K

增益控制电路—控制输出满度电压为 5V 满度输入电流为 373A-273A100A电阻 R4VR25V100 A50K R4取47K，VR2取10K 3．变送器的工作原理图设计

R1+121041K D1VR2 9.1VVR1R410K5K47K100u +5+12 D2 R21N414810430K R5 1K R3D3 47K1N4148104 -12 -12 图3-2-1原理图

4.焊接电路板实物图

图3-2-2 变送器电路板的正面

图3-2-3 变送器电路板的背面

四、调试过程及分析

1、调试过程

（一）稳压电源电路板

1.焊接完毕后对照原理图检查一遍线路是否存在问题。

2. 电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有~9V、~15V的插座连接，左插座悬空。 3.连接完毕后，打开调试台电源远离电源板1~2分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试。

4.若四个电源指示灯均亮，则电源板正常；有灯不亮，需要重新查线检查有无错焊、漏焊、虚焊等，并重复2、3、4的步骤。

6.输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的测试工作结束。

（二）温度变送器电路板

1.利用调试台变送器板调试，电源板需要插上 2.在调试台变送器插座插上变送器板，注意方向

3.利用调试台键盘输入调试温度。调整电流源输出（模拟AD590电流变化） 4.电流源输出电流为：I=273uA+温度值

5.温度值为：0摄氏度时放大器输出电压为0V 6.温度值为：100摄氏度时放大器输出电压为5V

2、测试数据 （1）电源电路

按照调试步骤，电路连接无误，接通电源后电路无烧毁，并稳定输出5V及±12V。

（2）变送器电路

调节恒流源输入，测试结果如下表： 电压调节器U1/V 第一组 2.73 第二组 2.73 第三组 2.73 第四组 2.73 第五组 2.73 电压跟随器U2/V 2.73 2.88 3.00 3.39 3.73 变送器输出U0/V 0.00 0.75 1.36 3.35 5.08 3、误差分析

电源电路基本无误差，完全符合设计需求。变送器电路理论值为纯线性增加，实际存在一定误差。如下图：

变送器特性曲线6变送器输出U0/V5432100123电压跟随器U2/V4

图4-1-1 变送器特性曲线

误差≈0.48%，科学分析原因在于电路结构，OP07未加调零电路，并有温漂存在，故使最后一级差分放大电路输出与理论值有所误差。改进措施为对基本运放电路加以调整，使之更加稳定。

五、出现的问题分析及解决

（一）稳压电源电路板

1.电源板测试过程中出现的首要打问题就是输出级一个滤波电容接反了，导致电容爆裂。出现这一问题原因主要是在电路焊接过程中没有专心，导致了电容方向接反，并且检查电路时也没能查出这一问题。

2.测试输出电压是否稳定时发现+12V输出不稳定，后经过查线发现也是输入级滤波电容有一段因虚焊断开了。

（二）变送器电路板

1.在测试变送器输出信号时最先出现的问题就是没有输出信号。出现这一问题后我们采用逐级测试的方法，首先测量的第一级电路，设计跟随器的输入信号。问题就出现在这里。射级跟随器的输入端与实验面板的管教接错位置了，所以整块电路板就相当没有输入信号，必然就没有输出信号。

2.接下来的的问题就是输出信号的线性问题和精度问题了。在调试过程中，我们发现实际电路工作状态和理想状态有很大差别，就是有运放组成的比例放大电路的放大倍数不符合理论计算结果。于是我们串联进一个较大的电位器，通过逐步调节电位器的大小选出了合适的电阻值大小。原本理论要应该是5倍的放大倍数，最终调试结果是6.8倍。后来经过询问老师得知是阻抗匹配的问题。

六、驱动器（选作） （1）基本要求

对应测量温度 0~100℃ 输出电压 0~5V 驱动电压 +-9V

（2）驱动电路的基本形式和工作原理

1、工作原理

驱动电路是一个功率放大器，驱动电压为-9V~+9V，驱动电流最大为3A，随着输出负电压的增加，制冷量增加，随着输出正电压的增加，制热量增加，从而以控制输出电压，达到控制温度的目的。

2、驱动电路的原理图

图6-1-1protel99SE实现的驱动器原理图

3、驱动器实物图

图6-1-2驱动器电路板正面

图6-1-3驱动器电路板反面

（3）调试

利用调试台驱动器板调试，电源板需要插上。调输入电压+-12V，当温度增加时，用万用表测右边7脚输出的变化趋势，看输出电压是不是跟着变，输出应该是+-9V。然后就是输出在零附近的时候，调输入，看变化率和离零远的时候的变化率是不是差不多。将板送上实验台，观察温度升高或降低时，指示灯的变化。

（4）问题

在测输出电压时，发现电压最大只能达到+-5V，询问老师后，将1K负载卸下来后，可以达到+-9V甚至更高。

稳压电源板的三个管脚输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。温度变送器电路板，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差0.1V左右，误差并不是很明显。驱动电路板，温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端电压值降低。基本达到设计要求。

七、结论

稳压电源板的三个管脚输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。温度变送器电路板，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差0.1V左右，误差并不是很明显。驱动电路板，温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端电压值降低。基本达到设计要求。

八、心得体会与建议

体会：经过了八周的实验，我们组终于完成了对“小型温度测量与控制系统”中电源部分与变送器部分电路设计以及驱动器部分。通过这次实验我们收获颇丰，首先我们学会了使用potel绘制电路图，对电路的原理图及PCB图的绘制，经过几次作业我们基本上对potel熟练掌握，这对今后我们做毕设还是开发项目都是很有帮助的。接下来我们在制作电源部分的时候，更加巩固了焊接技巧。在变送器电路设计的中，我们用的是老师给的恒流变送器的原理图,在得到了老师的肯定后我们便开始了焊接工作。但在调试的过程中并不是一帆风顺，我们很快焊好了板子，但最终输出总是不尽人意，我们反复修改电路，更换电阻，就这样整整调试了3周！但板子还是没有出来。看着周围其他同学已经开始制作变送器，而我们还一无进展，我们俩人都很受挫，几近放弃。这时候老师鼓励我们要坚持下来，反复检查电路，细心调试。功夫不负有心人在一周后我们终于发现了问题的所在，原来是运放的单电源供电问题，在查阅了相关技术手册后我们改成了双电源供电，随后变送器电路问题相应得到解决。顿时我们俩兴奋极了，在我们的不懈努力下终于把变送器电路完成了，回头想想真是犯了个最简单的错误，但却迟迟没有发现，这次真是长教训了！总结经验就是，两个人一定要有分工合作，一个人焊板一个人查线，一个人画电路，一个人写报告等等，只有发挥两个人的优势，互相协作，取长补短，将团体的力量发挥至最大，这样效率才是最高的！我们组会再接再厉，把接下来的电路继续完成，做到最好！

建议：一个学期的课程结束了，感谢老师的耐心教学与指导，我们在您的课上收获颇丰。从电路的设计到电路板的调试，通过您的讲解，我们对整个流程有了全方位的了解，我们组的进程也还算比较顺利，但在调试电路板的时候还是费了很大的功夫，虽然听懂了原理,但真正操作起来确实另一回事儿。所以我希望老师在下学期的教学与讲解中,能在电路板的调试方法上多做一些更为细致的描述。这仅代表我的个人意见，望老师斟酌而定夺。谢谢老师！

九、附录

（一）元器件清单 1. 直流稳压电源

元件名称 芯片 散热片 电容 保险管 整流桥 排针 接插件 主要标称值或型号 LM7812*1，LM7805*1，LM7912*1 *3 2200uf*2，3300uf*1，220uf*3 *3 1A100V*2 26线双排*2 DIP8 IC*5 2. 变送器

元件名称 芯片 电容 电位器 排针 接插件 二极管 主要标称值或型号 OP07*2 100nF*3,100uF*1 20K*2 26线双排*2 *2 IN4148*2,02DZ4.7 3. 驱动器

元件名称 电位器 二极管 三极管 散热片 排针 电阻 接插件

主要标称值或型号 20K*2 IN4148*2 9012*2，9013*2,3055*1,2955*1 *2 26线双排*2 0.2Ω*2 *3 （二）部分元件示意图 1.LM7805

2. LM7812

3. LM7912

4. OP07

5. 9013

6.9012

7. 3055

8. 2955

十、致谢

我们是第6组，感谢老师的耐心指导，感谢同组同学的耐心合作以及同班同学的帮助，我们最终的成功离不开所有人的努力,谢谢大家!

十一、参考文献

《电子技术试验二》实验指导书 北京工业大学电工电子实验教学中心 《电子技术试验》仪器设备使用说明书 北京工业大学电工电子实验教学中心 《电子工程设计训练任务书》 电子工程设计实验中心 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 www.baidu.com