科技创新[1]实验报告

项目名称:电路基本装配调试训练完成者:张X X 班级:F0903014 学号:509030X X X X 完成时间: 上海交通大学电子信息与电气工程学院 目次 1. 概述 (1) 1.1编写说明 (1) 1.2定义 (1) 1.3缩略语 (1) 2. 调频无线话筒的制作 (2) 2.1实验目的 (2) 2.2无线话筒的主要性能指标 (2) 2.3无线话筒的主要功能和工作原理 (2) 2.4实验过程 (4) 2.3.1装配过程 (4) 3. 万用电的制作 (8) 3.1实验目的 (8) 3.2万用电表的主要性能指标[2] (8) 万用电表的主要功能和工作原理[2] (8) 3.3实验过程 (16) 3.3.1装配过程 (16) 3.3.2实验数据和结果讨论 (19) 4. 致谢 (21) 5. 参考文献 (22) 5.1#体会# (22) 5.2其他材料 (22) 第 1 页 1.概述 1.1编写说明 编写目的:本实验说明了调频无线话筒和DT832型数字万用电表的原理、电路结构、制作过程,以及学习科技报告的写作方法。 适读对象:适用于具备一些基础电子知识的读者学习研究,包括09届电子信息与电气工程学院学生,同时供教师批阅。 1.2定义 焊接:利用电烙铁加热焊锡,使电子元件正确连接在电路板上,使其可以正常工作。 虚焊:即不完整、不充分的焊接。正确的焊接方法详见2.4.1节。 1.3缩略语 R: Resistor 电阻 C: Capacitor 电容 L: Inductor 电感 D: Diode 二极管 V: Triode 三极管 MIC: Microphone 话筒 K:脚跳线开关 LCD:液晶显示屏 CMOS:互补型金属氧化物半导体 PCB:印刷电路板 第 1 页 2.调频无线话筒的制作 2.1实验目的 练习基本工具的使用;掌握电路连接的基本方法;初步掌握简单电路的调试方法。 2.2无线话筒的主要性能指标 工作电压:3V 工作频率:88~108MHZ 2.3无线话筒的主要功能和工作原理 图1 调频无线话筒电原理图[1] 主要功能:话筒可以发射频率88~108MHZ的无线电波,通过调频收音机可以接收到此信号,从而实现较远距离通话功能。 工作原理[1]: 高频三极管V1和电感L、电容C4、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器,电路结构是一个高频振荡器。工作频率也就是调频话筒的发射频率,这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的,当声音电压信号加到三极管的基极上时,三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步 第 2 页 的变化,同时使三极管的发射频率发生变化,实现频率调制。根据图中元件的参数发射频率可以在88~108MHZ之间,正好覆盖调频收音机的接收频率,通过调整L的数值(拉伸或者压缩线圈L)可以方便地改变发射频率,避开调频电台。发射信号通过C7耦合到天线上再发射出去。 R4是V1的基极偏置电阻,给三极管提供一定的基极电流,使V1工作在放大区, R5是直流反馈电阻,起到稳定三极管工作点的作用。 话筒MIC可以采集外界的声音信号,这里我们用的是驻极体小话筒,灵敏度非常高,可以采集微弱的声音,同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作,电阻R3可以提供一定的直流偏压,R3的阻值越大,话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高,话筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极,电路中D1和D2两个二极管反向并联,主要起一个双向限幅的功能,二极管的导通电压只有0.7V,如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流,这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间,过强的声音信号会使三极管过调制,产生声音失真甚至无法正常工作。 CK是外部信号引入的位置。在调试时可以使用实验室的函数信号发生器,输出 1KHz左右的正弦波信号,代替声音信号,引入调频发射机,该外部信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。这样,调试过程中就不需要老对着话筒叫个不停了,只要专心调整收音机捕捉1KHz的单音。 电路中发光二极管D3用来指示工作状态,当调频话筒得电工作时就会点亮,R6是发光二极管的限流电阻。C8、C9是电源滤波电容,因为大电容一般采用卷绕工艺制作的,所以等效电感比较大(换句话讲,在高频时这类电容不能简单地被看做“电容”,它们的“电感”特性会显现出来),并联一个小电容C8可以使电源的高频内阻降低,这个电路非常常见。 电路中K1是一个跳线开关,通过短路帽选择,断开或是接通电源。 不外装天线时,也能工作,但有效距离较短。 第 3 页 实验过程 2.3.1装配过程 2.3.1.1工作环境 无线话筒电路板及所需元件一套。 电烙铁:用于焊接及修复虚焊焊点。 焊锡及松香:用于焊接。 剪子:用于剪断焊接后多余的引脚,同时用于刮掉漆皮。 镊子:用于夹取较小的元件。 螺丝刀:便于缠绕电感线圈。 工作步骤 1.焊接元器件 (1)首先保证元件引脚清洁 将有锈和油腻的引脚用360度全方位刮引脚的方法除掉,保持清洁。在操作过程中,我的元件引脚较为清洁,仅有一个电阻有一点锈迹,在清除干净这个引脚后准备工作完成。 (2)依对集成电路图焊接元件 我采用分类的方法进行焊接,将元件分为三类:电阻、电容、其他元件。然后比对电阻阻值找到其在电路中的位置,逐个焊接,再根据电容的标号找到其在电路中的位置,逐个焊接,最后通过电路找到其他元件的位置,依然采用逐个焊接的方法。依照这个方法我较为顺利的完成了元件的焊接,经过之后的检查,有几处的焊接情况不是很好,于是我借来了溶胶枪吸去了焊锡重新焊接最终完成了焊接。 在这个过程中我认为要注意的几点: 正确识别电阻阻值(见图2)和电容的电容值(见图3)。 区分清楚焊接面。 元件的插装,在焊好一个元件后减掉多余的引脚。 对出现虚焊、焊得太多的情况时要及时补焊、修正。 电感线圈的饶制,一般为七圈左右,同时焊接前要刮掉焊接部位线圈的漆包线。 要特别注意二极管、电解电容、三极管、驻极体话筒引脚的极性。 附 图3电阻色环识别指南[1] 第 4 页 图3[1]电容的识别 、、、 第 5 页 注: (焊接方法[1]: a.右手电烙铁,把它推向引脚和焊盘 b.将少量的焊锡放在烙铁尖上,可以使热度从烙铁上传到焊盘上。然后用左手在另一面放上焊锡丝,元件和烙铁的热度就可以熔化焊锡。这时,看到焊锡在焊盘上自由流动,充满整个焊盘。 c.看到焊锡流,2~3秒钟后,移开电烙铁。冷却后剪掉引脚。) (3)完成制作 、 图4完成制作样图[1] 主要使用“叙述”的表达方法,对过程加以描述,包括遇到的问题及解决的方法。使阅读者能根据你的叙述重复你的工作过程] 调试过程 工作环境 视波器,用以测试震荡频率。收音机,用以接受话筒发出的信号。 第 6 页 [说明工作中使用到的工具、设备等,包括它们的主要指标或具体型号,及使用它们的目的,使阅读者能根据你的说明重建工作环境] 工作步骤 我们小组的骨干用示波器帮我测出了话筒的震荡频率,当时的测试频率为91.3MHZ。然后我们用收音机进行了收音测试,我惊喜的从收音机中听到了骨干的声音。但是最为清晰的信号却是在91.0MHZ处收到的。我们主要原因可能是外界信号的干扰和电感线圈的不稳定性使得收音的最佳频率发生了微小的改变。同时在距离话筒3~5米外后收音效果较差,助教说如果要增大发射距离,可在ANTANNA处接根导线作天线。返回寝室后我又用两节5号电池进行了测试,结果发现在寝室内随着距离话筒距离的增大信号逐渐变弱,只要一出寝室信号骤减,几乎不在能听清话筒中传来的话语。 实验数据和结果讨论 实验进行了三次。第一次在交大电信群楼4号楼410内完成,工作电压3V,环境温度约20度,测试时间为21点,外界有微风。信号在3米内良好,超过3米后逐渐减弱,主要原因是话筒发出的信号不够强,随着距离的增大信号逐渐减弱。 第二次在南13栋616宿舍完成,工作电压3V,环境温度约15度,测试时间22点,外界有小雨。信号在寝室内良好,出寝室后信号变得很弱。经思考主要原因可能是墙对无线电波的吸收和反射作用使得传至寝室外的信号很弱。 第三次仍在寝室完成其他条件和第二次实验基本相同但是一个无雨的好天气,结果信号较上一次实验明显偏弱。经思考应该是良好天气外界信号较强的原因,使得话筒信号受到了干扰。 第 7 页 3.万用电表的制作 3.1实验目的 练习基本工具的使用;掌握电路连接的基本方法;初步掌握简单电路的调试方法;初步了解电子设备的结构知识和相应的装配技巧。 3.2万用电表的主要性能指标[2] 万用电表的主要功能和工作原理[2] 主要功能: 第 8 页 第 9 页 (1)3 1/2位的液晶读数显示 (2)可以测交直流电压,交直流电流,电阻,二极管,三极管 (3)有测通断的功能,当被测两点连通时,蜂鸣器鸣叫 (4)可以输出方波信号 工作原理: DT832仪表的方框图如示意图1。该仪表的心脏是一片大规模集成电路,该芯片(7106)内部包含双积分A/D 转换器,显示锁存器,七段译码器和显示驱动器,它的工作原理框图见示意图2。输入仪表的电压或电流信号经过一个开关选择器转换成一个0到199.9mV 的直流电压。例如输入信号100VDC ,就用1000:1的分压器获得100.0mVDC ;输入信号100VAC ,首先整流为100VDC ,然后再分压成100.0mVDC 。电流测量则通过选择不同阻值的分流电阻获得。 图5示意图1[3] 采用比例法测量电阻,方法是利用一个内部电压源加在一个己知电阻值的系列电阻和串联在一起的被测电阻上。被测电阻上的电压与己知电阻上的电压之比值,与被测电阻值成正比。 输入7106 IC 的直流信号被接入一个A/D 转换器,转换成数字信号,然后送入译码器转换成驱动LCD 的7段码。 A/D 转换器的时钟是由一个振荡频率约48KHz 的外部振荡器提供的,它经过一个四分之一分频获得计数频率,这个频率获得2.5次/秒的测量速率。 四个译码器将数字转换成7段码的四个数字,小数点由选择开关设定。 双积分A/D 转换器的工作原理 A/D 转换器的每个测量周期分成三个阶段:自动调零(AZ ),正向积分(INT ),反向积分(DE )。 第一阶段,自动调零AZ (AUTO-ZERO ):在此阶段,S AZ 闭合,S INT 、S DE 断开,完成以下工作:第一,将IN +,IN - 的外部引线断开,并将缓冲器的同相输入端与模拟地短接,使芯片内部的输入电压V IN =0V ;第二,反积分器反相输入端与比较器输出端短接,此时反映到比较器的总失调电压对自动 第 10 页 调零电容C AZ 充电,以补偿缓冲器,积分器和比较器本身的失调电压,可保证输入失调电压小于10uV ,第三,基准电压V REF 向基准电容C REF 充电,使之被充到V REF ,为反向积分做准备。 第二阶段,正向积分(亦称信号积分或采样)INT (integral ):此时S INT 闭合,S AZ 和S DE 断开,切断自动调零电路并去掉短路线,IN +,IN - 端分别被接通,积分器和比较器开始工作。被测电压V IN 经缓冲器和积分电阻后送至积分器。积分器在固定时间T 1内,以V IN /(R INT -C INT )的斜率对V IN 进行定时积分。令计数脉冲的频率为F CP ,周期为T CP ,则T 1=1000T CP 。当计数器计满1000个脉冲数时,积分器的输出电压为 100T IN IN INT INT INT INT KT K V V dt V R C R C ==?? (2.3.1) 式中,K 是缓冲放大器的电压放大系数,T 1也叫采样时间。在正向积分结束时,V IN 的极性即被判定。 第三阶段,反向积分,亦称解积分DE (Decompose Integral ):在此阶段,S AZ ,S INT 断开,S DE+,S DE-闭合。控制逻辑在对V IN 进行极性判断之后,接通相应极性的模拟开关,将C REF 上已充好的基准电压接相反极性代替V IN ,进行反向积分,斜率变成V REF /(R INT -C INT )。经过时间T 2,积分器的输出又回到零电平,参见图3,该图分别绘出对负极当反向积分结束时,有关系式 20000T REF REF INT INT INT INT KV K V V dt V R C R C -=-=? (2.3.2) 第 11 页 图6示意图2[3] 第 12 页 图7 双积分输出电压示意图及A/D 转换器的时序波形[3] 将式(2.3.1)代入式(2.3.2)中整理后得到 12IN REF T T V V =? (2.3.3) 假定在T 2时间内计数值(即仪表显示值,不考虑小数点)为N ,则T 2为NT CP ,代入式(2.3.3)中得到 1IN CP REF T N V T V =? (2.3.4) 分析式(2.3.4)可知,因T 1,T CP ,V REF 均是固定不变的,故计数值N 仅与被测电压V IN 成正比,由此实现了模拟量-数字量转换。 在测量过程中,ICL7106能自动完成下述循环 A/D 转换器的时序波形如图3所示,每个阶段的时间分配如下: 自动调零时间:1000T CP -3000T CP 正向积分时间T 1:3000T CP -4000T CP (T 1=1000T CP ) 反向积分时间T 2:0-2000T CP 每个A/D 转换周期为4000T CP ,折合16000T 0 第 13 页 需作几点说明: a) 自动调零时间是可变的,必须等上一次反向积分结束后才开始。举例说明,若在0-1850T CP 时 间内完成反向积分(T 2-1850Tcp ),就从1851T CP -3000T CP 的时间内自动调零,此时调零时间为3000T CP -1851T CP =1149T CP b) T 1是固定不变的,T 2则随V IN 的大小而变化,因为T 1/T CP =1000,选基准电压=V REF =100.0mV ,所以 由式(2.3.4)得到 1000100010100.0 IN IN IN REF N V V V V =?=?= (2.3.5) 即 IN V =0.1N (2.3.6) 只要将小数点定在十位后边便可直读结果。 满量程时N=2000,V IN =V M ,由式(2.3.4)可导出满量程电压V M 与基准电压的关系式 M REF V =2V (2.3.7) 显然,当V REF =100.0mV 时,V M =200mV , V ERF =1000mV 时,V M =2V 。式(2.3.7)对ICL 系列3 1/2位A/D 转换器均适用。3 1/2位DVM ,DMM 的最大显示值为1999,满量程时将显示过载符号“1”。 c) 上述定时关系由7106本身特性所决定,外界无法改变。 d) 为提高双积分数字仪表抑制工频干扰的能力,所选采样时间T1应为工频周期的整倍数。利用 正向积分阶段对输入电压取平无均的特点,即可消除外界引入的工频干扰。 我国采50Hz 交流电网,其周期为20ms ,应选 T 1=n ·20ms (2.3.8) 式中n=1,2,3…。N 愈大,对串模干扰的抑制能力愈强,但A/D 转换时间延长,测量速率降低,例如可取时钟频率f 0=40KHz ,即T 1=1000T CP =100ms ,恰是20ms 的5倍,欧美国家采用60Hz 交注电网,周期是16 2/3ms 。为抑制60Hz 干扰,可选f 0=33 1/3KHz ,40KHz ,48KHz ,60KHz 等。实际上考虑到交流电网的频率也会有一定波动(例如在50±0.5Hz 范围内变化),一般情况下并不要求时钟频率严格等于值,允许有一定的偏差。但时钟频率的稳定性应尽量高,否则在T1,T2两个时间内T CP 不等,会影响转换准确度 数字电路 数字电路亦称逻辑电路,ICL7106数字电路如图2所示,数字电路如图2所示,数字电路主要包括8个单元电路(1)时钟振荡器,(2)分频器,(3)计数器,(4)锁存器,(5)译码器, (6)异或门相位驱动器,(7)控制逻辑,(8)3 1/2位LCD 显示器,图中虚线框内表示7106的数 字电路,框外是外围电路。 3.3实验过程 3.3.1装配过程 3.3.1.1工作环境 所用器材: DT832数字万用表电路板及所需元件一套。 电烙铁:用于焊接及修复虚焊焊点。 焊锡及松香:用于焊接。 剪子:用于剪断焊接后多余的引脚,同时用于刮掉漆皮。 镊子:用于夹取较小的元件。 螺丝刀:用于固定电路板与万用表外壳。 3.3.1.2工作步骤 1、焊接 主要步骤同无线话筒的焊接也是先清洁引脚再依照集成电路图焊接元件。焊接时同样要注意之前提到的几点事项。另外,因为万用电表的元件比无线话筒的明显增多,所以焊接时要格外注意一些相邻的元件不要发生短路情况。下附焊接电路图。 第 16 页 第 17 页 图13 DT832数字万用表元件安装图[3] 2、安装 对照安装说明,先将液晶屏及相关零件正确放入机壳(最好先将导电橡胶用无水酒精洗净晾干),然后组合转动开关(先装背面的接触片,然后将弹簧和小钢珠涂上凡士林后装入),然后将电路板放入机壳压紧,用螺丝将其固定在机壳内。最后将保险丝和电池装好,安上底盖并用螺丝拧紧,机壳正面贴上封面。至此安装完成。 图14 安装完成的DT832数字万用表[2] 调试过程 3.3.1.3工作环境 所用器材: 示波器:用于显示震荡波形及频率 函数信号发生器:用于提供正弦波信号 定值电阻:用于检测电阻档精确度 3.3.1.4工作步骤 (1)检测是否能够正常显示数据。在不装表笔,只转动开关的情况下,正确结果如下: 第 18 页 (2)装好表笔,测试蜂鸣器是否正常工作。 (3)电阻测试,准备1000k,100k,10k,1000Ω,100Ω的电阻各一个,分别用欧姆档的各档测量,跟已知精确仪表比较读数误差应在允许范围内。 (4)校准参考电压,将万用电表调至电压测试档并用标准数字万用电表测试电压的显示结果,通过调节可调电阻,将电压测试的误差调整到一定的精度。 在第一次测试中我的万用电表电压读数误差偏大,骨干告诉误差偏大的原因可能是电阻在焊接时出现了虚焊,他要求我我将上图电路中右侧中部的电阻重新焊接一次。在我重新焊接过后再去测试时电压读数误差达到了允许的范围内,测试完成。 3.3.2实验数据和结果讨论 实验作品测试结果如下 液晶片显示测试:正常 蜂鸣器测试:正常工作 电阻测试:所测电阻10.00kΩ,万用表显示结果10.03kΩ 电压测试:所测电压10.00v,万用表显示结果10.01V 分析:误差出现的原因应是多方面的,焊接的不当是其主要方面,另外提供的元件本身也存在一定的系统误差。像我之前的第一次测试,因为焊接问题使得误差达到了30%左右,但在重新焊接后良好的控制了误差。 第 19 页 第 20 页 4.致谢 感谢科技创新课老师在课堂上细致的讲解,感谢实验室的助教和班级骨干李祎萌、徐海平在实验中给予的指导和帮助 第 21 页 5.参考文献 [1] 电院科技创新(1)课程讲义,调频无线话筒的制作原理教程 [2] 电院科技创新(1)课程讲义,DT832教学版教程 [3] 830BD-832套件纸卡版教程 5.1心得体会 这是我第一次接触科技创新课程,第一次连续实验5小时,第一次对我进行的实验作出严密分析……这么多的第一次,收获自然也很多了。 这个实验对我而言无疑是一个较为艰辛的过程。我一共在实验室待了三个晚上,无线话筒的完成还算顺利但数字万用电表却让我一度头痛不已。万用电表的装备较为复杂,要不是骨干的耐心帮助我真不知道如何下手。 从这次实验中我认识到一个细微的疏忽可能引起极大的问题,在焊接过程对每个元件我们都不可掉以轻心,像电阻阻值的识别、二极管引脚的极性等等均不容忽视。这种细致入微的精神我在以后的工作生活中会努力培养。 对于一个复杂问题的条理性同样很重要。我们可以通过将一个大问题“肢解”为几个小问题来解决。这种条理性可以让我们思路清晰,明确每一步前进的方向。面对几十个元件我将其分为了电阻、电容、二极管等小类,一类类来完成焊接,这使得我的焊接过程忙而不乱。在组装万用电表时我则先请教了骨干,让他帮我先输理一遍整个过程再一步一步完成。条理化的分析问题无疑时解决复杂问题的良药。 在遇到困难时合作同样很重要,当我在焊接集成电路LM358时因为难以固定我找到了身边同学帮忙,在他焊接此元件时我同样帮助了他。这样我们均顺利完成了这个最难焊接的元件的焊接。实验过程中当然还有很多其他的例子,这明确显示了合作的强大威力! 我的万用电表在第一次测试时出现了较大的误差,感谢骨干为我认真分析,找出了问题的所在。通过再次焊接我将误差修正到了允许的范围内。查找错误,改正错误的过程让我对整个实验有了一次更深刻的认识,同样找到了探索的乐趣。 当两件作品都最终完成后,我的心情无比激动,一股自豪感油然而生,正是这种品味自己劳动成果产生的自豪感激励了一代又一代人不断攀登,不断挑战自我,超越自我,完成一次又一次的自我提升。我相信经过这一小步后我能在科创的舞台上走得更远! 5.2其他材料 第 22 页 第 23 页 图15 DT_832数字万用表电原理图[3] 图16 DT_832数字万用表零配件清单[3] 第 24 页 图17DT_832数字万用表零配件清单[3] 第 25 页 第 26 页 第 27 页