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1、 电子技术课程设计总结 稳压管稳压值的测量 一 课题内容及分析我本人对半导体器件比较感兴趣，对这方面的内容也比较熟悉，又考虑到后面的编程实验还会接触到超声波芯片，所以在做数模混合实验的时候我选择了稳压管稳压值的测量，这样小学期前后部分接触到的内容交集就更少，能从中学到的东西会更加丰富。下面是实验课题：基本要求：设计一个参数测量电路，对稳压管的稳压值进行测量。测量结果用LED数码管数字显示，要求显示清晰，无数字迭加现象，并满足如下指标： 被测稳压管的稳压值范围在0.019.9 V之间； 工作电流为5mA。稳压管接入电路通电后，不需要进行手动调节，自动满足工作电流的要求； 室温下的测量误差不超过0
2、.1V+读数的百分之一； 当被测稳压二极管的稳压值超过19.9V时，蜂鸣片发出间歇式的嘀一嘀声响提示。提高要求：对上述部分电路进行修改，用来测量N沟道结型场效应管2N5486的夹断电压。该任务看似简单些，其实要做好也并不容易。此题综合性较强，对模拟电子和数字电子的考量非常细致，用到了非常多的常用电路和芯片。同时，也着重考察如何提高常用电路的精度、如何实现电平转换、如何衔接各模块等，非常有助于我们更深入的理解模拟和数字电路以及它们合成的混合电路。所以我认为这个课题更有挑战性也会给我更大的收获。二 方案比较和选择对于这道题目（基本要求），我解决它的时候将其分成六块，分别为稳流模块、电压取样模块、报
3、警模块、压控振荡模块、计数模块和时钟模块。1） 稳流模块：要保证流过稳压管的电流自动满足5毫安，可选择的电路有以差分电路为基础的电流源、以运算放大器为基础的电流源等等，但我个人认为直接用三极管的积极与射极（集电极）的电流比例关系更方便，电路简单，稳流效果也会非常好，只需将三极管严格控制在放大区即可。因此，稳流模块选择简易三极管电路构成。2） 电压取样模块：经过如上稳流的稳压管两端的电压差为我们测量的对象，后级需要对地的电压，所以需要电压取样，将电压差转化为对地输出。此处还有一点考虑，需要测量的电压范围为0.019.9，跨度比较大，超过了运算放大器的最大输出电压和学习机提供的最大电压，对后续处理
4、造成诸多不便，所以也需要将电压值适当比例缩小。此处通常用的就是以运算放大器和反馈为基础的加减运算电路。3） 报警模块：报警模块我暂时有两种想法。第一种是在电路的最末端下手。因为显示的精度为0.1V，最大值为19.9V，超过这个极限的最小电压为20.0V，所以可以考虑将示数的十位（4位二进制码）的末两位做与运算，判断01，这样可以达到报警的目的。但是考虑到实验中会有误差、干扰等各种不可预知的情况，再加之考虑到最终的示数可能会出现跳动的情况，那么报警就可能失灵。所以采取了第二种方法。第二种方法是基于单限比较器。这里就用到了上面提到的取样电压比例缩小的问题。因为阈值是19.9，没有这么高的电压。因此
5、，报警模块选择第二种，配合适当频率的时钟模块，即可实现蜂鸣。4） 压控振荡模块：此部分可以说是实验的核心，它的运转情况直接影响着最后的测量结果，需要很好的精度和线性度。此部分有电荷平衡式、复位式等等。考虑到电路实现的方便程度，最终选择了一种电荷平衡式电路。5） 计数模块：用三篇74LS90构成。不选用74LS161的原因是进位处理异常麻烦（主要原因是没有与门，需要反向再或非）。之所以用三片是希望即使测量值超过设定限度仍能正常示数。在这里还需要提到的一点是清零信号的问题。为了产生清零脉冲，可以选择的电路有555构成的单稳、施密特构成的单稳、施密特构成的积分和微分电路、运放构成的方波发生器和运放构
6、成的微分器等等。考虑信号质量和电路难易程度，最终选择的电路是施密特构成的积分电路和运放构成的微分器，两者电路实现都很简单。但最终实践证明前者行不通。故用后者。6） 时钟模块：时钟电路可以选择的有施密特构成的多谐振荡电路、运算放大器构成的多谐振荡器和555构成的多谢振荡电路等等。考虑精度、方波质量的好坏和电路难易程度等最终选择555芯片为基础构成2个时钟电路。一个的周期为0.6s，占空比为0.2，用于示数；另一个周期为0.55s，占空比约为0.5，用于蜂鸣。以上便是我对电路模块实现的选择及其原因。三 模块设计与参数估算1. 稳流模块和电压取样模块取be之间的电压为0.7V，设定放大倍数为235倍
7、（我的三极管的实际放大倍数），假设理想运放。由于电压取样模块处电阻阻值很大，其中的电流忽略。根据，为使集电极电流为5mA,基极电流应为21.3微安，所以基极电阻理论值为531KOhm。经调整，实际电路参数选择为610KOhm。为了方面示数计算，电压采样电路的比例选择为0.5。根据，同时为使此部分电路不致影响前级的稳流效果，所以取Rf=30KOhm,R2=60KOhm。之所以要取负号是为了方便后级压控振荡。经过实际检验，这两部分电路完全符合要求。电流误差为0.1毫安以内，电压误差为0.01V。2. 报警模块单限比较器正端用分压的方式取得-10V，负端接电压取样输出。取-10V是因为超过给定限度的
8、第一个可测电压为20.0V，经过运算正好为-10V。如果稳压值再大，单限比较器会产生高电平，使555工作，产生方波，引起蜂鸣。需要指出的是为了衔接模拟与数字电路，中间用到了电平转换电路，使得输出为+5V或-0.7V。此模块中的555参数介绍：根据，取C为470nF,两电阻分别为300KOhm和841KOhm（91KOhm+750KOhm），频率为1.55Hz。根据占空比为0.576.3. 压控振荡模块根据，取R6=100KOhm，C1=100nF，R8取10KOhm，R11理论值为200KOhm。经过仿真调整，仿真中R11取300KOhm。对应关系为5V1000Hz。此处同样需要调整电平。但不
9、能直接调整，否则滞回比较器会不工作。所以增加了一个电压跟随器，并对其输出处理，使输出为+5V和-0.7V。这里需要强调的一点是R6和R9的选取。R6要远远大于R9，否则电容充放电时间都不能忽略，上述关系式误差很大，电压与频率不成线性关系。实际中两者相差1000倍，线性度良好。4. 计数模块计数器部分主要说一下输入时钟。实际的输入时钟是一个555产生的闸门信号和电压振荡器与的结果。闸门高电平时计数，低电平时保持，上升沿时清零。清零脉冲由微分电路产生，由于产生的波形可能会有毛刺，会影响计数的准确程度，所以增加了施密特反相器，利用其滞回特性整波。经整理，输出的脉冲符合要求。5. 时钟模块此模块中的5
10、55参数介绍：根据，（相当于反向的占空比为0.2的时钟信号）。令T=0.6s，取C为470nF,则两电阻分别为R12=1.1MOhm,R13=368KOhm。经过实际调整，R12取1.125MOhm，R13取310KOhm。计算q=0.82.则闸门开启的时间为0.10099s，比0.1s长很多（相对于计数频率非常高而言）。主要原因是清零脉冲的影响。清零脉冲有一定的宽度，加上计数器得到的计数脉冲频率很高，极端的时间就会损失大量脉冲，所以闸门开启时间要长一些。此数据是根据实测用滑动变阻器调整的。此处时钟的时间设计主要是考虑避免数字闪动以及让人眼能够识别，所以先前的计数环节要快，避免计数过程显示在数
11、码管上；而后来的闸门关闭时间要适当的长，长于引起视觉需要的时间。实验中取0.5s左右。四 实验总图五 选作实验框图设计选作实验基本继承了原电路图。主要是第一级有变动。选做实验需要测量UGS（off），其定义为Id=10微安时的UGS.则此问题的关键为控制电流为10微安。可以选用微电流源、镜像电流源控制，但对称性很好的管子非常不好找。所以我选择如上电路图，不要求两个管子参数一样。用Q3的基极电流控制其集电极电流，将其集电极与另一管子的射极相连，则该管子的射极电流固定，进而可控制其基极电流。而其基极电流正是Id.之所以这么麻烦的控制是因为需要控制的电流太小，不可能通过三极管的集电极直接非常好的控制
12、，而这个量级的电流作为基极电流刚刚好，所以产生了上面的电路。电流控制方程为。通过测量R1两端的电压可知射极（集电极）电流，进而可反推验证Id。用数字万用表测量电流为10微安时栅源之间的电压为-4.65V(6号板上的管子，这个数确实有点大，请老师明鉴，是实测的)，用我的电路测量的结果为-4.7V，误差很小。六 选作实验总图七 实验结果与问题分析总的来说本次实验的结果还是非常满意的。各模块精度都很高。a. 稳流模块稳压管内电流与理想值5毫安误差为0.1毫安量级；b. 电压取样电路误差为0.01V左右；c. 压控振荡电路当输入是-5V时输出频率与理论值偏差为35Hzd. 闸门电路环节通过滑动变阻器的
13、调节与振荡电路配合默契，使得最终数码管的示数与实测值相差在0.1V以内，符合实验要求。同时示数没有出现频繁闪动看不清的现象。实验结果是令人满意的，但实验过程中也出现了一些问题：1） 分别连接并调试好稳流模块和电压取样模块后，当将两者相连，稳压管内电流变小，与5毫安的误差比较大。猜测是电压取样部分流过了部分电流，影响了稳流效果。于是采取加大运放正、负输入端电阻的方法解决。最终取电阻为30KOhm和60KOhm，问题解决。2） 压控振荡模块线性度不够。实测发现频率不随电压线性变化，而是一条斜率递减的曲线，当电压为10V时误差竟达到400Hz。考虑到是压控振荡器入段电阻与跟二极管串联的电阻阻值差距不
14、够悬殊，于是将入段电阻增大到100KOhm，二极管串联电阻减小到100Ohm，相差1000倍。实测发现误差仍为400Hz左右，没有明显改善。检查电路、电阻阻值和运放好坏后均没发现问题，怀疑是运放不合适。我做压控振荡模块用的运放是LM324。询问老师后确认是芯片不适合的原因。将LM324换为LM347，问题解决，在给定的测量范围内误差仅为35Hz。3） 清零信号环节。最初搭建清零信号是用施密特触发器搭建的积分电路。经测量确实产生了脉冲信号，但当接到计数环节（LS90）的R端却发现没有清零效果。查阅课本发现对此电路正常工作的要求是触发脉冲的信号源的宽度要宽于脉冲的宽度，并且此电路产生的波形边沿较差
15、。于是采用改进的电路，引入正反馈。理论上来说这个电路此时已经能够在窄脉冲触发下工作，但实际电路中，清零效果仍然非常不理想，不是根本不清零就是显示一直为零。最终决定更改原理，改成以运放为基础的微分电路，用施密特整波，达到了预想的清零目标。4） 2Hz信号的测量。5） 计数偏小。当设计的闸门信号、压控振荡信号和清零信号均调试成功后，级联的时候发现示数总是偏小。测量发现振荡的频率、闸门时间和清零信号均没什么问题。仔细考虑电路运行过程怀疑是清零信号占用了闸门开启计数的部分时间，导致结果偏小，于是用滑动变阻器调整闸门电路的占空比，使其闸门开启时间变大，同时修改微分电路的电压和电容，将其减小。通过以上两方面努力，问题顺利解决，示数误
