《模拟电子技术》课程设计

题    目     拍手开关设计 

学生姓名                   

专业班级   10级自动化2班 

学    号       201042162  

院 （系）    电气工程学院 

指导教师        刘筠筠    

完成时间   2012年10月25日

目    录

1  课程设计的目的.... 1

2  课程设计的任务与要求.... 1

2.1  课程设计的任务.... 1

2.2  课程设计的要求.... 1

3  设计方案与论证.... 1

3.1  控制方案与论证.... 2

3.2  输出方案与论证.... 2

4  设计原理及功能说明.... 3

5  单元电路的设计.... 4

5.1  多级放大电路部分.... 4

6  硬件的制作与调试.... 5

6.1  硬件的制作.... 5

6.2  重要元件.... 5

6.2.1  电容.... 5

6.2.2  三极管.... 7

6.2.3  驻极话筒.... 8

6.3  硬件的调试.... 9

7  总结.... 11

附录1：总体电路原理图.... 13

附录2：元器件清单.... 14

附录3：实物图.... 15

 

1  课程设计的目的

巩固加深对模拟电子技术基础的知识理解，提高综合利用所学知识的能力，培养学生独立分析问题，解决问题的能力。

通过查找资料、选方案、设计电路、仿真和调试、写报告等环节的训练，熟悉设计过程、步骤。为今后从事电子线路的设计，研制电子产品打下基础。设计模拟电路，实现特定功能，学习这一技能，积累一方面的经验。

2  课程设计的任务与要求

2.1  课程设计的任务

本次课程设计将要制作一个能实现拍手即开，再次拍手即关的小装置，装置中的发光二极管用于观察开关实现。

首先设计好电路选择元器件，再制作PCB板，然后检阻、电容、二极管、发光二极管、三极管、话筒、接线端、电源线、PCB板等查各元件是否完好，然后焊接元件至PCB板上，最后通电调式检查成果。

2.2  课程设计的要求

1. 设计并制作一个拍手即开，再次拍手即关的装置，使用发光二极管来观察开关的状态；

2. 电路的频响限制在3KHz左右；

3. 电路采用直流5V电压供电。

3  设计方案与论证

本系统设计的是一个拍手开关，根题目的要求，我们设计了下几个方案并论证。

3.1  控制方案与论证

方案一：采用音频放大电路和多谐振荡电路组成，此电路不但简单，而且价格也很便宜。但是功能较为简单，仿真时较为复杂，能达到的效果不太理想。  

方案二：采用单片机实现，仿真较为简单，电路简单。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。但是此次是模电课程设计，所以练习的是模拟信号电路，再说自己的编程还是十分的软弱，应该自学到更多的单片机后再进行设计。

    综上所述，由于本系统要求模拟信号电路，通过比较我们选择方案一。

3.2  输出方案与论证

    方案一：采用多级放大电路，用多级放大电路设计电路不但简单，而且又能达到应有的效果。

    方案二：采用正规的输出电路，这样以来又要设计输出电路，焊接整个输出电路，增加了这个设计的工作量。

    综上所述，由于本系统要求不那么精确，所以我们选择方案一。

4  设计原理及功能说明

图4-1 电路原理图

本电路主要由音频放大电路和双稳态触发电路组成。

Q1和Q2组成二级音频放大电路，由MK1接受的音频信号经C1耦合至Q1的基极，放大后由集电极直接馈至Q2的基极，在Q2的集电极得到一负方波，用来触发双稳态电路。R1、C1将电路频响限制在3kHz左右为高灵敏度范围。电源接通时，双稳态电路的状态为Q4截止，Q3饱和，D3不亮。当MK1接到控制信号，经过两级放大后输出一负方波，经过微分处理后负尖脉冲通过D1加至Q3的基极，使电路迅速翻转，D3被点亮。当MK1再次接到控制信号，电路又发生翻转，D3熄灭。电路板上预留有接外控设备的接线端J1,可通过J1连接继电器对其它设备进行声控。（接继电器时需在继电器线圈两端反并一只二极管）

本电路采用直4.5流V电压供电，LED熄灭时整机电流为3 mA， LED点亮时整机电流为6mA。

5  单元电路的设计

5.1  多级放大电路部分    

 

图5-2 多级放大电路的一般组成框图

图5-1 多级放大电路的一般组成框图

    常用的耦合方式有四种, 即阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合。四种耦合方式各有利弊，要根据具体使用要求进行选择。 

多级放大电路的指标计算：  

电压放大倍数，对于n级放大电路有如下公式：   

Au=Au1 × Au2 × Au3 ×…… ×A       （5-1）

输入电阻和输出电阻 ：          

一般说来, 多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻, 而输出电阻就是输出级的输出电阻。由于多级放大电路的放大倍数为各级放大倍数的乘积, 所以, 在设计多级放大电路的输入级和输出级时, 主要考虑输入电阻和输出电阻的要求, 而放大倍数的要求由中间级完成。具体计算输入电阻和输出电阻时, 可直接利用已有的公式。但要注意, 有的电路形式, 要考虑后级对输入级电阻的影响和前一级对输出电阻的影响                                                                                               

6  硬件的制作与调试

6.1  硬件的制作

首先准备好全套元件后，用万用表粗略地测量一下各元件的质量然后插在泡沫板上。按电路图先把电阻插上焊接，接着电容，总之是按从小到大的顺序焊接的。焊接时要注意的是焊接有极性的元件如电解电容、整流二极管、三极管、晶闸管等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。特别想说的就是万能表的使用，由于接触的还很少，知识的不完备，在使用万能表时出现点小插曲，检测二极管时红黑表笔接的内部电源，数字万能表与指针万能表是有区别的，测电压，电流时，红表笔接被测电源正极，黑表笔接被测电源负极。数字万用表，在电阻档时，红表笔接的万用表内部电池的正极，黑表笔接的内部电池的负极。指针万用表， 在电阻档时，红表笔接的万用表内部电池的负极，黑表笔接的内部电池的正极。测普通电阻，可不分表笔颜色.。测半导体等有方向性的器件时，例如二极管:数字万用表，红表笔接二极管正极，黑表笔接二极管负极,指针万用表，黑表笔接二极管正极，红表笔接二极管负极。

6.2  重要元件

6.2.1  电容

图6-1电容

电容（或电容量， Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。也是电容器的俗称。

数字表示法：三位数字的表示法也称电容量的数码表示法。三位数字的前两位数字为标称容量的有效数字，第三位数字表示有效数字后面零的个数，它们的单位都是pF。

如：102表示标称容量为1000pF。

221表示标称容量为220pF。

224表示标称容量为22x10(4)pF。

电解电容器的极性检测：

电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极）。但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。

6.2.2  三极管

S9013管脚分布情况如图6.2所示：

图6-2三极管S9013

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

参数：从左往右依次为发射极、基极、集电极结构 NPN

集电极-发射极电压：25V；

集电极-基极电压：45V；

发射极-基极电压：0.7V；

集电极电流Ic Max ：0.5A；

耗散功率：0.625W；

工作温度：-55℃ ~ +150℃；

特征频率：150MHz；

放大倍数：D64-91 E78-122 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300；

主要用途：放大电路。

6.2.3  驻极话筒

图6-3 驻极体话筒

驻极体话筒是电容话筒的一种。电容话筒的基本原理就是用一个电容器作为声信号——电信号的转化器，这个电容的一个极板可以感应声压的变化，起到声信号摄入的作用。通常这一极由金属化的高分子膜片构成，与另一极构成一个极间距离可以改变的可变电容。在有声压作用时，膜片发生振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，电容容量也相应的随声信号而发生变化。假如此时已经给电容加上了一个恒定的电压，那么电容容量的改变将使得电容上极化的电荷量发生改变，从而在电容两端产生一个电信号，达到声—电信号转换。

某些材料在加上电荷后可以基本上永久性的保存住这些电荷，这就是通常所说的驻极体材料，使用这些材料的话筒就是所谓的驻极体电容话筒。电容话筒拾声单元有两个极，其中的一极是可以振动的金属化膜片，另一极则为金属极板。对驻极体电容话筒来说，就是将其中一个极用驻极体材料制成或加上驻极体材料，利用驻极体材料本身可以保存电荷的特点，由驻极体提供正常工作所需恒定电压。这样省去了提供给话筒极头工作所需电源电压的部分，结构简单，体积也小。

依据使用驻极体材料的位置，又可分为膜片式和背极式两种。早期驻极体话筒多采用膜片式，即使用驻极体材料制作膜片，工艺相对简单，技术要求不高。但是由于使用驻极体材料制作的膜片的音质效果并不是很好，现在的驻极体话筒多采用背极式，即在电容的另一极（背极）上附着驻极体材料、极化电荷，而膜片材料则可从拾音角度考虑，选择音质效果较好的材质的膜片。从目前技术发展来看，背极式传声器是驻极体话筒的一个趋势。

驻极体传声器相对于一般电容传声器来说，生产工艺简单，成本低，适于大批量生产。同时体积较小，使用时比较方便，广泛应用于多种场合，比如一般会议场合，语音通讯系统，如电话机、摄像机、手机、复读机等等。但驻极体话筒拾声的音质效果相对差些，多用在对于音质效果要求不高的场合。

6.3  硬件的调试

准备好全套元件后，用万用表粗略地测量一下各元件的质量，做到心中有数。焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、整流二极管、三极管、晶闸管等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。

调式：

当一个电路板焊接都完成后，在检查该电路板是否可以正常工作时，通常不要直接给电路板供电，而是要按下面的步骤进行检查，确保每一步都没有问题后在上电也不迟，以免造成不必要的危险。

（1）连线是否正确

对着电路图一部分一部分仔细的检查，是否有连错的，仔细观察线路布置的是否合理，仔细观察是否有焊接错误的，少焊多焊的。

（2）电源接口是否有短路现象    

这里就体现出调试之前不上电的原因，有的电源接口短路，这样会造成你的电源烧坏。有时会有电源爆炸的事故发生。使用万用表测量一下电源的输入阻抗。这是必须的步骤。再设计是电源部分可以使用一个0欧姆的电阻来作为调试方法，上电前先不焊接电阻，检查电源的电压正常后在将电阻焊接在PCB上给后面的单元供电。以免造成上电由于电源的电压不正常而烧毁后面单元的芯片，但是贴片的就更麻烦！电路设计中增加保护电路，比如使用自恢复保险丝等元件。　　

（3）元器件安装情况    

主要是检查有极性的元器件，如发光二极管，电解电容，整流二极管等。以及三极管的管脚是否对应，对于三极，同一功能的不同厂家其管教的排序也是不同的。所以最好使用万用表测试一下！

以上检查到位以后就可以通电调试了。

打开电源，给系统加上信号源（如拍手声、打击声），用眼睛直接观察发光二级管是否亮，再次加上激励时看是否熄灭。

7  总结

最后在我们辛苦的焊接检查调试之后终于成功了。实现了拍手开关的效果。在本电路的设计中，虽然我花去了很多的时间和精力，下了很大的功夫，因为实际的元件参数和外界环境的影响，和实际的理论值不太匹配，有些差异，使我明白了实践的重要性。

该电路从何用到了各种元器件，去图书馆查阅了相关的资料和书籍，并且上网也查询了相关的资料，获得了许多相关的信息，使我受益匪浅。同时元器件的选择对本电路的成功与否也起着非常重要的作用。

通过本次的设计与制作，首先使我了解了设计电路的步骤与设计的理念，更加熟悉了各种元器件的参数及功能作用，对各种电路有了初步的了解；其次，通过这次课程设计对我们所学的一些知识起到了加深和巩固的作用，也使我获得了搭建和调试实验电路的能力；最后，通过这次课设也锻炼了我的主动学习能力、与他人合作的能力，还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研究学习，提高了我们的实际动手能力，对我们以后的学习和工作都将有很大的帮助。

参文考献

[1] 童诗白，华成英. 模拟电子技术（第四版）. 北京：高等教育出版社，2006

[2] 陈梓城. 实用电子电路设计与调试. 北京：中国电力出版社，2006

[3] 谢自美. 电子线路设计、实验、测试，第二版. 武汉：华中科技大学出版社，2000

[4] 李万臣. 模拟电子技术基础实验与课程设计. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001

附录1：总体电路原理图

附录2：元器件清单

 

附录3：实物图

第二篇：电气课程设计三

抚州市调度自动化系统的结构功能设计

1、设计目的

为适应电力系统的发展,提高电力系统的调度管理水平,抚州市电业局计划建设技术先进,功能全面,性能可靠,并具有良好的扩展能力的网络环境的县级电网调度自动化系统,以推动企业管理现代化,提高整体素质和现代化管理水平,从而产生明显经济效益.依据电力工业部颁发的《地区电网调度自动化设计技术规程》等相关的电力行业系统规范,本着技术先进,功能完善,经济实用和可扩充性的原则拟定。

我们设计的电力调度自动化系统采用的电力远动装置是一种计算机智能化产品，对 35kV以F的变电所可以取代部分继电保护的功能。改善了以往由于采用紧凑式模板框架结构导致不利于维护、扩充等固有的缺陷。本系统突破了传统设计思想，采用松散总线、模块化结构使远动装置集中兼备了集敞式、模块化、分布智能化、测量转换一体化(交流采样)和面向配电线路的技术特征，符合国际上测量控制产品的发展方向。电力系统遥行的初期阶段，由于通信设备的限制，调度人员要花很长的时间才能掌握有限的信息，主要靠一些自动装置，电话以及运行人员的经验来调度和操作，因此不能很有效地管理电网。随着电网迅速地扩大，对电力系统安全经济运行的要求也愈来愈高，电力系统运行愈来愈要求电网调度自动化，这从客观上促进了该项研究的可能，另外由于计算机技术的发展，也使这种要求能得以实现。

2、设计基本要求

设置在电网调度控制中心的计算机控制系统称之为中央控制系统(也称主站系统)。中央控制系统是整个电网调度管理控制系统的心脏部分，其任务是收集来自电网生产过程的数据和信息．分析处理这些数据或信息并为电网调度操作人员显示其结果，指挥电网生产运行方式和操作。

电力调度自动化系统早期为集中式，致命的弱点是系统的维护必须是专业或厂家技术人员，这是因为集中式是将同类参数如遥测、遥信等都集中安装在一个箱体内，一路出错影响整个站端的正常运行，况且集中式的采集板为插板式本身就有许多缺点渚如抗干扰性差、电磁兼容性查等，所以我们设计了按线分布式和功能分布式RTU构成方案。

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该系统的计算机构成局域网或按用户要求组成其它网络，同时可以按照用户的要求配置前置机数量、后台机及是否使用服务器。主、备信道根据用户静的情况选定(载波、微波、专线、通信电缆、无线扩频)，规约采用标准的CDT、POLLING规约，RTU模块选用按线式或功能式，可以选定。

3、以通讯电缆为传输设备的构成方案

从广义上洪，所有的数据传输都可以称为“通信”。通信可分为并行通信和串行通信。在长距离的情况下，尤其像电力系统这样的一个地域广阔的网络系统，根本不可能并行通信，只能是串行通信。通讯电缆为传输设备的构成方案如图2

图2 通讯电缆为传输设备的构成方案

4、电网远方终端处理装置(RIU)

远方终端处理装置简称RTU(Remote Terminal Unit)，它是调度自动化系统的基础设备，它安装于各发电厂、变电站内，负责收集电网各种信息，监视供电设备、执行上级命令并负责向调度中心发信息(丁梳山2002)，因此RTU在电网调度自动化中，是一个重要的环节。站端监控系统如图3。

图3 站端监控系统

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RTU实际上是“一个由微型计算机组成的监测设备，通常RTU采用8位或16何的计算机，它包括中央处理器CPU、存储器RAM，只读存储器ROM，并行接口与串行接口等。电网的电压、电流等参数经A／D转换进入计算机，经过一定处理存入RAM中。

电气开关、继电保护接点，经过节点电平转换电路后，通过并行口进入CPU，通过程序对进入的数据进行处理后，在当地要通过输出电路加以显示记录。有事故或越限时，还要报警显示。为了向调度中心发送当地电站运行参数，还要有串彳亍通道，通过调制解调器向上级发送信息。并且通过它，向当地传送上级调度的命令。系统主站硬件配置如图4。

图 5 系统主站配置

5、主要设计指标

对于系统硬件来说，主要需考虑下述部分的配置。由于计算机硬件技术是按摩尔定 律的速度迅速发展，所以其基本参数标准需随着相应技术的发展适时调整。

(1)主计算机

主CPU：RISC／CISC、主振速率、高速缓存容量、内部总线／外部总线的宽度与速率等 内存：类型(EDO、ECC、SDRAM)、速率、纠错方式

硬盘容量及接口：接口类型(IDE、EIDE、SCSI II)、传输速率、冗余备用方式

串行口、并行口、USB口：数量、采用的标准、通用程度

CD—ROM／DVD：速率、容量、读／写、纠错方式

显示：显存容量、分辨率、速率、色彩

软驱：容量、速度

(2)外设

显示器：尺寸、分辨率

打印机：针打／喷墨／激光的纸幅、速率、噪音、介质、色彩

辅存：容量、速率、结构

(3)网络设备：

集线器、路由器、交换机、网络介质及布线方式、冗余设备切换方式等。

(4)其它

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多媒体、热插拔、电源管理、设备管理等。

6、 结论

本系统突破了传统设计思想，采用松散总线、模块化结构使远动装置集中兼备了集散式、模块化、分布智能化、测量转换一体化(交流采样)和面向配电线路的技术特征，符合国际上测量控制产品的发展方向。电力系统运行的初期阶段，由于通信设备的限制，调度人员要花很长的时间才能掌握有限的信息，主要靠一些自动装置，电话以及运行人员的经验来调度和操作，因此不能很有效地管理电网。随着电网迅速地扩大，对电力系统安全经济运行的要求也愈来愈高，电力系统运行愈来愈要求电网调度自动化，这从客观上促进了该项研究的可能，另外由于计算机技术的发展，也使这种要求能得以实现。电力调度自动化系统早期为集中式，致命的弱点是系统的维护必须是专业或厂家技术人员，这是因为集中式是将同类参数如遥、遥信等都集中安装在一个箱体内，一路出错影响整个站端的正常运行，况且集中式的采集板为插板式本身就有许多缺点诸如抗干扰性差、电磁兼容性查等，所以我们设计了线分布式和功能分布式RTIJ构成方案。该系统的计算机构成局域网或按用户要求组成其它网络；同时可以按照用户的要求配置前置机数量、后台机及是否使用服务器：主、备信道根据用户的情况选定(在波、微波、专线、通信电缆、无线扩频)：规约采用标准的CDT、POLLING规约；RTU模块选用按线式或功能式可以选定。本系统的设计与实现对丰城市电力事业的发展必将起到积极的作用。

7、参考资料

L 刘键 倪建立 邓永辉，配电自动化系统，中国水利水电出版社，1999

2 同向前 于键明 苏文成，供电技术，西安理工大学，机械工业出版社，1995

3 黎连业 网络工程与综合布线技术，清华大学出版社，1997

4 丁梳山 南俊星主编，微机保护与综合自动化系统，中国水利水电出版社．2002 5 周杰娜，现代电力系统调度自动化，重庆大学出版社，2002

6 陶浦渊，李强．Sybase数据库技术大全 北京：科学出版社，1995

7 刘然．地理信息系统软件述评．Pc MAGAZINE，1996(1)

8 薛华成．管理信息系统．第2版，北京：清华大学出版社，1993

9 BillHatfield著．PowerBuilder 5应用程序开发指南．第4版．史森等译¨北京：清华大学出版社．1997

10 吴风书 主编．许祥等编．电力企业计算机管理信息系统．第三册．电力生产管理信息系 统．北京：中国电力出版社。1996

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