五邑大学模电课程设计报告.docx

五邑大学模电课程设计报告五邑大学 低频电子线路课程设计报告 题 目：电阻密码锁 院 系 信息工程学院 专 业 通信工程 学 号 学生姓名 指导教师 电阻密码锁 一、题目的要求和意义 题目要求：使用中小型集成运放电路设计电阻密码锁要求完成以下功能 1、用一个特定阻值的电阻作为密钥； 2、用Ucc/2作为比较电压； 3、用发光二极管的亮暗来显示锁的开合：正确接入密钥时，电压比较器输出低电平，通过一级反相器后变为高电平，发光二极管亮，则锁被打开；否则当有人试图开锁或无(或错误)接入密钥时，电压比较器输出高电平，通过一级反相器后变为低电平，发光二极管不导通，发光二极管暗，则锁闭合。 意义： 随着人们生活水平的不断提高，人们的贵重物品也越来越多，但由于传统的机械锁结构简单，所以盗窃事件时有发生，给我们的财产安全带来很大的安全隐患。所以我们现在打算设计一款电阻密码锁，它的保密性高，使用灵活，相信会给人们带来比较好的体验。 二、方案的设计 材料清单： 集成运算放大器LM324 电阻：1MW*1、50kW*1、10kW*4、100W*3 铝电解电容47uF 电位器100kW LED*1 普通二极管1N4148*2 设计思路与电路结构： 电压跟随器 双限比较器 电压跟随器 延时电路 图方案系统总体框图 三、具体电路的设计 仿真图 图仿真图 电压跟随器：本电路中有两个电压跟随器，分别是LM324里面的两个运放U1A和U1D，其中电阻R1是与密钥电阻RV1比较时的参考标准电阻，因为有了运放U1A连接成的电压跟随器，用作输入阻抗的变换，所以即使R1和RV1的阻抗很大却不会影响被测密钥电阻RV1的精度。 图电压跟随器U1A和U1D 双限比较器：是指在输入信号的上升沿和下降沿翻转电压不同的比较器，两个电压之间的值为窗口宽度。 图双限比较器 当密钥电阻RV1<R1时，通过电压跟随器的电压大于VCC/2,此时比较器B输出高电平，C输出低电平，二极管D1导通，二极管D2截止，此时双限比较器输出高电平，从电路图可以看出，发光二极管两边的电压都为高电平，所以发光二极管不亮。 当密钥电阻RV1>R1时,通过电压跟随器的电压小于VCC/2,此时比较器B输出低电平，C输出高电平，二极管D1截止，二极管D2导通，此时双限比较器输出高电平，从电路图可以看出，发光二极管两边的电压都为高电平，所以发光二极管不亮。 当密钥电阻RV1=R1时,通过电压跟随器的电压等于VCC/2,此时比较器B输出低电平，C输出低电平，二极管D1截止，二极管D2截止，此时双限比较器输出低电平，从电路图可以看出，发光二极管正向为高电平反向为低电平，所以发光二极管发光。 延时电路：如图所示，把运算放大器D接成电压跟随器，其电压增益为1，由于该电路的输入阻抗很高，可以用它构成一个电压保持器。当输入正确的密钥电阻丝，双限比较器输出低电平，发光二极管发光。当输入的电阻不正确时，双限比较器输出高电平，此时延时电路的电容被充电，同时电压跟随器输出高电平，发光二极管不发光。即使再次输入输入正确密钥电阻，由于电容C1两端电压不能突变，所以电压跟随器的输出电压仍为高电平，此时发光二极管仍然不发光。直到电容C1两端的电压通过电阻R8放电慢慢降低时，电压跟随器的电压也慢慢降低，这样发光二极管逐渐变亮。 图延时电路 四、硬件电路的设计 根据仿真图利用Altium Designer 10进行绘制电路原理图和PCB图，电阻密码锁的电路原理图如图所示，电阻密码锁的PCB图如图所示，实物图如图所示。 图电路原理图 图电阻密码锁的PCB 图电阻密码锁的实物图 五、电路的调试和功能测试 电源电压VCC=5V，电路输入正确密钥电阻RV1=50k。 LM324引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 理论值 2.5000 2.5000 2.5000 5.0000 2.5000 2.5247 低电平 低电平 2.5000 2.4752 0 低电平 低电平 低电平 测量值 2.5081 2.5081 2.5152 4.9976 2.5081 2.5290 0.5907 0.5840 2.5081 2.4800 0 0.3511 0.6077 0.6077 电源电压VCC=5V，电路输入错误密钥电阻RV1=10k。 LM324引脚 1 2 3 理论值 0.8333 0.8333 0.8333 测量值 0.8492 0.8492 0.8501 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5.0000 0.8333 2.5247 低电平 高电平 0.8333 2.4752 0 高电平 高电平 高电平 4.9834 0.8492 2.5217 0.6597 3.1018 0.8492 2.4727 0 3.6391 3.6411 3.6411 电源电压VCC=5V，电路输入错误密钥电阻RV1=100k。 LM324引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 理论值 3.3333 3.3333 3.3333 5.0000 3.3333 2.5247 高电平 低电平 3.3333 2.4752 0 高电平 高电平 高电平 测量值 3.3323 3.3323 3.3323 4.9937 3.3323 2.5272 3.1617 0.6581 3.3323 2.4782 0 3.6391 3.6412 3.6412 电源电压VCC=5V，不输入电阻 LM324引脚 1 2 3 4 理论值 5.0000 5.0000 5.0000 5.0000 测量值 3.8440 3.8440 4.9718 4.9940 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5.0000 2.5247 高电平 低电平 5.0000 2.4752 0 高电平 高电平 高电平 3.8440 2.5278 3.1620 0.6580 3.8440 2.4788 0 3.6391 3.6412 3.6412 由电阻密码锁的原理图可以计算出表-的LM324各引脚的理论电压值，与测量值进行比较，从而方便调试。 计算LM324的3、6、10脚的公式： ULM324-3脚=Vcc (1) R1+RV1ULM324-6脚=Vcc*(R3+R4+R5)5V*(100+100+10k)=2.5247V R2+R3+R4+R510k+100+100+10kVcc*R35V*10k=2.4752V (3) R2+R3+R4+R510k+100+100+10kULM324-10脚=由式得 当Vcc=5V时，密钥电阻R1=50k，调节电位器电阻， 当Rv1=10k时，ULM324-3=0.8333V 当Rv1=100k时，ULM324-3=3.3323V 当输入正确电阻时，由于采用5V电源电压供电，通过电位器Rv1和密钥电阻R1的分压，使电位器Rv1的阻值等于密钥电阻R1的阻值，即调节Rv150k，此时LM324的3脚将得到电压为Ucc/2，即2.5V的电压，也可以根据公式代入算得。由于将输入级的运放A接成电压跟随器，所以同样LM324的1和2脚的电压同样为2.5V。此时运放A将此电压送到运放A2和运放A3组成的双限比较器进行比较，运放B的同相输入端和运放C的反相输入端对运放A输出的电压进行上下限比较，即此时LM324的5和9脚也为2.5V。而运放B的反相输入端接入上限比较基准电压2.5247V,可根据公式算得，运放C的同相输入端接入下限比较基准电压2.4752V,可根据公式算得。由于正确输入电阻，使得运放A输出2.5V，即2.4752V<2.5V<2.5247V,此时运放B和运放C均输出低电平，即LM324的7和8脚为低电平，此时运放B和运放C组成的窗口比较器输出低电平。此时电容两端没有电压，又由于运放D接成电压保持器，则运放D输出低电平，即LM324的12、13和14脚为低电平，使得二极管发光。 当输入错误电阻或者没有电阻时，此时LM324的3脚得到电压不等于Ucc/2，此时LM324的3脚的电压可以根据公式代入算得。由于将输入级的运放A接成电压跟随器，所以同样LM324的1和2脚的电压也等于LM324的3脚上的电压。此时运放A将此电压送到运放B和运放C组成的双限比较器进行比较，运放B的同相输入端和运放C的反相输入端对运放A输出的电压进行上下限比较，即此时LM324的5和9脚同样等于LM324的1和2脚的电压。由于没有正确输入电阻，使得运放A1输出不等于2.5V，即不在2.4752V和2.5247V之间。换句话来说，当插上Rv110k<50k时，此时运放B输出低电平，运放C 输出高电平，即LM324的7脚为低电平，8脚为高电平，此时运放B和运放C组成的双限比较器输出高电平。当插上Rv1100k>50k时,此时运放B输出高电平,运放C 输出低电平,即LM324的7脚为高电平,8脚为低电平，此时运放B和运放C组成的双限比较器输出高电平。当没有插上电阻时，此时运放B输出高电平,运放C 输出低电平,此时运放B和运放C组成的窗口比较器输出高电平。此时电容两端被充电，又由于运放D接成电压保持器，则运放D输出高电平，即LM324的12、13和14脚为高电平，使得二极管不发光。 六、调试过程遇到的问题与解决的方法 我这次负责使用Altium Designer 10原理图和PCB的制作，由于以前都是用protel99se制作的，所以我对Altium Designer 10的使用还不是很熟悉，所以出了比较多的问题，如没有找到相关的封装、焊盘的口太小、布线时不会调节线的大小，我要通过查找相关资料来熟悉，所以我开始的进度比较慢，经过一番学习，我基本学会做了这些了，最后成功生成了PCB图，但到了最后一步布线我却又遇到了问题，我发现各个元器件的连线都是错综复杂的，就好像一团乱麻，无论我怎么弄都是很乱，弄了很久都没有太大进展，最后我决定去请教同学，原来我们，我们首先要安装原理图来摆好元件的位置，这样才会比较容易找到线与线之间的连接关系。我按照这个思路做起来，果然效果很明显，我很快完成了布线的工作。 我们在面包板调试电路时也出现了些问题，其中给我印象最深刻的有两个，我们按照原理图连接好电路后，连接电源调试，我们刚开始利用移动电源作为电路电源，刚插上电源看到发光二极管闪了一下就黑了，这跟我们理论分析的现象不一样，在我们把R1和Rv1调到相等时，一插上电源发光二极管就会亮的，但刚才为什么闪了一下就黑了呢？我们第一想到的是我们电位器调的电阻不正确，也有可能是发光二极管烧了。于是我们用万用表分别测量各个器件的阻值和电压等，经过测试，发光二极管和电位器都没问题，我们又开始测量LM324各个管脚的电压值，经过对比，发现有几个管脚的电压和理论值相差很大，甚至相反，所以我们推断是电压接反了，于是我们赶紧测电压借口，果然证实了。于是我们把接反的电压改回来，但很奇怪，灯还是不亮，正当我们充满疑惑的时候，我们突然发现芯片LM324发烫很厉害，难道烧了芯片？我们又重新换上一块芯片。这次不发烫了，但发光二极管仍然不亮，这又是怎么回事呢？我们用万用表把元器件都测了一遍，都没发现问题，最后我们决定看下仿真出了什么问题，通过仿真数据和现象，我们终于找到了原因，原来是我们延时电路用的电容太大了，导致电容降压时间长，延时时间长。于是我们不断减小电容数值，通过观察发光二极管发亮的时间决定改用47uF的电容，最终问题解决了，发光二极管成功亮了，也达到了延时功能。 七、课程设计体会 这是我第一次做课程设计，所以开始有很多东西都还比较生疏，不能很好把理论知识与实际操作相结合，从而也体现了我对理论知识理解的不足和对动手能力训练的不足。但我也有很多收获，因为在整个设计过程中我们需要用到很多模电的知识，所以我边设计电路边查找资料，在这不断的重复摸索中我又复习了一遍模电课本的知识，同时也使我熟悉了制作电路板流程。 我们这次要做电阻密码锁，虽然比较简单，但认真做的话也能学到很多东西，我们要完成这个题目的话首先要通过计算来仿真设计电路，然后用面包板搭电路调试看能否成功实现效果，然后要用Altium Designer 10画电路原理图，生成PCB，最后做板，焊接再调试，每一个步骤会出现各种各样的问题，需要我们耐心、细心去发现和解决问题。无形中锻炼了我们的思考能力、动手能力和巩固了我们的理论知识。积累了解决类似问题的经验。 在整个课程设计过程中我们遇到的最大问题就是我们搭好电路后发现无论怎样调试发光二极管都无法亮，我们找了很久也没有完全解决问题，这个问题困扰了我们很久，最后经过我们组员的仔细分析和自我心态的调整，终于解决了问题，这使我深刻体会到了大家共同合作努力的重要性，提高了我们分析和解决问题的能力，设计中出现的问题，我们在今后的学习和工作中也会加以注意。 这次课程设计中我们遇到了很多困难和问题，但经过我们团队的努力顺利完成了这个课程设计，我们都觉得这次课程设计收获很多，尽管遇到很多困难但却没有放弃，我们在困难中耐心探索，最终战胜困难。我们不仅仅完成了我们的课程设计，也锻炼了我们独立思考能力、动手能力、解决问题能力，为我们以后的课程设计甚至毕业设计提供经验。 八、参考文献 1廖惜春. 模拟电子技术基础M.北京：科学出版社，2011.11 2谢龙汉,鲁力,张桂东 .Altium Designer原理图与PCB设计及仿真 M.北京：电子工业出版社，2012.01