自动化课程设计报告

自动化课程设计报告

自动化1902班

1915050216

李雨晨

设计任务书

一，引言

1.设计任务和要求

设计一个3又1/2位数字电压表，要求其具有自动转换功能。

二，方案选择与论证

般需要优先设计一个总体方案：针对所设计的任务、要求和条件，根据已掌握的知识和资料，从全局着眼，将总体功能要求合理地分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能和总体工作原理的框图。通常符合要求的总体方案不止一个，设计者应仔细分析每个方案的可行性和优缺点，并从设计的合理性、技术先进性、可靠性、经济性等方面反复比较，选出最佳方案。

还要设计单元电路设计单元电路前必须明确对各单元电路的要求，详细拟订出单元电路的性能指标，注意到各单元电路间的配合问题，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到能使各单元电路采用统一的供电电源，以免造成总体电路复杂、可靠性、经济性均差等缺点。具体设计时可选用成熟的先进电路，也可在与设计要求较接近的电路基础上适当改进或进行创造性设计。

在电路设计过程中，必须对某些参数进行计算后方可挑选器件，只有深刻地理解电路的工作原理，正确地运用计算公式和计算图表，才能获得满意的计算结果。在设计计算时，常会出现理论上满足要求的参数值不是唯一的，设计者应根据价格、体积和货源等具体情况进行选择，计算参数时应注意以下问题：

1，各元器件的工作电流、电压和功耗等应符合要求并留有适当裕量。

2，对于元器件的极限参数必须留有足够裕量，一般应大于额定值的1.5倍。

3，对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑。

4，电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值。

5，在保证电路达到功能指标要求的前提下，应尽量减少元器件的品种、价格、体积等。

选择元器件：

一，集成电路的选择

由于集成电路可以实现众多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路不仅可减少电子设备的体积和成本，提高可靠性，且使设计简化，安装、调试及维修大大方便。因此一般应优先选用集成电路。集成电路常见的封装方式有：双列直插式、扁平式和直立式三种，一般尽可能选用双列直插式，因为这种封装方式易于安装和更换。

二，其它元器件选择的一般原则

1，电阻器的选择

选择电阻器除阻值和功耗等主要参数外，还应从以下几方面进行考虑：

1）掌握所设计电路对电阻器的特殊要求，即对高频特性、过载能力、精度、温度系数等方面的技术要求。

2）尽量优先选用通用型电阻器及较疏的标称阻值系列，因为此类电阻器价格低、货源足。

3）所选电阻器的额定功率必须大于实际承受功率的两倍。

2，电容器的选择

选择电容器除容量和耐压等主要参数外，还应考虑以下方面：

1）合理确定对电容器精度的要求。

2）注意对电容器高频特性的要求。

3，电位器的选择

电位器的主要参数有：标称阻值、精度、额定功率、电阻温度系数等，选用时应根据所设计电路的要求确定。

绘总体电路图

总电路图是在总框图、单元电路设计、参数设计和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印刷电路板设计的依据。因此总体电路图具有重要作用。

绘制时应注意以下几点：

1，注意信号的流向：一般从输入端画起，由左至右（或由上至下）按信号流向依次绘出各单元电路，使全图易于阅读和理解。

2，注意总体电路图的紧凑和协调，做到布局合理，排列均匀，图面清晰。

3、尽量将总体电路图绘在一张图纸上。如果电路较复杂，一张图纸内无法容纳，则应将主电路图画在同一张图纸上，而将其余部分按设计单元电路画在另一张图纸上或数张图纸上，并在各图纸所有断口两端做上标记，以此说明各图纸间电路连线的来龙去脉。

4，图中元器件的符号应标准化。

5，连接线一般画成水平线或垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。相互连通的交叉线，应在交叉处用圆点标出。

应用Altium Designer电路设计软件画原理图、PCB图

1，电路原理图的设计

电路原理图的设计主要是用AD的原理图设计系统来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用AD所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。

2，产生网络表

网络表是是电路原理图设计与印刷电路板设计之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。

3，印制电路板的设计

印制电路板的设计主要是针对AD的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助AD提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的工作等。

电路的组装

电子电路的组装与调试在电子设计技术中占有重要的位置，它是对理论设计进行检验、修改和完善的过程，任何一个产品往往都是在安装、调试并反复修改多次方能最终完成。

1，电子电路的组装

组装电路通常采用焊接和在面包板上插接两种方法，无论采用哪种方法均应注意以下几方面：

1）所有元器件在组装前应尽可能测试一遍，以保证所用的元器件均合格。

2）所有集成电路的组装方向要保持一致，以便于正确布线和查找。

3）组装分立元件时应使其标志朝上或朝向易于观察的方向，以便于查找和更换。对于有极性的元件，例：电解电容、二极管等，组装时一定要特别注意，不要搞错。

正确的组装方法和合理的布局，不仅可使电路整齐美观、工作可靠，而且便于检查、调试和排除故障。

三，电路的调试

调试是指调整和测试。测试是在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某些参数进行修正，使满足设计要求。

在调试前应拟订出测试项目、测试步骤、调测方法和所用的仪器等，做到心中有数，保证调试工作圆满完成。

1）调试方法

原则上有两种：

A、边安装边调试的方法。它是把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行安装和调试，在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这种方法一般适用于新设计的电路。

B、在整个电路全部焊接安装完毕后，实行一次性调试。这种方法一般适用于定型产品和需要相互配合才能运行的产品。

电子电路的调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。调试顺序按信号流向进行，这样可以把前面调试好的输出信号作为后一级的输入信号。在调试过程中应有详尽的记录。

整机联调

各单元电路调试好以后，并不见得由它们组成的整机性能一定很好，因此还要进行整机调试。整机调试主要是观察和测量动态性能，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路极其参数进行修正，直到全机的性能完全符合设计要求为止。

故障诊断方法

静态查找法：用万用表整机出现故障后，首先应仔细观察有无元器件出现过热痕迹或损伤情况，有无脱焊、短路、断脚和断线情况。然后采用静态和动态查找法。

测量元器件引脚电压、测量电阻值、电容漏电以及电路是否有断路或短路情况等。

当静态查找仍不能发现故障原因时，可采用动态查找法。即通过相应的仪器、仪表在电路加上适当信号的情况下测量电路的性能指标、元器件的工作状态。由获得的读数和观察到的波形等可准确、迅速地查找到故障发生的部位及产生的原因。

四，方案的原理图

(1)，量程转换电路：把被测量的直流电压量程范围由0到2V，扩展成 0到20V到200V

(2)，A/D转换器：将0到2V直流电压信号转换成数字量

(3)，译码显示驱动器：把BCD码(数字量)转换成LED对应的字模。

(4).显示处理：完成A/D转换过程的处理，即显示LED小数点移位处理，量程自动切换等。

(5)，LED显示器：显示测量值(电压值)

管脚图，VAG：接地端（模拟地）

2，VR：基准电压输入端（可由5G1403通过分压提供+2V或200mV基准电压）

3，VX：被测信号输入端

4，R1

5，R1/C1

6，C1：外接电阻R1、电容C1端 外接元件典型值：量程为2V时，R1=470K 量程为200mV时 R1=27K

7，CO1

8，C02：外接失调补偿电容C0端

9，DU：转换更新控制端

10，CLK1

11，CLK0：外接振荡器电阻RC端RC=470K

12，VEE：模拟部分负电源端

13，VSS：公共接地端

14，EOC：转换周期结束标志 每当转换周期结束，EOC端输出一个宽度为1/2CP的正脉冲

15，/OR：过量程标志 当|VX|>VR时，/OR输出低电平24—VDD：正电源端，芯片工作电压为+5V、-5V

精密低压基准电源—5G1403芯片

5G1403它能提供2.5V高稳定度输出电压，作为精密电压源使用。主要特点：

1，温度系数小。(小于60ppm/c`)

2，稳定性高，当输入从+4.5V到+15V变化输出变化小于3mV。本系统中主要作为5G14433的基准电源(+2V)其管脚见下图所示。

ICL7660提供给5G14433的VEE端-5V电源

ICL7660变换器主要应用在直流供电系统，能将+5V电源简便地变换为-5V电源。主要特点：

1，+5V电源变换±5V电源。

2，简便地实现倍压 Vout =(-)nVin(Vout 输出电压，Vin 电源电压，n使用器件数)。

3，开路电压转换效率高达99.9%

4，电源电压范围：1.5~10.0V。

A/D转换器(MC14433)

MC14433A/D转换器是美国摩托罗拉公司生产的双积分型A/D转换器。

1，主要性能及特点：

(1)，属于CMOS大规模集成电路。

(2)，转换准确度为±0.05%。

(3)，具有自动调零和自动极性转换功能。

(4)，具有转换结束和过量程标志(/OR)。通过(/OR)实现量程自动转换。

(5)，具有转换更新控制。通过输出控制端DU与转换结束端EOC连接使A/D转换结果更新，处于连续测量。

(6)，具有读数保持功能。

(7)，电压量程范围分两档0到200mV、0到2V。

(8)，功耗低、抗干扰能力强(双积分型)。

(9)，转换速度 3到10次/s。

量程转换电路

量程转换电路主要任务是把被测量直流电压转换成A/D输入端所能接受的电压范围，然后把其转换成数字量加以显示。

本设计中选用A/D芯片为美国摩托罗拉公司生产的3又1/2位A/D转换器。即MC14433[国内型号5G14433]它具有获得超量程(OR)便于实现量程自动转换。电压量程分为两档；200mV、2V。当选用量程为2V时；则对被测输入信号通过电阻分压，使高、低两档分别衰减10倍与100倍。量程转换电路

K1开关作用：

测量范围为0到20V时断开，使Vi衰减10倍进入5G14433输入端。

测量范围为20V到200V时K1闭合，使Vi衰减100倍进入5G14433输入端。

字形译码驱动电路—芯片CC4511

CC4511为显示译码驱动器，其内部带有锁存器，当锁存允许端LE=0时，锁存器直通，输出端随数据输入端变化，因此将LE端接地。CC4511的输出端接限流电阻，当电源电压+VDD=+5V时每只电阻的阻值约为数百欧。

CC14433A/D转换器的转换结果以BCD码的形式从Q0—Q3输出，分别与CC4511的数据输入端A—D相连接，对应的显示器便显示出0—9的十进制数字。

若输入电压UI大于1.999V，/OR端输出为“0”，控制CC4511的灭灯端/BI，即/BI=0，显示器的数字全部灭，只有负号和小数点仍亮。

CC4511管脚图

五，收获体会

布局和布线是PCB设计中的两个最重要的内容

所谓布局就是把电路图上所有的元器件都合理地安排到有限面积的PCB上。最关键的问题是：开关、按钮、旋钮等操作件，以及结构件(以下简称“特殊元件”)等，必须被安排在指定的位置上;其他元器件的位置安排，必须同时兼顾到布线的布通率和电气性能的最优化，以及今后的生产工艺和造价等多方面因素。这种“兼顾”往往是对硬件设计师水平和经验的挑战。

布线就是在布局之后，通过设计铜箔的走线图，按照原理图连通所有的走线。显然，布局的合理程度直接影响布线的成功率，往往在布线过程中还需要对布局作适当的调整。布线设计可以采用双层走线和单层走线，对于极其复杂的设计也可以考虑采用多层布线方案，但为了降低产品的造价，一般应尽量采用单层布线方案。结合自己做过双面板和四层板的设计。

PCB设计的一般原则

PCB尺寸大小和形状的确定

首先根据产品的机械结构确定。当空间位置较富余时，应尽量选择小面积的PCB。因为面积太大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加，但还要充分考虑到元器件的散热和邻近走线易受干扰等因素。

就目前我们这个项目来说，我对机械设计对PCB设计的影响的体会是相当深的，不一般吧，这三块板子，那块是规规矩矩的，这都是由于我们产品自身的原因导致机械结构的特殊，而机械结构的特殊，就对电路板本身的外形结构进行的限制和规定。电路板之间的信号连接也有了相应的特性要求。但这些都是不能避免的，因为产品为市场所要求，市场的变化多端的，所以产品也是变化多端的，设计为产品而服务。

布局

特殊元件的布局原则

1，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

2，某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

3，重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

4，对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方;若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

5，应留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。

以上各条都是需要做过对应的相关设计采用较深的体会主要就是一个原则：做出来的板子要和它周围的结构兼容，要和放在它上面的元件兼容，要满足一些基本要求。

普通元器件的布局原则

按照电路的流程安排各个电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的流向。

这一条我体会很深，第一次做板子的时候，面对几百个花花绿绿的元件，完全不知道该这么去把它们组织都一起去，当时就奇怪凭什么这个元件要这样放，那个元件要那样放。就是因为心里没有这条原则，原来自己布局出来的板子，在利用自动布线时，布通率是很低的，后来，做多了，就慢慢的体会到了这一入门级的基本原则。

在首先满足机械结构的前提下，在给定的平面空间里，布局的基本原则就是按照电路的流程来安排各个电路单元的位置。

其实这一条解释了，如何对各个主要元件进行布局。

以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上.尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

这是在满足第一原则的前提下，尽一步的更细的解释了如何对电阻电容这些分离元件进行正确的布局。

焊接目的1，熟悉焊接工艺，掌握焊接方法及焊接中的注意事项。

2，掌握电路的调试方法。

3，掌握555时基电路的原理及应用。

焊接要求

1，元件布局合理、美观，布线合理。

2，焊接美观，不允许出现虚焊、脱焊、断线等问题。

3，电路运行稳定可靠，调整方便。

4，电路要求的功能全部实现并达到规定的精度。

5，可自由发挥增加新的功能。

焊接工艺及注意事项

在电子制作中，元器件的连接处需要焊接。焊接的质量对制作的质量影响极大。所以，学习电于制作技术，必须掌握焊接技术，练好焊接基本功。

焊接工具

电烙铁。

电烙铁是最常用的焊接工具。我们使用20W内热式电烙铁。新烙铁使用前，通电烧热，蘸上松香后用烙铁头刃面接触焊锡丝，使烙铁头上均匀地镀上一层锡。这样做，可以便于焊接和防止烙铁头表面氧化。旧的烙铁头如严重氧化而发黑，可用钢挫挫去表层氧化物，使其露出金属光泽后，重新镀锡，才能使用。电烙铁要用220V交流电源，使用时要特别注意安全。应认真做到以下几点：

1，电烙铁插头最好使用三极插头。要使外壳妥善接地。

2，使用前，应认真检查电源插头、电源线有无损坏。并检查烙铁头是否松动。

3，电烙铁使用中，不能用力敲击。要防止跌落。烙铁头上焊锡过多时，可用布擦掉。不可乱甩，以防烫伤他人。

4，焊接过程中，烙铁不能到处乱放。不焊时，应放在烙铁架上。注意电源线不可搭在烙铁头上，以防烫坏绝缘层而发生事故。

5，使用结束后，及时切断电源，拔下电源插头。冷却后，再将电烙铁收回工具箱。

焊锡

焊接时，还需要焊锡。

焊锡。焊接电子元件，一般采用有松香芯的焊锡丝。这种焊锡丝，熔点较低，而且内含松香助焊剂，使用极为方便。

辅助工具

为了方便焊接操作常采用尖嘴钳、偏口钳、镊子和小刀等做为辅助工具。

焊接方法

1，右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。

2，将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60度角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在2到3秒钟。

3，抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。

4，用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。

焊接质量

焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。要保证焊接质量。好的焊点应是锡点光亮，圆滑而无毛刺，锡量适中。锡和被焊物融合牢固。不应有虚焊和假焊。虚焊是焊点处只有少量锡焊住，造成接触不良，时通时断。假焊是指表面上好像焊住了，但实际上并没有焊上，有时用手一拔，引线就可以从焊点中拔出。这两种情况将给电子制作的调试和检修带来极大的困难。只有经过大量的、认真的焊接实践，才能避免这两种情况。

焊接电路板时，一定要控制好时间，不要太长，电路板将被烧焦，或造成铜箔脱落。从电路板上拆卸元件时，可将电烙铁头贴在焊点上，待焊点上的锡熔化后，将元件拔出。

焊接时常见问题

常见锡点问题与处理方法：

1，焊剂与底板面接触不良；底板与焊料的角度不当。

2，组件插脚方向以及排列不良。

3，原底板，引线处理不当。

通过了一周的课程设计，我学到了很多课本上没有的知识，比如说焊接技术、故障排除能力、元件的外表识别等等，拓展了自己的视野。在实践中我认识到虽然有的电路看起来很简单，但是实际操作起来确是很容易出错，通过反复的排除和检查才能将故障找出，这使我认识到自己经验的不足。在这次实践的过程中用到了一些常用的电子元器件，所以通过了实践，我能够识别相关的电子元器件，如电阻器、电位器、电容器、二极管、晶体管和三端集成稳压器等常有的电子元器件，知道了它们的形状、它们的分类、它们的型号规格、正负极的区分、它们的用法以及如何检测这些电子元器件的好坏。通过这一周的课程设计，也培养了我的胆大、心细、谨慎的工作作风。也要求操作的时候要心细、谨慎，避免触电及意外的受伤。在实践中令我感触最大的是电烙铁的使用，虽然看起来很简单，但是初次使用非常容易烫伤，开始时焊接的电路也不合格，常常出现虚焊、假焊现象，从而影响电路的性能和外观，而这些只有通过自己的不断训练才会熟能生巧。这次实践使我懂得了动手能力的重要性，纸上谈兵在实际生活中是没有什么意义的。通过实践，我的动手能力得到了增强，学会了基本电路的焊接以及调试，但是我知道自己学会的还只是皮毛而已，在今后的生活和学习中我会自觉的加强自己动手实践的能力。