电子技术课程设计指导.docx

1、电子技术课程设计指导电子技术课程设计指导长安大学电工电子教学部一、课程设计指导二、数字频率计的设计实例三、集成直流稳压电源的设计四、电容数字测量仪的设计五、多路数据采集系统的设计附录：参考文献软件： word 、visio、 protel 、Pspice、EWB、Multisim等一、课程设计指导“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习电子技术的综合性训练，该训练通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成。学生通过动脑、动手解决若干个实际问题，巩固和运用在“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“单片机原理与应用”等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路

2、的一般设计方法，提高设计能力和实验技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下基础。（一）、电子技术课程教学目的与要求实验课、课程设计和毕业设计是大学阶段既互相联系又互有区别的三大实践性教学环节。实验课着眼于通过实验验证课程的基本理论，培养学生的初步实验技能。而课程设计则是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题。毕业设计虽然也是综合性训练，但它不是针对某一门课程，而是针对本专业的要求所进行的更为全面的综合训练。电子技术课程设计应达到如下基本要求：1. 巩固和加强“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程的理论知识。2. 掌握电

3、子电路的一般设计方法，了解电子产品的研制开发过程，培养学生创新能 力和思维能力。3. 掌握电子电路安装与调试方法及故障排除方法。4. 提高学生电子电路技能及仪器使用能力、撰写课程设计总结报告能力。5. 通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析、解决问题的能力。（二）、电子技术课程设计教学安排电子技术课程设计是在学完“模拟电子技术”和“数字电子技术”两门课程之一后进行的，学生已有一定的理论基础、实验技能和自学能力。因此，课程设计应采用自学的教学方法，少讲课，多实践。具体来说，课程设计教学可以包括以下几个方面：1. 学生自学本教材中的有关内容，阅读教师推荐的有关参考资料。2. 学生针对课程设计中题

4、目的内容和要求自己进行独立的设计。3. 教师给予指导和答疑，必要时可适当安排讲课。4. 学生进入实验室进行独立的安装与调试，并撰写课程设计总结报告。5. 教师进行验收与考核。电子技术课程设计的教学安排可参考图1-1，下面对此图作一些具体说明：图 1-1 电子技术课程设计教学安排示意图 （虚线框内环节可视实际情况选择）1. 课程设计选题可根据学生具体情况由指导教师指定，也可由学生自己选定。2. 应完成原理图电路的设计，并画出完整的电路图、列出详细的元器件清单之后，经指导教师同意，才能进行安装调试；3. 在实验电路安装调试后，由实验教师验收考核合格后，才能拆线，归还元器件和工具。4. 学生在实验电

5、路安装调试满足基本功能后，如时间允许，还可在原有基础上扩展功能，充分发挥学生的积极性和创造思维；5. 指导教师验收分四部分：（1） 电路布局及安装工艺；（2） 基本功能及性能指标；（3） 扩展功能；（4） 回答有关问题。（三）、电子技术课程设计成绩评定电子技术课程设计成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五种，成绩的评定主要参照一下几个方面：1. 学生独立设计电路能力。2. 实验电路完成情况。3. 指导教师的考核及验收。4. 课程设计报告。5. 有下列情况之一者，要酌情减分：（1） 设计报告有抄袭行为或有意给别人抄袭；（2） 损坏或丢失实验时的物品，包括元器件、仪器设备和工具；（3） 迟交实验

6、报告。（四）、电子技术课程设计报告要求每人必须写出一份4000字以上的课程设计报告，报告包括以下内容：题目名称、前言、目录、摘要、关键字、设计要求、正文、鸣谢、元器件明细表、附图、参考文献。其中，前言应包含设计题目的主要内容、资料收集与工作过程简介。正文参考格式如下：第一章 系统概述简单介绍系统设计思路与总体方案的可行性分析论证，各功能块的划分与组成，全面介绍总体工作过程或工作原理。 第二章 单元电路设计与分析详细介绍各单元电路的选择、设计及工作原理分析，并介绍有关参数的计算及元器件参数的选择等。第三章 电路的安装与调试介绍电路安装调试过程中所遇到的主要技术问题，给出现象记录、原因分析、解决措

7、施及效果，详细介绍电路的性能指标或功能的测试方法、步骤、仪器设备、记录的图表和数据。第四章 结束语简单介绍对设计题目的结论性意见，进一步完善或改进全部元器件，它的格式如表1-1所示：序 号名 称 型号参数数量备注参考文献的格式如下:序号作者名书刊名出版社出版时间（刊号）二 、数字频率计的设计实例（一）、.频率计测量的工作原理数字频率计是用于测量信号频率的电路。测量信号的频率参数是最常用的测量方法之一。实现频率测量的方法较多，在此我们主要介绍三种常用的方法：时间门限测量法、标准频率比较测量法、等精度测量法。（1） 时间门限测量法在一定的时间门限T内，如果测得输入信号的脉冲数为N,设待测信号的频率

8、为fx，则该信号的频率为 改变时间T，则可改变测量频率范围。此方法的原理框图如图2-1所示，时序波形图如图2-2所示。用时间门限测量方法测量时，电路实现起来较容易，但对产生的时间门限要求精度较高，测量的时间误差最大是正负一个待测信号周期，即。（2）标准频率比较测量法用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为N1、已知的标准频率信号的脉冲个数为N2，设待测信号的频率为fx，已知的标准频率信号的频率为f0；由于测量时间相同，则可得到如下等式： 从上式可得出待测信号的频率公式为： 标准频率比较测量法对测量产生的时间门限的精度要求不高，对标准频率信号的频率准确度和稳定度要求较高，

9、标准信号的频率越高，测量的精度就越高。该方法的测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为正负一个待测信号周期，即。测量时可能产生的误差时序波形如图2-3所示。（3）等精度测量法以上介绍的两种测量频率的方法实现电路容易，但是，测量的精度与待测信号的频率有关，待测信号频率越高，测量的精度就越高，反之，测量精度越低。为了提高测量低频时的精度，使得测量的高、低频率精度都一样，一般采用等精度测量法。上面介绍的两种方法都是在闸门门限的控制下来实现计数器的计数开始和结束的。当闸门门限的上升沿到来时，计数器计数开始，当闸门门限的下降沿到来时，计数器计数结束。如果测量信号脉冲和闸门信号不同步时，就可能

10、产生一个脉冲周期的最大误差。等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测信号的上升沿未到，则两组计数器不计数，只有当待测信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，如果待测信号的一个周期未结束，两组计数器也不计数，只有当待测信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生，与待测信号的频率无关。最大误差为正负一个标准频率周期，即。由于一般标准信号频率都在几十MHz以上，因此误差小于10-6。等精度测量法的时

11、序波形图如图2-4所示。（二）、频率计电路设计以上介绍的三种测量频率的方法中，第一种方法的实现电路较容易实现，第二、三种方法需要进行公式计算，用微处理机作为控制核心实现才比较容易。下面主要介绍时间门限测量法的电路设计。实例： 设计一频率计，要求：（1） 测量的频率范围为1HZ10kHZ.（2） 显示位数用四位数码显示。解：时间门限测量频率的原理框图如图2-1所示，晶体振荡电路产生较高的标准频率，经分频电路可获得各种时间基准脉冲（ T=1s，0.1s，10ms，1ms，），由开关S控制选择时基脉冲。被测信号经放大整形后变成脉冲信号送到主控门的输入端，只有在闸门信号的闸门时间T内输入信号才能通过主

12、控门进行计数。测频电路的时序波形如图2-2所示。（三）、实现电路及说明时间门限测量频率电路图如图2-5所示。电路中的振荡电路产生1MHz的频率标准，经分频器10分频、102分频、103分频、104分频、105分频、106分频，产生6种时基信号10s、0.1ms、1ms、10ms、0.1s、1s，分频电路由十进制计数器74LS90实现。时基信号由八选一数据选择器（74LS151(D15)）实现选择。当S2S1S0=000 时，选择1s, S2S1S0=001时选择0.1s, ,S2S1S0=101时选择10s。选择的时基信号经触发器构成对应时间宽度的时基门限。计数显示：计数器由四片74LS90十

13、进制计数器D7D10实现，计数完成后数据锁存由74LS374完成，锁存后的数据经74LS48数码管驱动器和共阴极数码管进行显示。显示数值到下一次计数完成后刷新。可用发光管或其他方法提示频率单位Hz或kHz。由于篇幅有限，读者可自行设计。三、集成直流稳压电源的设计 （一）、实验目的通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：（1） 选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源：（2） 掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。（二）、设计任务1. 集成稳压电源的主要技术指标（1） 同时输出15V电压、输出电流为2A.（2） 输出纹波电压小于5mV,稳压系数小于510

14、-3；输出内阻小于0.1。（3） 加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。2设计要求（1） 电源变压器只作理论设计。（2） 合理选择集成稳压器及扩流三极管。（3） 保护电路拟采用限流型。（4） 完成整个电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。（5） 撰写课程设计报告、调试报告及使用说明书。（三）、基本原理1.直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，基本框图如图3-1所示。各部分电路的作用如下：(1) 电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。变压器副边与原边的功率比为 式中，为变压器的效率。（2）整流

15、滤波电路整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压u1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图3-2（a）、（b）及（c）所示。各滤波电容C满足： 式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。（3）三端集成稳压器 常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。固定三端集成稳压器 正压系列：78XX系列，该系列稳压快有过流、过热和调整管安全工作保护区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也可加适量元件。78XX系列又分三个子系列，即78XX、78MXX、78LXX。其差别只在输出

16、电流和外形，78XX输出电流为1.5A,78MXX输出电流为0.5A,78LXX输出电流诶0.1A.负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。78XX系列、79XX系列的典型电路见图3-3（a）、（b）、（c）。 可调式三端集成稳压器正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。其典型电路如图3-4所示。其中电阻R1与电位器RP 组成电压输出调节电器，输出电压的表达式为： 式中， R1一般取值为（120240），输

17、出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为510mA。负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。 集成稳压器的电流扩展若想连续取出1A以上的电流，可采用图3-5所示的加接三极管增大电流的方法。图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。VT2为过流保护三极管，正常工作时该管为截止状态。三极管VT1 直流电流放大倍数必须满足Ii / Io 。另外，Ii的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流。可把三极管接成达林顿管方式。可得出输出电流为： 此时，三端稳压器内部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保

18、护电路，这就是VT2和R2。当电流Ii在R2上产生的电压降达到VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而达到限制电流的目的，保护电路的动作点是：三极管的UBE2具有负温度系数,设定R2数值时，必须考虑此温度系数。以上通过采用外接功率管的方法，达到扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。若希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流，具体电路形式请参考有关电源类资料。2.稳压电源的性能指标极测试方法稳压电源的性能指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流极输出电压调

19、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）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图3-6所示。这些质量指标的含义简述如下：（1） 纹波电压 纹波电压是指叠加在输出电压上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值，Uopp一般为毫伏量级。也可用交流电压表测量其有效值，但因Uo不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。（2） 稳压系数及电压调整率稳压系数：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 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，即稳压系数Su和电压调整率Ku均说

20、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。（3） 输出电阻及电流调整率输出电阻：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之比的绝对值，即 电流调整率：输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化值，即输出电阻ro和电流调整率Ki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。（四）、设计指导直流稳压电源的一般设计思路为：由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形式，通过计算极限参数（电压、电流和功耗）选择器件；由稳压电路所要求的直流电压（Ui）、直流电流(Ii)输入确定整流滤波电路形式，选择整流二极管及滤波电容并确定变

21、压器的副边电压Ui的有效值、电流Ii及变压器功率。最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。图3-7为集成稳压电源的典型电路。其主要器件有变压器Tr 、整流二极管VD1VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL。下面介绍这些器件的一般原则。1. 集成稳压器 稳压电路输入电压UI的确定：为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求UiUomax +（UiUo）min式中，（UiUo）min是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V变化时，电源应稳压。所以稳压电路的最低输入电压。另一方面，为保证稳压器安全工作，要求 UiUo

22、min +（UiUo）max式中，（UiUo）max是稳压器允许的最大输入输出压差，典型值为35V。2. 电源变压器 确定整流滤波电路形式后，由稳压器要求的最低输入直流电压计算出变压器的副边电压UI、副边电流II。（五）、设计示例 设计一集成直流稳压电源。性能指标要求：连续可调，输出电流Iomax=1A。纹波电压： 5mV电压调整率：Ku3%电流调整率：Ki1%选可调式三端稳压器W317，其典型指标满足设计要求。电路形式如图3-8所示。1. 器件选择电路参数计算如下:(1) 确定稳压电路的最低输入直流电压 UImin代入各项指标，计算得：UImin12+3/0.9=16.67V 我们取值17V

23、。(2) 确定电源变压器副边电压、电流及功率。 UIUImax/1.1, IIIImax 我们取II为1.1A。UI17/1.1=15.5V,变压器副边功率P217W变压器的效率=0.7，则原边功率P124.3W。由以上分析，可选购副边电压为16V,输出1.1A,功率30W的变压器。(3) 选整流二极管及滤波电容因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管1N5401，其极限参数为URM =50V，ID=5A。滤波电容 故取只2200F/25V的电解电容作滤波电容。2. 稳压器功耗估算当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，UI

24、max=1.11.116=19.36V所以稳压器承受的最大压差为：19.36515V，最大功耗为：UImaxIimax=151.1=16.5W故应选用散热功率16.5W的散热器。3. 其他措施 当集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端出接上一只0.33F的旁路电容C2。接在调整端和地之间的电容C3,是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。当C3的容量为10F时，纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大器而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器

25、，在R1两端并接一只二极管VD2。W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。但当输出端有5005000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接一只1F的钽电容或25F的铝电解电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上盖地拿容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间。接一只保护二极管VD1。（六）电路安装与指标测试1. 安装整流滤波电路首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否则会损坏变压器。检查无误后，

26、通电测试（可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V），用滑线变阻器做等效负载，用示波器观察输出是否正常。2. 安装稳压电路部分集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压UI（可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入），滑线变阻器作等效负载，调节电位器RP，输出电压应随之变化，说明稳压电路正常工作。注意检查在额定负载地电流下稳压器的发热情况。3. 总装及指标测试将整流滤波电路与稳压电路相连并接上等效负载，测量下列各值是否满足设计要求：（1） UI为最高值（电网电压为242V），Uo为最小值（此例为+5V），测稳压器输入、输

27、出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求（此时应使输出电流为最大负载电流）。（2） UI为最低值（电网电压为198V），Uo为最大值（此例为+12V），测稳压器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。如果上述结果符合设计要求，便可进行质量指标测试。四 电容数字测量仪的设计电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有重要的影响，本课题就是用数字显示方式对电容进行测量。（一）、设计目的（1） 掌握电容数字测量仪的设计、组装与调试方法。（2） 熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法，并掌握其工作原理。（二）、 设计内容及要求 （1） 设计电容数字测量仪电路。（2

28、） 测量电容范围为100pF1F。（3） 组装、调试电容数字测量仪单元电路和整机系统。（4） 画出电容数字测量仪的电路图，写出设计报告。（5） 选作内容：测量1F 1000F的电容数字测量仪。（三）、电容数字测量仪的基本工作原理 电容数字测量仪的基本工作原理是：把电容量通过电路转换成电压量，然后把电压量经模数转换器转换成数字量进行显示。可由555集成定时器构成单稳态触发器、多谐振荡器等电路，当稳态触发器输出电压的脉宽为：（） 这种电路产生的脉宽可以从几个微秒到数分钟，从式4-1可以看到，当R固定时，改变电容C则输出脉宽tW跟着改变，由tW的宽度就可求出电容的大小。把单稳态触发器的输出电压V0取

29、平均值，由于电容量的不同，tW的宽度也不同，则V0的平均值也不同，由V0的平均值大小可得到电容C的大小。如果把平均值送到位A/D 转换器，经显示器显示的数据就是电容量的大小。由于单稳态触发器的输出脉宽tW与电容C成正比，还可利用数字频率计的知识，把此脉冲作闸门时间和标准频率脉冲相“与”，得到计数脉冲，该计数脉冲送计数-锁存-译码显示系统就可以得到电容量的数据。（四）、器件简介 1.CC7107位A/D转换器工作原理CC7107电路如图4-1所示，其中，图（a）为模拟电路，图（b）为数字电路。采用双积分的方法实现A/D转换，以4000个计数脉冲周期，即用4000个脉冲的时间作为A/D转换的一个周

30、期，每个转换周期分成自动稳零（AZ）、信号积分(INT)和反积分(DE)三个阶段，各阶段工作过程如下：(1) 自动稳零（AZ）阶段：进入该阶段后，通过电路内部的模拟开关，使IN+和IN-两个输入端与COM公共模拟端短接，闭合反馈回路，自动稳零电容CAZ充电，使缓冲放大器、积分器和比较器的输出回复到零态。自动稳零阶段的时间tAZ为 (4-2)式中：TCL为时钟脉冲的周期；1000TCLVIN / VREF为反积分阶段时间。（2）信号积分(INT)阶段：信号一旦进入积分阶段，则断开反馈回路。输入端短路消失，使电路从自动稳零阶段转入到对模拟信号进行取样积分阶段，本阶段的时间固定为1000个计数脉冲的

31、时间。输入的模拟信号VIN首先经过缓冲放大器放大，信号放大K倍后送至积分器进行积分。积分器在0t1时间里，即在01000个计数脉冲时间里从零开始积分，取样积分结束后，积分器的输出电压为： (4-3)式(4-3)中：RINT为积分电阻；CINT为积分电容；k为缓冲放大器的电压放大系数；VIN为模拟输入信号电压；t1为积分时间，相当于计1000个计数脉冲的时间。信号积分阶段的固定时间tINT为 tINT=1000TCL (4-4)（3）反积分(DE)阶段：双积分A/D转换器的反积分阶段是实现对输入模拟信号极性相反的参考电压VREF进行积分。在反积分开始时，参考电容上的参考电压VREF送入缓冲放大器进行放大，放大后的参考电压再送入积分器