电子技术基础课程设计报告

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电子技术基础课程设计报告题目：电子设计课程三实验

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日期：2018年1月

摘要

本设计主要分为三个模块，第一个模块是直流稳压电源设计，第二个模块是复合信号发生器，第三个模块是数字时钟，用第一模块的一个输出电压作为第二、第三模块的工作电压。

直流稳压电源设计主要由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路组成，能够输

出多路、稳定的直流电压，通过实际测量获得了输出纹波的波形，输入和输出电压

等参数，电源负载性能良好，符合设计指标要求。

复合信号发生器设计主要由RC谐振产生方波和四分频模块产生的5KHz方

波、积分电路实现三角波、同相加法器、滤波器的五个电路模块组成，采用通用四

运放324芯片和双触发器74HC74芯片，实现以上五种波形的产生，把以上两个模

块联通，示波器观察到的五种输出波形经测量，达到性能要求，滤波结果基本正

确。

数控时钟设计主要由晶振、分频、计数、进位、校时、BCD译码和LED显示七个模块组成。针对进位、校时两个模块中需要的逻辑运算使用二极管和三极管分别实现了与门和非门的逻辑关系，校时模块通过开关选择计数器输入的时钟信号为进位信号还是校时的8Hz时钟信号。

关键词：直流稳压电源；复合信号发生器；数字钟；单电源

Abstract:

The design is mainly divided into three modules. The first module is the DC regulated power supply design. The second module is the composite signal generator. The third module is the digital clock. And the output voltage of the first module is used as the working voltage of second and third modules.

The design of DC regulated power supply is mainly composed of a power transformer, a rectifier filter circuit and a voltage stabilizing circuit. DC voltage output can, through actual measurements obtained output ripple waveform parameters, input and output voltage of power supply load. Good performance, meet the design requirement.

The design of composite signal generator is mainly composed of five modules. RC resonant generate 5KHz square wave, four frequency division module generate 5KHz square wave, integral circuit realizes triangular wave module, phase adder module, filter module. Using the universal four operational amplifier chip 324 and double trigger

74HC74 chip to achieve the above five kinds of waveform generation. Connect the above two modules. The oscilloscope observed five output waveforms with measurements to achieve performance requirements, the filtering result is basically correct.

The design of CNC clock is mainly composed of seven modules: crystal oscillator, frequency division, counting, entry, school time, BCD decoding and LED display. According to the logical relationship AND and NOT realize the logic operation requires two modules, carry the school at the time of using diode and triode respectively, timing module through the switch selection of the clock signal of the counter input 8Hz clock signal to carry signals or timing.

Key words: DC regulated power; composite signal generator; digital clock; single power

一目录

二直流稳压电源 (1)

1任务要求 (1)

1.1 基本功能及主要技术指标 (1)

1.2 发挥扩展功能 (1)

2总体方案设计 (1)

2.1 电源变压器 (2)

2.2 整流电路 (2)

2.3 滤波电路 (3)

2.4 稳压电路 (4)

3电路设计与分析 (5)

3.1 集成稳压电源整体原理图 (5)

3.2 原理图分析 (5)

4系统实现与测试 (6)

4.1 系统实现方法 (6)

4.2 系统测试 (6)

4.3 实测结果 (7)

5关键技术与难点 (8)

6总结 (8)

7元器件清单 (9)

三复合信号发生器 (9)

1任务要求 (9)

1.1 设计任务 (9)

1.2 功能指标 (9)

2总体方案设计 (10)

2.1 方波产生器 (10)

2.2 四分频模块 (11)

2.3 三角波产生器 (11)

2.4 同相加法器 (12)

2.5 滤波器模块 (13)

3电路设计与分析 (14)

3.1 复合信号发生器整体原理图 (14)

3.2 原理图分析 (14)

4系统实现与测试 (15)

4.1 系统实现方法 (15)

4.2 系统测试 (15)

4.3 电路仿真和实际测试结果对比与分析 (16)

5关键技术与难点 (16)

6总结 (17)

7元器件清单 (17)

四数控时钟 (18)

1任务要求 (18)

1.1 设计任务 (18)

1.2 功能指标 (18)

2总体方案设计 (18)

2.1 晶振分频模块 (18)

2.2 LED显示模块 (18)

2.3 LED译码模块 (19)

2.4 六十进制计数模块 (19)

2.5 二十四进制计数模块 (20)

2.6 校正模块 (20)

3电路设计与分析 (21)

3.1 数字钟整体原理图 (21)

3.2 原理图分析 (21)

4系统实现与测试 (22)

4.1 系统实现方法 (22)

4.2 实际测试结果 (23)

5关键技术与难点 (23)

6总结 (23)

7元器件清单 (24)

五参考文献 (24)

二直流稳压电源

1任务要求

设计一个多路输出的直流稳定电源，满足后续电路设计、供电要求。

1.1基本功能及主要技术指标

1.同时输出四路电压/电流：＋5V/1A、-5V/0.2A、±12V/0.2A；

2.输出纹波电压小于10mV（最好V opp≤5mV），稳压系数小于5×10-3；

3.具有电源通电输出指示，具有过流、过压、过热保护功能。

1.2发挥扩展功能

1.输出一路连续可调电压：＋1.25V～＋10V，Iomax≥500mA；

2.扩展输出电流，＋5V工作电流2A，＋12V工作电流2A；

3.输出电压数字显示(3位半数字显示，基本量程0V～19.99V)。

2总体方案设计

电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流

发电机外，大多数是采用把交流电转变为直流电的直流稳压电源。直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如下图所示。家用电压供给的交流电压U1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压U2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压Ui，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到电压UI1,再用稳压电路，得到比较平直的直流UI2。

2.1电源变压器

电源变压器的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，这里所需电压值大约为9V和双路17V。电源变压器的功能主要有:电压变换;阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器)等。

2.2整流电路

整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。但是这种直流电的幅值变化很大。它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路。我选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。

在输入整流桥电压的正半周，电流从变压器上端线圈流出，只能经过二极管D1流向C1，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压在输入整流桥电压的负半周，电流从变压器下边线圈流出，只能经过二极管D2流向C1，再由二极管D4流回变压器，所以

D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过电阻时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，使通过C1的电压方向始终是一个方向，即上正下负，达到整流目的。

2.3滤波电路

整流电路将交流变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。

滤波就是将整流后脉动直流中交流成分除去，使之变成平滑直流的过程。滤波电路有电容滤波电路，电感滤波电路等等，具体的滤波原理很简单，就是利用电容的充放电过程，控制它的充放电时间。这里由于没有电感，就用电容滤波。

这里选择电容容量比较大的3.3mF的C3，因为输入的电压中的纹波频率比较小，所以选电容大的，这是最直观的感受，其实更为精确的应该有如下计算：

C>=（3~5）

IT ?V p p

式中T是交流电源周期，T=1

f

。

?V pp是整流桥输出端纹波电压的峰峰值；

I是电容C放电电流，可取I=Io max。

滤波电容C的耐压值应大于1.4V in。

2.4稳压电路

单片集成稳压器是把稳压电路的调整管、误差放大器、取样电路、启动电路、保护电路等集成在一个芯片上的专用集成电路。

固定输出的三端稳压器有输出正压和输出负压两类系列，分别用LM/CW78XX 和LM/CW79XX表示。

通过上图两类芯片的使用手册可以画出对应的典型的使用电路

芯片在输入输出两端都接小电容实现去耦的旁路电容滤除脉冲尖峰纹波并预防自激振荡。

对比手册中实例的15V的输出正负电压电路，将芯片更换为7812和7912即可实现正负12V的输出，实际的前端输入的电压为24V的正负直流电压（17V的交流

为23.8V）。

电经过整流滤波后为1.4V

整流

此外稳压器可以依靠自身封装散热，也可适当的增加散热片散热。加散热片的好处除了可防止稳压器过热损坏外，还能提高稳压器的额定输出电流。

3电路设计与分析

3.1集成稳压电源整体原理图

将输出的四端都接上测试的小电阻，以便于测试极端情况下电源的工作性能。

3.2原理图分析

原理图中各个元器件的选择是基于理论计算的前提下，依据实验室现有器材调整而成。

同时在仿真过程中，观察到与LED串联的分压电阻的阻值影响了最终输出的电压值。根据芯片的使用手册可知，芯片的输出电压与输出电流有直接的关系，可以得到当串联电阻的阻值大，则芯片输出电流小，芯片输出电压下降的就下，即探针测得的输出电压值大，因此适当改变串联电阻的阻值能够调整空载时电路的输出电压。

此外在芯片输出电路中并联了1mF较大的电解电容，稳定输出电压，改善负载变化时瞬态电压变化，增强电路的稳定性。

在芯片输入输出两段跨接二极管，预防输入端断电后，输入端电压下降比输出端还快时，出现芯片输出端电压比输入端电压高很多，损坏或击穿稳压模块。增加二极管后，保证两端反向压差不高于0.7V，保护稳压模块。

4系统实现与测试

4.1系统实现方法

调整原理图的布局，尽量能将元器件的摆放与实际布局相对应，简化实际焊接过程中的布局布线以及到导线的连接。

实际焊接过程中，由前至后逐模块焊接，以便于调试，实现功能。特别是集成稳压模块三管脚的焊接，注意不能接到一起。同时使用示波器观察每个点的波形，与理论相对应，验证各模块的功能。

正面图背面图在完成了本课程的实验要求后，再焊接一块电源实现了更低的纹波，更好的布局。

正面图背面图

4.2系统测试

4.3实测结果

4.3.1变压器

9V、17V、17V三路输出

4.3.2整流滤波

+5V、-5V两路+12V、-12V两路

4.3.3稳压器输出

+5V、-5V两路+12V、-12V两路直流电压

+5V、-5V两路纹波+12V、-12V纹波5关键技术与难点

本模块中设计的关键还是对于电容的使用以及稳压器三端管脚的使用方式。

首先是电容一大一小并联进电路。其原理和实现功能汽车起初不能理解，还是按照书本中理论的波形进行设计，未考虑到实际线路中由于导线具有阻值，布局过程中可能导致射频的环路电磁干扰等因素造成了波形的不理想，具有高频的噪声以及周期型的大的纹波。

其次是对稳压器内部结构不理解，不深入。在设计过程中简单的认为实现了电压的转换，认为是理想无损耗的。而实际中不足50%的效率造成的高热量也致使了输出不稳定，在后期增加散热片用以改善损耗大的问题。

最后是散热片的问题，起初布局时未考虑散热片，后期加装时只能倒过来与芯片散热处接触。致使模块的不牢固。

6总结

虽然前期选修了电子课程设计，也实际的焊接了DT830B万用表和FM贴片收音机。却没有从设计到实现，这一整体流程完成一个成品。

对于焊接，也认识到了洞洞板（实验板）的焊接与PCB板的不同，特别是焊点的连接，导线的布局与引脚的固定方式。

学会使用元器件的使用手册，调整范例以简化设计流程，确定管脚的连接方式。

认识到电解电容的极性，通过实验观察到反接的危险性。

明确实现过程中需要由先至后，逐步测试再进行下一模块的焊接。

7元器件清单

三复合信号发生器

1任务要求

1.1设计任务

使用指定的LM324和74LS74芯片制作一个复合信号发生器。

设计制作一个方波发生器输出方波，将方波产生器输出的方波四分频后再与三角波同相叠加输出一个复合信号，再经滤波器后输出一个正弦波信号

1.2功能指标

1.方波产生器输出信号参数要求：V p p=3V±5%，f=20KHz±100Hz，输出电阻R=600Ω，波形无明显失真；

2.四分频方波输出信号参数要求：V pp=1V±5%，f=5KHz±100Hz，输出电阻R=600Ω，波形无明显失真；

3.三角波产生器输出信号参数要求：V p p=1V±5%，f=5KHz±100Hz，输出电阻R=600Ω，波形无明显失真；

4.同相加法器输出复合信号参数要求：V pp=2V±5%，f=5KHz±100Hz，输出电阻R=600Ω，波形无明显失真；

5.滤波器输出正弦波信号参数要求：V pp=3V±5%，f=5KHz±100Hz，输出电阻R=600Ω，波形无明显失真；

6.每个模块的输出的负载电阻为600Ω，应标识清楚、置于明显位置，以便于检查。

7.电源只能选用+5V单电源，由稳压电源供给。

8.要求预留方波、四分频后方波、三角波、同相加法器输出复合信号、滤波器输出正弦波和+5V单电源的测试端子。

2总体方案设计

2.1方波产生器

参考模电课本给出的方波发生器，依据RC电路的充放电以及运放构成的比较器实现了方波发生器。

特别注意的R2的精度要求较高，R1与R6的比值确定输出的方波的中心频率。

但由于LM324的带宽资源受限，不能实现边沿的快速上升与下降，因此实现20KHz的方波时，仿真的结果为近似方波的梯形波。

R7和R8的比值改变了运放参考电压，改善梯形波上下边长度不一致的问题。

在输出端增加可调电阻，输出要求的3V方波.

2.2四分频模块

根据选用的74LS74芯片，将其看为两个D触发器，每一级的D触发器都将输出的~Q作为输入的置数D，输入时钟为输入信号，实现了输入信号的二分频，两个D触发器级联，实现了的四分频。

2.3三角波产生器

同样依据模电课本实现方波转三角波，利用积分电路的原理。实际上就是R24和C17两者的充放电，实现了积分的功能。

U=U(∞)+[U(0)?U(∞)]exp（??t τ

）

式中U（0）是初始电压，U（∞）是充电完成的电压，τ是充电时间常数。

解方程得到

T=2R24C ln（1+2R24

R23

）

此外由于单电源供电，输出的方波含有直流分量，增设C5截留交流分量，R18即做负载，也当作直流分量的泄流电路。

调节R24和R23的比值，能够调整输出三角波的峰峰值，简单的选取两倍关系，利用可调电阻改变输出的电压值以满足题目要求。

2.4同相加法器

参考模电课本，调整电阻阻值使得便于实现，R1、R8和R7三个电阻的阻值相同，实现信号的等比例相加，反馈电阻R9与R6接近两倍的比值增益输出的复合信号幅度。

根据运放“虚短”和“虚断”的原则，节点的电流方程，解方程得到输出的表达式为

U=?R f（u1

R1

+

u2

R2

）

2.5滤波器模块

因为本例中复合信号含有正弦波，因此滤波器的设计主要以正弦波的滤波为主。考虑到LM324芯片四运放只剩余一个运放，因此考虑使用压控滤波。

3电路设计与分析

3.1复合信号发生器整体原理图

3.2原理图分析

原理图中各个元器件的选择是基于理论计算的前提下，依据实验室现有器材调整而成。

同时在仿真过程中，观察到方波产生器输出的方波波形不理想，边沿变化处不能很好的、迅速的跳变。基于LM324是通用四运放，其增益带宽积较小，分析其运算时，对于约5KHz以下的信号能够实现比较理想的方波，如果产生较高频率的方波，则在其边沿处会出现比较明显的延迟或缓慢变化，将理想的方波实现为较明显的梯形波。

其次在元器件的选择过程中，尽量秉承着运放周围电阻阻值在5KΩ到100KΩ之间，参考电压的分压电阻阻值尽可能小，基本小于5KΩ的原则。

在输入端增加大电容与小电容，稳定输入电压，增强电路的稳定性。

考虑到单电源供电的局限性，运放输出的波形电压只能在0?5V之间，因此各模块输入输出的波形均为含有直流分量的波形。

4系统实现与测试

4.1系统实现方法

将实验用洞洞板大致划分为四个区域，通用四运放LM324居于电路板中心，以十字方式划分各模块的范围，将芯片的管脚以蜘蛛的形式延长并展开，便于其余器件的布局，提高抗干扰性能。

实际焊接过程中，由前至后逐模块焊接，以便于调试，实现功能。

正面图背面图

4.2系统测试