《模拟电子技术实验》
集成直流稳压电源设计报告
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指导教师:
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自然班级:
(周三晚上7:00-9:00)
集成直流稳压电源设计
一、实验目的
1. 掌握集成直流稳压电源的实验方法。
2. 掌握用变压器、整流二极管、滤波电容和集成稳压器来设计直流稳压电源的方法。
3. 掌握直流稳压电源的主要性能指标及参数的测试方法。
4. 为下一个综合实验——语音放大电路提供电源。
二、设计要求及技术指标
1. 设计一个双路直流稳压电源。
2. 输出电压 Uo = ±12V,最大输出电流 Iomax = 1A 。
3. 输出纹波电压 ΔUop-p ≤ 5mV,稳压系数 SU ≤ 5×10-3 。
三、电路框图及原理图
1、原理框图:
2电路框图:
图1
四、设计思想及基本原理分析。
1、设计思想:
(1)根据要求选择三端稳压器。
(2)根据三端稳压器对输入电压的要求和桥式整流滤波电路的电压关系,计算出电源变压器副边电压U2的值,再根据输出电流的要求选择电源变压器。
(3)根据桥式整流电路和电网变化情况,计算出二极管的最大反向电压URM和最大平均整流电流IDmax,查手册确定整流二极管或整流桥的型号。
(4)根据电路要求和电网变化情况,计算出电容量和耐压值,查手册选定滤波电容的标称值和耐压值。
2、直流稳压电源的基本原理
在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,小功率稳压电源一般是由电源变压器、整流、滤波和稳压等四部分电路组成。其基本电路框图及经各电路变换后,输出的波形如原理图所示。
(1)电源变压器
电源变压器是将交流电网220V的电压变成所需要的电压值,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。
(2)整流电路
整流电路常采用二极管单相全波整流电路,电路如图②所示。在U2的正半周内,二极管D1、D2导通,D3、D4截止;U2的负半周内,D3、D4导通,D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL,且方向是一致的。电路的输出波形如图③所示
在桥式整流电路中,每个二极管都只在半个周期内导电,所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。电路中的每只二极管承受的最大反向电压约为反向击穿电压的一半或三分之二(U2是变压器副边电压有效值)。
(3)滤波电路
滤波电路选用一个2200μF的大容量电解电容C1和一个0.1μF的小电容量涤纶CL11型电容C2并联滤波,如图3.6所示。理论上,在同一频率下容量大的电容其容抗小,这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2不起作用。但是,由于大容量的电容器存在感抗特性,等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗,小电容的容量小,在制造时可以克服电感性,几乎不存在电感。在大电容C1上并联一个小电容C2可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时,小电容不工作(容抗大相当于开路)。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频率比较高时(输入信号的高频干扰成分),大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到底线,滤除各种高频干扰成分。电路的输出波形如④图所示
图④
(4)稳压电路
4.1稳压电路选用三端集成直流稳压器,其电路连接方式一般如图⑤所示。
图⑤ 三端集成直流稳压器
性能上,常用的集成稳压器由三端固定式、三端可调式和开关式。以三端固定式为例,其正输出为78XX(后两位代表输出的额定稳压值,00是统称)系列,负输出为7900系列,常见的有05、06、08、09、12、15、18、24八种。一般要求最小的输入、输出电压差(U1—U0)为2V~3V;输出稳压的容差约为5%;最大输出电流10max有0.1A(LM7812),0.3A(如78M12)和1.5A(如7812)等多种,部分器件的最大输出电流可达2.2A;其最大电压UImax一般是7818档以下为35V,7824档为40V;电压调整率SU一般为0.01%/V;输出电阻R0小于0.1Ω;纹波抑制比SR一般为50dB;温度系数ST一般为每度ImV~2.4mV。图2.7中,引脚1为电压变换的输入端,引脚2为电压变换后的输出端,引脚3为接地端。电容Ci作用是改善纹波和抑制输入的过电压,一般取值为0.1μF。C0作用是改善负载的顺态影响,一般可选取0.1μF的电容,当采用大电容量的电解电容时效果更好。稳压电源的输入输出端要跨接一个二极管,以防止集成稳压器输出调整管损坏。
4.2稳压电路的设计
本设计是把几个供电模块集成到一个供电电源上,能够同时提供固定输出+5V(最大输出电流0.3A)和固定输出12V(最大输出电流0.1A)的直流电数出。
输出+5V:核心器件选用LM7805三端集成稳压器,其输出电压为+5V,额定电流0.1A。当变压器变压后输出6.3V交流电,经整流桥,整流后输出约6V电压,滤波后有LM7805三端集成稳压电源处理,输出+5V电压,电流最大输出为0.3A。
输出12V:核心器件选用稳压器LM7812和LM7912,组合应用这两个稳压器件与一个硅整流桥相接,按图⑥电路就能输出12V的电压。组合用LM7812和LM7912时,公共输出接地端用的是变压器输出端口的12V并分别接入LM7812的接地引脚(GND)和LM7912的电压输入引脚(Vin);硅整流桥的正、负输出端口则分别接入LM7812的电压输入端(Vin)和LM7912的接地端;滤波电容用了两个100μF首尾相接,连接处接公共输出接地端。
图⑥ 稳压电路
四、器件选取
变压器,整流管,2.2mF、330uF、1uF、104nF电容各两个,LM7812,LM7912,散热片,导线若干。
五、元件介绍和元件数计算。
1、整流电路:
输出电压平均值Uo(av)=2=0.9
输出电流平均值
平均整流电流
最大反向电压
整流二极管的选择:
整流桥选择:KBP307
2、稳压电路:
三端集成稳压器:
LM7812 ——输出稳定正电压12V
LM7912 ——输出稳定负电压12V
LM7805 ——输出稳定正电压5V
使用时需注意:
1. 防止输入端,输出端接反;
2. 防止稳压器浮地;
3. 防止稳压器输入端短路;
4. 电流大时需加散热片。
六、测试结果分析,调试过程中所遇故障分析:
1、测试空载输出电压:
正端输出+12.51
负端输出-12.11V
2、测试波纹电压
+3MV<=+12MV
-5MV<=-30MV
符合设计要求。
故障:
1:第一次测试纹波电压数值有些高。
原因:电容有些小。
解决方法:换一个较大电容。
2:电路板连接电源时,电容爆炸了。
原因:电容正负管脚接反。
解决方法:换一个电容重新焊。
七、设计过程的体会与创新点,建议
( 详见附件感想)
八、元件清单
九、仿真报告
输出波形为
可以看到,输出电压已经为12V和-12V,在输出电压大小上已经达到指标了。
波纹电压是3.313mV≤30mV,符合所要的要求。
3、测量SU
当电源为198V时,测得输出电压为12.008V
当电源为242V时,测得输出电压为12.009V
所以=2.27*
十、参考文献:
1. 电子电路实验及仿真 路勇
北京交通大学出版社 清华大学出版社
2. 电子技术基础实验与课程设计 高吉祥
电子工业出版社
3. 电子技术实验与课程设计 毕满清
机械工业出版社
附件:
A:
经过三次模电实验以后,我们终于开始着手设计最后的两个重量级实验:集成直流稳压电源和语音放大器。
由于集成直流稳压电源是我们所做的第一个设计性实验,所以刚开始我们小组的成员都有些无从下手,总觉得有很多问题,比如电路如何设计,需要哪些元件,参数如何选取等等。
后来,我们整理了下思绪,首先非常仔细的研究了下老师给的PPT里的内容,借助老师所给的电路结构,确立了变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分,然后查阅模电实验的教材,拟定了所需要的元件及元件的的参数。
电路板和元件等器材买回来之后,我们首先对电路进行布线,然后尝试焊,结果费劲千辛焊完之后,一联通电路,才发现出现短路。仔细看了看电路板,这才发现我们之前布线居然没有注意到板子是三联的,很多管孔是短路的,之前布好的线路全都不能用,只好又拆了重新焊。
我们的苦难还没有结束。修改过后,正电源输出正常了,可是负电源输出怎么也不正常。怎么测试也测试不出来问题在哪,这令我着实烦恼了好几天。眼看着就要交了,我们始终有一端输出过高。迫不得已我们只好请教了一个已经成功的同学。他对我们的电路板进行了各种测试后,建议我们换一个变压器,因为怀疑我们开始测试的时候烧坏了。果然,换了变压器之后,所有输出都正常了,我们的直流稳压电源这才成功完成。
这次电路设计虽然很简单,但是由于是我们第一次完成设计性实验,经验不足,真可谓是多灾多难,但也给我们积累了很多宝贵的经验,为下面的电路做基础。在实验过程中,我们也收获了很多。
B:
我们这次的第一个任务就是直流稳压电源设计。刚开始电路设计出来的时候,觉得应该比较好焊,电路看起来不是特别复杂。但实际去操作下来才发现问题真的不少。首先是对元件的不熟悉,电解电容的管脚识别,一般电容的容值的读取都花费了一定的时间,以前学的一些基本知识都记得不是很清楚了。这最终导致我们在测试电容的时候出现了电容爆炸的问题,两个220uF的电容接反,而且电容突然爆炸造成了短路给变压器也造成了影响,导致在后来的测试中一直有问题而我们始终在找电路的问题,而没有去检查检查变压器的输出浪费了很多的时间。其次是焊接技术的不合格,虽然大一的时候我们有联系过但长时间的不接触自己的技术有很多的问题,有许多虚焊点。而且电路在平常的磕碰中经常会出现焊点脱落的问题,虽然每次都小心翼翼但板子的背后已经被改的面目全非了。最后没办法只能重新去焊一块,到那个时候才发现变压器有问题。再后来板子焊好做测试的时候也出现不少的问题,有时候是自己不注意没接地线使输出地图像出现杂波,有时候是元件出现问题自己又没发现,有的时候做的都快没信心了,但没有办法还得和大家一起找出问题。光芯片7812和7912就换了好几个。而且在最初布线的的时候,内有给散热片留下足够大的地方,最后只能用小的散热片,虽然能起到一定的作用,但之前元件布置的不合理还是带来了一定的麻烦。第一块板子中遇到的各种问题,为我们的语音放大器的设计提供了很好的借鉴,尝试过几次失败以后才会寻找到最有利的方法。失败乃成功之母,我们会有一个更合理的规划去完成下一个任务。
C:
大一的时候常听学哥学姐们说模电焊板子有多么辛苦,当时我总觉得他们有些夸大其词,然而当我真正开始焊第一块板子的时候,问题就接踵而至。
首先我们买的是三连线的板子,在一开始布元件的时候我没有考虑到板子内部连线的问题,导致几个电容短路。第一次测试的时候,刚接通电源正输出那端的220uF电解电容就爆了,仔细检查电路才发现我把它的正负端接反了。于是换电容接着测试,正输出那端输出电压与要求值很接近,而负端无输出,经过仔细检查才发现W7912的输入端和地线接在了一起,遂再次改板子。第三次测试正输出没有问题,而负输出总是14V,用电表逐段检测都没什么问题,遂怀疑集成稳压器W7912烧坏,于是换了一个,输出正常。就这样,我们一共焊了两块直流稳压电源的板子,元件换了好几个,终于功夫不负有心人,我们最后的输出电压与要求值非常接近。说实话,测试的过程比焊的过程辛苦,有时候真的是花了好几个小时去检查一个小错误,每一次测试我都非常紧张,害怕自己辛辛苦苦焊好的板子得不到预期的效果。通过这次实验,我知道了在焊板子时,要尽量利用板子的三连线,减少布线,这样不仅能使板子看起来更加干净美观,而且还减少了许多短路的潜在可能。我知道了在测试板子之前一定要先仔细地检查电路是否有短路、错接的情况,不要等到测试的时候才发现,因为那样很容易烧毁元器件。我还知道了团队合作的重要性,一个三人小组要想做到事半功倍,最重要的就是分工明确,发挥每个人的特长,当然遇到问题的时候大家要一起商量,一起发现问题的症结所在。同时,在设计电路的过程中,我把模电课堂上所学的知识用到了实际中来,也算是对自己学习成果的一次检验。
总结:
总的来说,我们这块板子设计得比较常规。最后,在测试完以后,为了增强板子的安全性,我们在变压器输出端接了一个保险管。并且为了让板子更好看,及连线更方便,我们加装了杜邦线。总之,我从这次实验中收获很多。
第二篇:电子科技大学 模拟电路实验报告01
模拟电路实验报告
实验一 常用电子测量仪器的使用
1. 实验目的
(1) 了解双踪示波器、函数信号发生器、晶体管毫伏表、直流稳压电源的工作原理和主要技术指标。
(2) 掌握双踪示波器、晶体管毫伏表、直流稳压电源的正确使用方法。
2. 实验原理
示波器是电子测量中最常用的一种电子仪器,可以用它来测试和分析时域信号。示波器通常由信号波形显示部分、垂直信道(Y通道)、水平信道(X通道)三部分组成。YB4320G是具有双路的通用示波器,其频率响应为0~20MHz。
为了保证示波器测量的准确性,示波器内部均带有校准信号,其频率一般为1KHz,即周期为1ms,其幅度是恒定的或可以步级调整,其波形一般为矩形波。在使用示波器测量波形参数之前,应把校准信号接入Y轴,以校正示波器的Y轴偏转灵敏度刻度以及扫描速度刻度是否正确,然后再来测量被测信号。
函数信号发生器能产生正弦波、三角波、方波、斜波、脉冲波以及扫描波等信号。由于用数字LED显示输出频率,读数方便且精确。
晶体管毫伏表是测量正弦信号有效值比较理想的仪器,其表盘用正弦有效值刻度,因此只有当测量正弦电压有效值时读数才是正确的。晶体管毫伏表在小量程档位(小于1V)时,打开电源开关后,输入端不允许开路,以免外界干扰电压从输入端进入造成打表针的现象,且易损坏仪表。在使用完毕将仪表复位时,应将量程开关放在300V挡,当电缆的两个测试端接地,将表垂直放置。
直流稳压电源是给电路提供能源的设备,通常直流电源是把市电220V的交流电转换成各种电路所需要的直流电压或直流电流。一般一个直流稳压电源可输出两组直流电压,电压是可调的,通常为0~30V,最大输出直流电流通常为2A。
输出电压或电流值的大小,可通过电源表面旋钮进行调整,并由表面上的表头或LED显示。每组电源有3个端子,即正极、负极和机壳接地。正极和负极就像我们平时使用的干电池一样,机壳接地是为了防止外部干扰而设置的。
如果某一电路使用的是正、负电源,即双电源,此时要注意的是双电源共地的接法,以免造成短路现象。
数字万用表可用于交、直流电压测量、交、直流电流测量,电阻测量,一般晶体管的测量等。一般的数字万用表交流电压挡的频率相应范围为45Hz~500Hz,用其对正弦交流信号进行测量时,应先了解被测信号的频率,再正确选择使用。
3. 实验内容
1)示波器CAL(校准)信号的测试
示波器器在使用前应进行检查和校准。正确设置示波器各开关及旋钮,用测试电缆将CAL(校准)信号输出端与双踪示波器垂直通道的一个输入端相连接,适当选择偏转灵敏度和扫描速度,使波形清晰、稳定的显示。记录相关参数,绘出波形图,填于表1中。
表1 示波器校准信号测试
2)电子测量仪器的频率响应特性
了解仪器的频率响应指标,用实验的方法对各仪器的工作频率范围进行测试。用函数发生器输出正弦信号,以示波器为标准,使信号峰峰值Up-p=10V同时接入其他仪器,改变频率,并测量相应电压值,填入表2中。
.表2 仪器频率响应测试
由上表可知,数字万用表对低频信号响应较好,对高频信号响应较差。
注:因为实验时缺少晶体管毫伏表仪器,故未进行测量。
4、实验器材(设备及元器件)
双踪示波器、函数信号发生器、直流稳压电源
5、实验方案与步骤
利用双波示踪器,我们得出示波器校准信号测试的结果,用实验的方法对各仪器的工作频率范围进行测试。
6、实验数据及结果分析(包括处理的数据)
数据如上表所示,说明在电压的输出过程中,出现了一定的偏差,对低频号响应较好,对高频信号响应较差。
7、实验结论
我们明白了双踪示波器、函数信号发生器、直流稳压电源的基本原理,并且学会了它们的使用方法。
8、总结及心得体会
通过示波器校准信号的测试和电子测量仪器频率响应特性的实验,我们了解了一些仪器的使用方法及其使用条件。同时,在测试的过程中,正确地调节仪器的各调节按键,才能得到我们需要的结果。这在仪器的学习中尤为重要,只有掌握了仪器的使用规则才能在以后跟深入的实验中运用。虽然本次实验难度不大,但是对于这些基本的元器件的使用方法是一定要掌握,我们首先使用模拟示波器进行试验,虽然之前知道使用方法,但实验开始的时候并不是很成功,但最后在我们的努力下顺利完成实验内容。做这个实验最大的体会就是再简单的事,都要认真对待
实验二 单管放大器的研究与测试
一、 实验目的
1. 进一步熟悉常用电子仪器的使用。
2. 掌握直流电压、电流及正弦信号的测试方法。
3. 学习放大器静态工作点、放大倍数及其输入电阻的测量。
二、 实验原理
1.单级放大电路是放大器的基本电路。静态工作点(Q点)是放大器在没有输入信号时,晶体管的IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQ,也称为Q值。为了保证放大电路不失真的输出电压,Q值选择在交流负载线的中点附近。实际放大器的参数一旦确定,通过调整偏置电阻对静态工作点进行调节和测试。测量静态工作电压时,应正确选择电表量程,考虑电表内阻对被测电压的影响;测量静态工作电流时,往往采用间接测量法,即通过对已知电阻两端的电压的测量来计算电流。
2.电压放大倍数是放大电路交流输出信号电压与输入信号电压之比,运用正弦测试方法对其进行测量。
3.对于放大器输入电阻、输出电阻的测量,可运用两次电压法间接测量,测试原理如图1所示。
图1 放大器输入、输出电阻测试原理
输入电阻
输出电阻
三、 实验内容
本实验测试电路由硅NPN型晶体管组成的共射单管放大电路,电原理图如图2所示,实验电路如图3所示。
图2 阻容耦合共射放大器
图3 共射单管放大器实验电路
其中选择、,旁路电容取,下偏置电阻取,上偏置电阻适当选择,负载电阻。
1. 静态工作点的测量
令Vcc=+12V,调节电位器RW,使UE=1.5V。用万用表测量UE、UB、Uc,计算UBE、IEQ、UCE,数据记入表1中。
表1 静态工作点的测量
2. 放大倍数的测量
在正常状态下测量放大器的电压放大倍数。设置信号频率,
,测量Uo,计算放大器的电压放大倍数(增益)Au。数据填入表2中,用坐标纸定量描绘输入、输出波形。
表2 放大倍数的测量
3. 输入电阻、输出电阻的测量
使放大器处于正常工作状态,分别用“两次电压法”测量该放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro,数据填入表3中。
表3 输入电阻、输出电阻的测量
4. 放大器带宽的研究
使放大器处于正常工作状态,用“逐点测试法”测量该放大器的通频带,数据填入表4中。
表4 放大器通频带的测量
四.实验器材(设备及元器件)
三极管,示波器,信号发生器
五.实验方案与步骤
利用所给的元器件和电路图,搭出所需要的电路,然后依次测量静态工作点放大倍数输入输出的电阻,放大通频带的示数。
六.实验数据及结果分析(包括处理的数据)
数据如上表所示,我们可以看出,数据基本符合三极管的特性,然而由于元器件的误差和其他一些原因,测量倍数和放大倍数有一定的差距。
七.实验结论
我们测出三极管的静态工作点以及其放大倍数,我们得出三极管在放大区工作时可以放大电路的某些参数。
八.总结及心得体会
通过这次实验的进行,我们了解了三极管的工作方式和使用方法,并且得出了放大区,能利用三极管做一些简单的电路来实现一些功能。
九.对本实验过程及方法,手段的改进意见
希望提供场效应管或其他特殊三极管,和其配套的使用说明,让我们对三极管有更多的了解和认识。
实验(三) 集成运放的运算应用研究
一、实验目的
二、加深对集成运放基本特性的理解;
三、掌握集成运放的正确使用方法;
四、学习集成运放在基本运算电路中的应用方法;
五、掌握用正弦测试方法对运放应用电路进行性能测试的方法。
二、实验设备
a) 集成运放一只
b) 直流稳压电源一台
c) 信号发生器一台
d) 数字三用表一只
e) 双踪示波器一台
f) 实验面包板一块
g) 连接电阻/导线若干
三、实验原理
集成运放是人们对“理想放大器”的一种实现。一般在分析集成运放的实用性能时,为了方便,通常认为运放是理想的,即具有如下特性:
1. 开环电压增益无穷大,;
2. 差模和共模输入电阻均为无限大,,;
3. 输出电阻为零,;
3. 开环带宽无限大,放大器本身不引入额外相移,信号传递无延时;
4. 共模抑制比无限大,;
5. 放大器无失调误差,,。
共模电压增益无限大的含义是要求差模信号要无限小,也就是认为理想运放两个输入端(同相端和反相端)之间的电位差为零。差模输入电阻,则表明在有限的输入信号时输入电流等于零,即两个差分输入端的电流为零。这就是运放的两条重要规律即:
I入=0,V+=V-
因为总是有限的,故必然有,但要注意,这一重要规律只有在线性应用时才是正确的。而在实际应用时,因为很高,只有在加负反馈条件下才能使运放工作在线性放大区。
由于集成运放有两个输入端,因此按输入接入方式不同,可以有三种基本放大组态。它们是构成集成运放系统的基本单元。
1).反相放大器
反相放大器组态电路如图1所示。
图1 反相放大器
此组态电路中:
输出输入关系:
增益:
输入电阻:
输出电阻:
2)同相放大器
同相放大器组态电路如图2所示:
图2 同相放大器
此组态电路中: ,
输出输入关系:
增益:
输入电阻:
输出电阻:
3)差分放大器
差分放大器组态电路如图3所示:
图3 差分放大器
此组态电路中: ,
输出输入关系:
增益:
输入电阻:
输出电阻:
由上面三种运放组态看出,理想运放的闭环特性完全由外接元件决定。
实际运放的主要参数比较接近理想运放,但总不能达到理想特性,所以,用实际运放来构成电路时,则要考虑到非理想特性对电路性能的影响,通过实践加深对实际运放各种性能的认识,真正掌握集成运放的使用方法。
四、实验内容
(一)反相比例放大器特性研究
1.直流反相比例运算
按图1连接电路,取,,
完成表1测试计算,并分析结果。
表1
结果分析:可知,实验测量求出的电压放大倍数基本上都与理论值有一定的偏差,这是因为实际中电阻、运放等器材并不是理想的,而是由一定的误差的。因此,对于一些实验就应根据其使用范围而选取不同精度的器材。
2.交流反相比例运算
实现:,
观测记录输入、输出波形,分析结果。
答:图像如下:
观察输出信号的波形,发现其为一个近似正弦的信号,使用万用表测得其有效值为4.675V。可见其放大倍数为9.35,与理论值(10)很接近。其近似图像如下:
理论图像 实际图像
结果分析:图为输入信号与输出信号峰谷相同,这是由于两个通道水平坐标的初始选取不同引起的,若两个通道调整为统一出事刻度可以观察到股峰相对,从而证明实现了反向放大功能。
(二)反相加法器特性研究
按照图4连接电路 ,
图4 反相加法器
取,,.完成表2测试及计算,分析结果。
表2
用示波器Y轴DC和AC输入方式分别观察波形,并比较有何异同。
答:用DC输入方式时,则看到的波形为一直线,而用AC输入方式时可以看到一个交变信号加载在直流信号之上。
(三)交流同相比例放大器特性研究
1.按图2连接电路
2.取,,,伏,完成表3测试,记录波形,分析结果。
表3
3.完成运算
取,,
计算的值,实测结果并分析.
解:理论上RF=20KΩ,实测结果是RF=18.8KΩ,比理论值要小,这是由于在使用数字万用表的不稳定性及集成运放的温度不稳定性及其制作工艺的误差等造成的。