电子技术课程设计之定时开关电源.docx

课程设计报告题 目 定时关断插座设计专业、学号授课班号学生姓名指导教师完成时间目录第一章 设计任务与要求1其次章 电路原理设计2第一节 方案比较2其次节 单元电路设计6第三节 元器件选择12第三章 试验数据与测试波形19第一节 试验数据19其次节 测试波形20第四章 试验问题与解决措施21第一节 试验问题21其次节 解决措施23第五章 设计体会24参考文献25附录26附录一 整体电路图26附录二 仿真原理图27附录三 PCB 图28第一章 设计任务与要求一、 设计任务：定时关断插座二、 设计要求:1. 根本局部：<1> 可设置时间；<2> 通电计时，计时完毕后断电通过倒计时计时；<3> 过压保护。2. 发挥局部：<1> 过流保护；<2> 短路保护。1其次章 电路原理设计第一节 方案比较主要针对定时开关单元、过压保护单元进展比较。方案一：1. 定时开关单元图 1如图 1，该方案融入了大局部模拟电路，简洁造成电路调试时的不稳定，且没有定时显示功能。所以不宜承受此模块。2. 过压保护单元2图 2电路原理：缺点是需要做出电源模块，而且电路简单。方案二：1. 定时开关单元设计思路是：用 555 定时器产生脉冲，加到计数器上，再将计数器与译码器连接，实现译码功能，通过 7 段数码管进展显示。这样就实现了定时。再加上拨码开关就实现了人工置数，即自由定时。在译码器的输入端加上一个八端或非门和一个非门后就能实现关断。根本电路图如图 3：3图 3过压保护单元当电源供给电压或负载吸取的电流太大时，图 4 电路可断开负载给出故障指2.示。图 4正常工作时，Tr1 和Tr2 均截止，555 复位，555 中的放电晶体管导通，它从Tr3 基极吸取电流，使 Tr3 处开饱和，电源 512V 便直接送主负载。当负载吸取电流超过规定值时，Rsc 上压降增加，使Tr1 导通，555 被触发，于是内部放电晶体管截止，跟着Tr3 也截止，将电源与负载隔离，这时555 处于单稳状态，单稳时间一到，只要负载过流现象不排解，555 又重触发，Tr3 连续将负载隔离。假设负载消灭过压，则经R4、R5、D1 后Tr2 导通，也使 555 触发，Tr3 这时也将负载隔离。对于过流或过压，555脚均将输出高电位，使LED 发光，表示负载处于隔离状态。由于Tr3 或者处于饱和，或者处于截止，因此只用一只功率晶体管便可工作。5其次节 单元电路设计一：555 方波发生电路1. 电路图：图 52. 电路特点：由于 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且承受差分电路形式，用555 定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，因而抗干扰力量较强。3. 电路原理：接通电源后，电容C 开头充电，当Vc 上升到 2Vcc/3 时，使Vo 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容C 通过R2 和T 放电，Vc 下降到Vcc/3 时，Vo7翻转为高电平。由上面的参数计算，转变R 、R12频率。二：数码显示电路和C 的值，就可以转变振荡器的1. 电路图：图 62. 电路原理：通过 74192可预置 BCD 双时钟可逆计数器芯片实现减计数功能。当 74192 接收到一个外部计数脉冲信号时，计数器的状态就按二进制编码值递减 1，输出相应的 BCD 码。当输入到预置数值这个计数脉冲后如预置数=10，则当输入第10 个计数脉冲后，计数器又回到 00 状态。此时，计数器处于锁存状态，不再进展计数，只有重置数后才开头下一轮减计数。所以，该计数器以预置数值个计数脉冲构成一个计数周期。通过 7448BCD-7 段译码/内部上拉输出驱动和七段共阴数码管实现将BCD 码转换成 7 段码并显示的功能。当 7448 接收到一个外部输入的BCD 码时，通过译码器将其转化成一一对应的有效信号，然后，经驱动器点亮对应的段。例如：对于 8421BCD 码的 0011 状态，对应的十进制数十 3，则译码驱动器应使a,b,c,d,g 各段点亮。译码器的功能就是，对应于某一组的数码输入，相应的几个输出端有有效信号输出。3. 留意事项：由于 BCD 码表示十进制数，即范围是 00001001，所以驱动器点亮 7 段译码管只能是 09。当超出范围时，数码管将无法正常显示。三：拨码掌握电路1. 电路图：图 72. 说明：拨码开关是承受8421BCD 码置数掌握电路对电路实现置数功能。从左到右分别表示高四位和低四位，下拨时表示开关闭合，电路导通，对应8421BCD 码中的“1”。在电路图中，将它的凹凸四位分别与计数器的 A、B、C、D 端相连，实现对计数器的置初值的功能。10四：过压保护电路1. 电路图：图 82. 电路原理2.1. 过压保护原理：通过参考电压与测试点电压的分压进展比较，当参考电压大于测试点电压 时，输出为高；当参考电压小于测试点电压时，输出为低。然后，通过与门对继电器进展掌握，当电压超过肯定范围时，继电器促使开关向右闭合，发光二极管熄灭，外接电路断开以及停顿工作，因而起到了保护电路的功能。2.2. 欠压保护原理：通过参考电压与测试点电压的分压进展比较，当参考电压小于测试点电压 时，输出为高；当参考电压大于测试点电压时，输出为低。然后，通过与门对继电器进展掌握，当电压低于肯定范围时，继电器促使开关向右闭合，发光二极管熄灭，外接电路断开以及停顿工作，因而起到了保护电路的功能。11第三节 元器件选择一、工程元器件清单1. 七段共阴数码管2 片2. 555 定时器1 片3. 红色发光二极管1 个4. 7448 芯片2 片5. 74192 芯片2 片6. CD4078 芯片2 片7. DC5V 继电器1 个8. LM3392 个9. 开关2 个10. 拨码开关1 个11. 电阻数个12. 可调电阻2 个13. 电容3 个14. 电解电容1 个15.稳压管 1N41181 个12二、 重要元器件介绍1.7448BCD-7 段译码/内部上控输出驱动7448 使用共阴极七段显示器。数字显示译码器是驱动显示器的核心部件，它可以将输入代码转换成相应的数字显示代码，并在数码管上显示出来。图9 所示为七段显示译码器 7448 的引脚图，输入 A3 、A2 、 A1 和 A0 接收四位二进制码， 输出 ag 为高电平有效，可直接驱动共阴极显示器，三个关心掌握端，以增加器件的功能，扩大器件应用。图 9 7448 引脚图表 1 7448 功能表从功能表可以看出，对输入代码 0000，译码条件是：灯测试输入和动态灭零输入同时等于 1，而对其他输入代码则仅要求等于 1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入代码打算的，并且满足显示字形的要求。2.74192 可预置 BCD 可逆计数器74192 上升沿触发，由，两管脚掌握加减计数，有异步置数端和异步复位端，和分别输出高电平表示加进位和减进位。由于 74192 没有保持脚，故需要外围电路实现保持功能。由于 74192 上升沿触发，所以把，强制置低电平即可实现保持功能。14图 1074192 封装引脚图表 274192 真值表3. 555 定时器3.1 555 电路的构造组成和工作原理(1) 电路组成及其引脚15图 11电路组成及引脚(2) 555 的工作原理它含两个电压比较器，一个根本 RS 触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较器 C2 的反相输入端的参考电平为2 Vcc 和1 Vcc 。C1 和 C2 的输出端控33制RS 触发器状态和放电管开关状态。输入信号输入并超过2 Vcc 时，触发器复位，3555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；输入信号自 2 脚输入并低于1 Vcc 时，触发器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。3R是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。寻常该端开路或接Vcc 。DVco 是掌握电压端5 脚，寻常输出2 Vcc 作为比较器A1 的参考电平，当5 脚3外接一个输入电压，即转变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种掌握， 在不接外加电压时，通常接一个 0.01 mF 的电容器到地，起滤波作用，以消退外来的干扰，以确保参考电平的稳定。TR触发TH阈值R复位DIS放电端OUT输出> Vcc13>23VccH导通L> 3Vcc< 3Vcc1< 3 Vcc×2H原状态1H截止H××L导通LT 为放电管，当T 导通时，将给接于脚 7 的电容器供给低阻放电电路. (3)555 电路的引脚功能表 3555 电路的引脚功能163.2 用 555 电路构成多谐振荡器(1) 电路组成：+VDDR184R27uouc0ott1t20Tt2 V3DD6 75553uuc2C150.01µF(a) (b)图 13用 CC7555 构成的多谐振荡器及工作波形(2) 主要参数计算：电容器C 放电所需的时间为 Tpl=R2*C*ln2=0.7R2*CVc 由Vcc/3 上升到 2Vcc/3 所需时间为Tph=(R1+R2)*C*ln2=0.7(R1+R2)*C振荡频率：f=1/(Tpl+Tph)=1.43/(R1+2R2)*C4. CD4078八输入端或门图 14CD4078 或非/或门供给了 8 输入正规律或非和或功能，补充了现有的 COS/MOS 门系列。CD4078 供给了 14 引线多层陶瓷双列直插D，溶封陶瓷双列直插J，塑料双列直插P,陶瓷片状载体C4 种封装形式。5. 七段共阴数码管图 15数码管中各段发光二极管的伏安特性和一般二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在肯定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有 12 mA，最大极限电流也只有 1030 mA，所以它的输入端在 5 V 电源或高于 TTL 高电平(3.5 V)的电路信号相接时，肯定要串加限流电阻，以免损坏器件。将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式。以共阴式为例，如把阴极接地， 在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。固然，LED 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假设我们将“b“和“c“段接上正电源，其它端接地或悬空，那么“b“和“c“段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将“a“、“b“、“d“、“e“和“g“段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。18第三章 试验数据与测试波形第一节 试验数据1. 理论设计数据由 555 电路构成多谐振荡器的振荡频率公式f=1/(Tpl+Tph)=1.43/(R1+2R2)*C 可计算得R1=68K ，R2=15K ，C=10uF ，T=1s2. 实际测试数据T=0.974s，过压电源电压约为 5.18V。3.仿真数据<1>.通过调整波器送出方波的频率能实现T=1s<2>.过压保护电路中当电压预设参考值为 5V，对应使发光二极管发光警示作用的电压表示数为 1.45V。3. 误差分析<1>.对T，误差率：|0.974-1|1=2.60分析：理论上用 f=1/(Tpl+Tph)=1.43/(R1+2R2)*C这一公式算出的数值本身就是取的概数；实际电路中并没有找到 R1=68K，而是用与其阻值接近的电阻代替。<2>.对过压电压值，误差率：|5.18-5|5=3.60分析：在实际驱动电路中，由于一些电阻阻值的转变如 555 模块中的 R1 变大、驱动继电器仿真中仅通过发光二极管发光来显示电压是否过压，需要的电压较小的分压等造成过压电压值变大。综上，在误差允许范围内，实际结果与理论相符。其次节 测试波形1、仿真波形图2实际波形图：20第四章 试验问题与解决措施第一节 试验问题1.原理设计问题：<1>.芯片选择问题：一开头选择74LS161 作为计数器，经过小组一系列的比较和争论，觉察该芯片实现加计数比较简洁，但减计数不是很便利；<2>.数码管和译码器的匹配问题2.画原理图问题<1>.应用EWB 仿真软件作原理图，存在一些不常用的芯片如八输入或非门等 找不到；<2>.用Ptotel 画原理图时存在同一种芯片在Proteus 软件和Ptotel 软件中的引脚不全都，造成原理图有点差异。4. 仿真局部问题<1>.应用EWB 不便于查错；<2>.过压保护单元未考虑实际接入电压的位置，即未考虑受控对象。5. 调试局部问题：<1>.继电器不能平稳在面包板上；<2>.7 段数码管在最终显示计数时，消灭某个数字不能正常显示的问题：到某个数字不为 00停顿计数；显示数字不连续，消灭跳转；当减到 00 时未停顿计数，返回到预置数等；<3>.555 定时长短与实际时间不全都，如比一秒快或慢；21<4>.面包板接触不好，造成线路不稳定；<5>.拨码开关的上拉电阻阻值太小使芯片快速发热；<6>.过压保护时，比较器输出端没有加上拉电阻，输出结果不抱负。22其次节 解决措施1.原理设计问题：<1>.计数器承受 74LS192 芯片实现减计数功能；<2>.承受 7448 译码器和七段共阴数码管实现译码显示功能。2.画原理图问题<1>.应用Proteus 仿真软件作原理图，能找到实际需要的芯片；<2>.画图时参照芯片引脚资料，虽然两幅原理图有点差异，但不影响试验原理。3.仿真局部问题<1>.改用Pretus 仿真软件作原理图，背景颜色鲜亮，便于查错；<2>.在过压保护单元中参加电源与地，通过滑动变阻器掌握输入电压值。6. 调试局部问题：<1>.将过压保护电路做成单独的电路模块，将继电器安装在上面，最终将该模块外接到面包板上；<2>.用万用表屡次测试各电路接点是否正常，使电路能够正确显示、运行。如在某个数据处消灭问题，则用万用表测试其电压与正常时的电压区分；<3>.转变 555 定时电路中电阻或者整体电路中电阻阻值，屡次测试，尽量使显示时间间隔T=1s；<4>.在安装元器件时，先安元器件再连导线，且按模块连接、测试再连接、测试， 直至完成，这样可便利调试；<5>.改用更大阻值的上拉电阻阻值；<6>.在过压保护的比较器输出端加上拉电阻。23第五章 设计体会经过近两周的努力,在教师和同学的帮助下,我完成了设计任务。通过这次课程设计，加深了自己对理论学问的理解，同时也熬炼了自己把理论学问应用到实际问题的力量，更熬炼了自己的动手力量，能够依据需要去读一些相关文献，学会如何去使用几款软件等，而这些正是以后工作学习生活所必需的。以前做试验总是很单一，要不就是按课本上步骤一步一步走，要不就是设计简洁的如加法器、减法器之类的电路，或是用各种门电路设计简洁的密码锁、温度显示器等。而这次试验则是模电试验与数电试验的综合，需要有肯定理论根底和积淀。设计电路时收获最大的是不管以后干什么，都要从大处着眼，小处着手，先将任务分成几个局部，再一局部一局部的去完成，最终再完成总体的设计，不然直接设计一个整体的模型，不便利调试，出了错也不知道是哪局部出了问题。通过这次试验，还有一个收获就是感受到同学之间的温温存相互协作的力气。尽管我们各自设计的电路不尽一样，思路也可能不同，但我们能够相互帮助，遇到问题一起探讨、一起解决，别人有什么不懂的也尽量帮助 。相互学习，共同进步，这种团结协作的精神正是我们一代大学生所要求的根本素养与修养。由于学问水平的局限,设计中可能会存在一些缺乏,如未完成过流、短路保护的发挥局部。但我真诚的承受教师和同学的批判和指正。最终诚意感谢教师的悉心指导和同学们的热心帮助!参考文献1. 康华光，陈大钦，张林.电子技术根底 模拟局部第五版.高等教育出版社.2023.12. 康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术根底 数字局部第五版.高等教育出版社.2023.125附录附录一、整体电路图26附录二、仿真原理图+3 2 1 05 4U51 1 1 1 9 1 13 2 1 05 41 1 1 1 9 1 18R315kA B C D E F GQ Q Q Q Q Q QU174LS48A B C D E F GQ Q Q Q Q Q QU274LS484RC3CQVDC7U9OBO5CV1211109A B C D IB R L7 1 2 6 4 5 3R/ B TI+5VBA B C D IB R L7 1 2 6 4 5 3R/ B T2DTRN6GTHR268k13A5432C21555BC+5V10uC1D0.1uR110k3 2 6 721 313 2 6 721 310Q 1Q 2Q 3QU DC CT TU374LS1920Q 1Q 2Q 3QU DC CT TU474LS192RV10 1 2 3D D D DP N L RU D P M0 1 2 3D D D DP N L RU D P M% 9251 1 01 95 4 1 4151 1 01 95 4 1 410.5k+5VR810kRP121R742kQ12N5551+1.45VoltsU8:A4011123456789U10:AR510kQ22N55511+5.00Volts32R61k37408D1R4RESPACK-81 2 3 4 5 6 7 80.3kD2LED-RED0.00VoltsLED-REDN ODSW1DIPSW_8总开关FFO61 51 41 31 21 1 01 9V5%001+RV21k简要说明：<1> 在图示的仿真中，计时时D1 发光二极管灯亮，计时到 0 的时候灯灭；<2>预设参考值为 5V，对应最上面的电压表示数为 1.45V。当实际接入电压大于5V 时，发光二极管 D2 灯亮，起提示作用。实际电路中用继电器来实现保护功能。27附录三、PCB 图28