单片机及接口技术课程设计论文出租车计价器的设计

辽 宁 工 业 大 学 单片机及接口技术 课程设计（论文）题目： 出租车计价器的设计 院（系）： 电子与信息工程学院 专业班级： 电子与信息工程 学 号： 120404063 学生姓名： 卡拉卡提 指导教师： 起止时间： 2015.7.6 - 2015.7.17 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程教研室学 号120404063学生姓名卡拉卡提专业班级电子122设计题目出租车计价器的设计课程设计（论文）任务任务和要求：1、采用单片机设计出租车计价器，实现按里程计费，完成出租车计价器的硬件和软件设计；2、具有里程测量功能；3、具有里程、单价和车费显示功能。设计内容：1、分析设计要求，明确性能指标；查阅资料、设计方案分析对比。2、论证并确定合理的总体设计方案，绘制总体结构框图，分析工作原理。3、完成各单元具体电路的设计：单片机最小系统、里程测量、显示等电路。包括元器件选择、工作原理分析。4、设计软件流程图及源程序，完成系统的Proteus仿真调试。5、完成课程设计说明书。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 总成绩： 学生签字： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文）摘 要功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率，当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号非线性失真尽可能小，效率尽可能地高，功率放大器的常见形式有OCL电路和OTL电路，有用集成运算放大器和晶体管组成的运算放大器也有专集成功率放大器。本次课程设计是一个OCL功率放大器，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电，综合了模拟电路中许多理论知识，它使我们学过的相关理论知识得到更好的巩固，并使理论知识与实际问题相联系，提高自己的动手实践能力，其中主要涉及到的基础知识有半导体三极管的应用，放大电路的分析方法和应用。关键词：直流稳压电源；信号放大电路；功率放大电路目 录第一章 OCL功率放大器设计方案论证11.1 OCL功率放大器的应用意义11.2 功率放大器设计的要求及参数11.2.1设计参数11.2.2设计要求：11.3设计方案论证21.3.1 方案一：21.3.2方案二：21.4总体设计方案框图及分析3第二章 OCL功率放大器各单元电路设计42.1直流稳压电源设计42.2前置放大级设计52.3功率放大器设计6第三章OCL功率放大器整体电路设计73.1整体电路图及工作原理73.2电路参数计算103.2.1.确定电源电压参数：103.2.2.确定功率输出管的参数：103.2.3.其他参数确定:113.3仿真结果12第四章 设计总结14参考文献15附录：元器件清单列表1615第一章 OCL功率放大器设计方案论证1.1 OCL功率放大器的应用意义OCL功率放大器是音响系统中不可缺少的重要部分，其主要任务是将音频信号放大到足以推动外接负载，如扬声器、音响等。功率放大器的主要要求是获得不失真或较小失真的输出功率，讨论的主要指标是输出功率、电源提供的功率。本课题主要设计一个OCL功率放大器，来满足设计要求。OCL功率放大器即为无输出电容功率放大器。采用两组电源供电，使用了正负电源，在电压不太高的情况下，也能获得比较大的输出功率，省去了输出端的耦合电容。使放大器低频特性得到扩展。OCL功放电路也是定压式输出电路，其电路由于性能比较好，所以广泛地应用在高保真扩音设备中。1.2 功率放大器设计的要求及参数1.2.1设计参数：1.采用全部或部分分立元件设计一种OCL音频功率放大器。2.额定输出功率3.负载阻抗。4.失真度5.设计放大器所需的直流稳压电源。1.2.2设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.3设计方案论证1.3.1 方案一利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号的电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍是三极管的交流放大倍数，应用这一点将小信号注入基极，则集电极流过的电流是基极的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用，经过不断的电流及电压的放大，就完成了功率放大。功率放大电路直流稳压电源差分式放大电路图 1.1 Ocl功率放大整体设计图1.3.2方案二根据本课题要求，我们所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计及论证。本设计的电源通过变压器变为25 V交流电，经整流滤波得到31 V的直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出15 V，供应前置放大电路和功率放大器使用。前置放大电路采用低噪声双运放，分别以相同放大的方式，作为左右通道的信号放大。功率放大电路由三部分组成：输入级、推动级和输出级。输入级由有两个三极管组成差分放大电路，推动级由一个三极管组成，输出级由两个三极管对称构成。两输出管分别由正、负两组电源供电，扬声器直接接在两输出管的输出端与地之间，同时应使本功放工作在甲乙类状态。1.4总体设计方案框图及分析总体设计方案框架图如下图1.2所示 直流稳压电源前置放大电路功率放大电路+24v-24v信号-24v+24v图 1.2 方案二Ocl总体设计电路图分析：本设计采用市电供电，将市电220 V通过变压器变成24 V的直流电，供前置放大器与功率放大器使用。输入信号通过前置放大电路进行初步放大，再经过功率放大器进行进一步的放大。最后通过输出端输出，即得到所需。通过两种方案的对比，决定采用方案二。第二章 OCL功率放大器各单元电路设计2.1直流稳压电源设计直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图2-1所示。图2.1 直流稳压电源设计图1.电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。2.整流电路：整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。3.滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。各滤波电容C满足RC（35）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。4.稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器220 V市电经变压器输出两组独立的25 V交流电，大电容滤波得到35 V直流电，再加一个0.1F小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1 k大功率电阻。另外这组直流电还要传给7824、7924来获得 24 V。万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用如图2.2所示。直流稳压电源整体设计如图2.2所示图2.2 直流稳压电源最终设计图2.2前置放大级设计设计的前置放大电路图如图2.3所示图2.3 前置放大级设计电路图前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。我采用双运放NE5532。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 F的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了更好的实现对信号的放大，我将放大倍数定为30 dB左右，取Rf= 76 k, R0 = 2.5 k，Avf = 1+76/2.5 = 31.4 dB,由于NE5532需要3 V22 V的电源，所以在三端稳压块7815、7915供给的24 V上加入两个电阻分压，电源用10F、0.1F电容去耦合。2.3功率放大器设计此功率放大器由三部分组成：输入级、驱动级和输出级。其中VT1和VT2构成差分式输入级电路，VT3管构成推动级，VT4和VT5是推挽式互补对称输出级。电路中，R4和C2是VT1和VT2的电源滤波电路；R5、R6和C3是负反馈网络；C4是高频负反馈电容；VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管；C5是高频自励消除电容；R7用于调整复合管的微导通状态；R8、R9和C6构成自举电路；R10和R12构成平衡电阻；R11和R13可减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性；VT4、VT6以及VT5、VT7构成复合管；R14与C9为消振网络，可改善扬声器的高频特性；保险丝用于保护功放管和扬声器；C7与C8能消除直流电源意外产生的交流量；VCC为直流稳压电源产生的24V直流电如图2.4所示。图2.4 功率放大电路图第三章OCL功率放大器整体电路设计3.1整体电路图及工作原理220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放7824、7924可获得24V的直流电。用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。整体设计中直流稳压电源部分如图3.1所示图3.1 直流稳压电源普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。整体设计中前置放大电路部分如图3.2所示：图3.2 前置放大电路图初步放大信号流入由VT1、VT2组成的差分放大电路，由于差分放大电路的阻抗非常大，所以电压在此放大，此外它还具有使输出端的直流电压稳定在零电位上的作用。整体设计中功率放大部分如图3.3所示：图3.3 功率放大电路220V市电经变压器、桥式整流、滤波以及运放7824、7924可获得24V的直流电。用此电源来给前置放大电路及功率放大器提供能量。 普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。初步放大信号流入由VT1、VT2组成的差分放大电路，由于差分放大电路的阻抗非常大，所以电压在此放大，此外它还具有使输出端的直流电压稳定在零电位上的作用。信号经过VT1、VT2后，再通过由R5、R6和C3组成的负反馈网络，其中由于C3的隔直作用，所以R5只有交流负反馈作用，R6具有较强的直流反馈作用，以使VT1至VT7各管工作稳定，使输出端静态电压稳定在0 V。另外，R5和R6一起还有交流负反馈作用。 C4是高频负反馈电容（电容超前补偿电路），以防止电路可能出现的高频自激。VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管,它可使电路获得更好的温度补偿。同时为了解决电路的工作点偏置和稳定问题，加入R8、R9和C6组成的自举升压电路。推动级VT3也起到信号放大的作用。当信号正半周输入时，VT4、VT6导通、VT5、VT7截止，VT4、VT6由正电源供电。扬声器放出信号正半周的放大声音；当信号负半周输入时，VT5、VT7导通、VT4、VT6截止，VT5、VT7由负电源供电。扬声器放出信号负半周的放大声音，由于四只功放管上下的电路完全对称，所以输入信号的正、负半周得到了均匀的放大。功放的输出端与扬声器直接耦合，实现了全频带放大。在扬声器的两端并联R14与C9串联的消振网络，能改善扬声器的高频特性。因扬声器呈感性，易引起高频自激，而且产生瞬时过压，有可能损坏晶体管VT6、VT7，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。考虑到如果电路出现故障，导致输出端静态不为0 V。由于SP1的直流电阻很小，这样会有很大的直流电流流过SP1和输出管，会使它们烧坏。在加入保险丝之后，如出现这种现象，保险丝熔断，保护了SP1和输出管。3.2电路参数计算3.2.1.确定电源电压参数：为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率Pom应比设计指标大些一般取Pom（1.52）Po。由于Pom=V 2om/2RL,因此，最大输出电压为Vom=(2POMRL)1/2。考虑到输出功率管VT6和VT7的饱和压降，所以电源电压常取VCC=(1.21.5)Vom。设计要求Po10W。所以由以上公式可得 Pom1520 W Vom15.517.9 V VCC18.626.9 V 这里我取了LM7824,LM7924这两个运算放大器，它们所输出的电压为24V，其他指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压电源。3.2.2.确定功率输出管的参数：输出功率管的参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压UCEmax2VCC,每管的最大集电极电流为ICmaxVCC/RL,每管的最大集电极功耗为PCmax0.2Pom。再选择两管时除了要注意值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系：U(BR)CEOUCEmax2VCCICMICmaxPCMPCmax所以，根据以上分析可得 ICM3 APCM34 WU(BR)CEO48 V这里我选择了两个3DD63C的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。复合管的参数选择。VT4、VT5分别与VT6、VT7组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，在估算VT4、VT5的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为ICmax(1.11.5)ICmax/PCmax(1.11.5) ICmax /所以选择VT4、VT5管时，其极限参数应满足U(BR)CEO2VCCICM ICmaxPCMPCmax所以，根据以上分析可得 ICM 0.330.45 APCM0.330.6 WU(BR)CEO48 V这里VT4我选择了3DG170H的管子,VT5我选择了3CK9D 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。3.2.3.其他参数确定:部分重要电阻的参数选择：电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，R11 = R13=（510）RiT5。（RiT5为VT5管的等效输入电阻，其大小为RiT5=rbeT5+（1+T5）。）由于R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11(R13)RiT5。所以，我将电阻的参数定为R10=R12=15、R11=R13=150。R14与C9串联的消振网络的参数选择：R14与C9的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取R14=30、C9=0.01F。电容及其他部件的参数选择：由于时间及资料的不足，此部分我仅凭自己的经验进行选择。R1=27k、R2=1.5k、R3=15k、R4=3k、R5=1k、R6=27k、R7=1k、R8=12k、R9=510；C1=10F、C2=20F、C3=30F、C4=20pF、C5=51pF、C6=200 pF、C7=1F、C8=1F。静态偏置二极管VD1选择2CP10。推动级三极管VT3选择3CG120B。此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为12.520.8 W，失真度约为2.13，基本符合设计要求。3.3仿真结果直流稳压电源的仿真结果如图3.4所示，直线为经过稳压器7924输出的电压波形，正弦波为输入电压波形。图 3.4 直流稳压电源仿真图前置放大器的仿真结果如图3.5所示，证实了前置放大器的可用性图3.5 前置放大电路仿真图第四章 设计总结本设计通过方案对比，最终选择方案二作为本设计的方案。整体来说，本设计主要由三部分构成，即直流稳压电源的设计、前置放大器的设计、功率放大器的设计。本次设计为OCL功率放大器的设计，通过查阅资料得知，该放大器采用复合管无输出耦合电容，并采用正负两组双电源供电，所以在设计直流稳压电源的时候要考虑同时输出24v电压，以此供给前置放大电路和功率放大电路的使用，这里稳压器采用了7824和7924。本设计采用双运放NE5532（如图2-2所示）。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 F的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。本设计中的功率放大器由三部分组成：输入级、驱动级和输出级。其中VT1和VT2构成差分式输入级电路，VT3管构成推动级，VT4和VT5是推挽式互补对称输出级。 本设计运用了EWB软件进行制作、仿真，经过不断推敲和探索，终于达到了本次设计的要求，也切实地感受到了EWB软件的强大。参考文献1 康华光主编电子技术基础（第五版）（模拟部分）北京：高等教育出版社 2006.12 辽宁工业大学电子信息工程教研室模拟电子技术基础学习指导沈阳：东北大学出版社 2007.33 实用电子技术手册编委会实用电工电子技术手册北京：机械工业出版社 20034 宋贵林，胡春萍主编模拟电路及其实际操作技能问答北京：机械工业出版社2008.115 安兵菊主编电子技术基础试验及课程设计北京：机械工业出版社 2007.16 赵立民主编电子技术实验教程北京：机械工业出版社2008.37 陈先容电子技术基础试验北京：国防工业出版社 2006.98 王艳春电子技术试验与Multisim仿真合肥：合肥工业大学出版社 2011.69 沈小丰主编电子技术实践基础清华大学出版社 2005.910 黄培根主编Multisim 7&电子技术实验浙江：浙江大学出版社2005.2附录I：整体电路原理图附录I：元器件清单列表元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电桥D1(D1D4)IN54024电容C10.1F电桥D2(D5D8)IN54024电容C20.1F电阻R11 K/1W电容C30.33F电阻R21 K/1W电容C40.33F二极管D92CP10电解电容C5220F /35V二极管D102CP10电解电容C6220F /35V运放U1LM7824电解电容C7220F /35V运放U2LM7924电解电容C8220F /35V电解电容C910 F电解电容C1010F