电子产品故障检测技术教案
目录
项目1：典型滤波电路 (1)
项目2：NTC充电控制电路 (12)
项目3：谐振电路 (18)
项目4：典型电源电路 (27)
项目5：共射极放大电路 (31)
项目6：晶体管负反馈放大电路 (39)
项目7：晶体管差分放大电路 (44)
项目8：功率放大电路 (49)
项目9：多路温度采集取最大值电路 (53)
项目10: 典型交流信号运算放大电路 (58)
项目11: 温度滞回控制应用电路 (74)
项目12:（PWM）信号封锁保护电路 (81)
项目13: IGBT驱动电压电平检测保护电路 (86)
项目14: 典型信号发生电路 (90)
项目15: 典型信号处理电路 (104)
项目16: 故障信号时序处理电路 (116)
项目17: 位移缓存器级联电路 (120)
项目18: 功率直流电机控制系统设计 (130)
项目1：按键检测与继电器驱动电路
项目需求
一、项目背景
二、项目任务
项目实施
一、基础知识储备
二、电路原理图设计
三、电路功能测试
四、电路调试分析
电路调试分析一：
分析调试：视频演示
电路调试分析二：
分析调试：视频演示
项目总结与提升
一、总结
项目2：485通信电路
项目需求
一、项目背景
二、项目任务
项目实施
一、基础知识储备
四、电路原理图设计
五、电路功能测试
四、电路调试分析
电路调试分析一：
分析调试：视频演示
电路调试分析二：
分析调试：视频演示
项目总结与提升
一、总结
项目3：典型光耦电路
项目需求
一、项目背景
二、项目任务
项目实施
一、基础知识储备
六、电路原理图设计
七、电路功能测试
四、电路调试分析
电路调试分析一：
分析调试：视频演示
电路调试分析二：
分析调试：视频演示
项目总结与提升
一、总结
项目4：典型电源电路
项目需求
一、项目背景
电源中电源电路是非常重要的部分，所有的用电器要正常工作，就必须有一个好的电源电路，这就是电源的作用。电源广义上包括了电源和电源电路，常见的电源有市电提供的220V交流电，还有就是各种电池。
常见的电源电路有各种的稳压电源，不间断电源等，这些电源电路要将电源提供的电压处理
成用电器所需要的电压，并且处理后的电压是稳定的。
二、项目任务
现在有个24V的直流电源适配器，我们电路中需要5V的电源电压，因此我们需要设计一个24V 转5V的电源转换电路。
我们设计2个24V转5V的电源转换电路，来比较2个电源的特性，选择更高效的电源电路
（一）使用LM7805电源芯片，设计一个24V转5V的电源电路
（二）使用LM2596S-ADJ电源芯片,设计一个24V转5V的电源电路
项目实施
一、基础知识储备
电源是电路设计中的重要部分，电源的稳定性在很大程度上决定了电路的稳定性。线性电源和开关电源是比较常见的两种电源，在原理上有很大的不同，原理上的不同决定了两者应用上的不同。我们以常见的线性稳压器与DC-DC开关电源为例，分析两者之间的差别。
线性电源是通过稳压电路输出稳定的低压直流电。电路中调整元件工作在线性状态。
开关电源的基本原理是直流在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感(高频变压器)的帮助下，输出稳定的低压直流电。
线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。但是效率低，输入输出的电压差不能太大,负载不能太大。
DC-DC包括boost（升压）、buck（降压）、Boost/buck（升/降压）和反相结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型 DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
八、电路原理图设计
1.主电路设计：
线性电源电路设计：
由7805及外围电路组成，稳定输出5V电压电源，设计好的电源电路如下图所示。
7805电源电路中，重点是LM7805芯片的应用，它的作用是输出稳定的5V电源电压，
LM7805电路中输入电压需高于输出电压2V以上，LM7805输出电压范围为4.8-5.2V,输出最大电流为1A（当输出电流较大，芯片发热严重时，7805应配上散热片）。
●POWER为电源插座；SW1为电源开关；F2为自恢复保险丝，防止电流过大损坏电路板；D3
为防反接二极管，防止电源接反对电源芯片造成损坏。
●C5为稳压电容，保证输入端电压的稳定；C7为滤波电容，滤除输出电压的高频干扰。
开关电源设计：
由LM2596-ADJ组成的输出电压灵活可调的5V输出的电源电路，设计好的电源电路如下图所示。
2596电源电路中，重点是LM2596-ADJ芯片的应用，它的作用是输出稳定的5V电源电压，LM2596-ADJ电源芯片输入电压范围为15-40V，输出电压范围1.23-37V,输出最大电流为3A。电路可通过调节输出和地之间的2个输出电阻，达到输出电压可调的目的，输出电压与2输出电阻的公式如下：
??? ?
?+=541R R V V REF OUT REF V =1.23V
● POWER 为电源插座；SW2为电源开关；F3为自恢复保险丝，防止电流过大损坏电路板；D4
为防反接二极管，防止电源接反对电源芯片造成损坏。
● L2为电感，DC-DC 稳压电路中必不可少的器件，作用是储存能量，保证电源芯片的稳定工
作。
● C9为稳压电容，保证输入端电压的稳定；C10为滤波电容，滤除输出电压的高频干扰。
九、电路功能测试
将7805电路S-OUT1输出端接上50Ω直插碳膜电阻,去掉电路板上的散热片，观察LM7805的发
热量。将2596电路S-OUT2输出端接上50Ω直插碳膜电阻,观察LM2596的发热量。比较2个芯片
LM7805与LM2596的发热量，比较芯片的转化效率。
四、电路调试分析
电路调试分析一：LM2596S-ADJ 的可调电压输出15V 设计
分析：由LM2596S-ADJ 本身的电路特性，可以根据不同的电阻匹配得到不同的电压输出 输出电压计算公式为：??
? ??
+=541R R V V REF OUT ，其中REF V =1.23V
R=1K时，由上述公式计算得出4R=11K
当5
分析调试：视频演示
电路调试分析二：2种电源电路的功耗计算分析
分析：电路加上负载，通过直流可调电源给电路供电接入输入端，输出功率恒定。
使用直流可调电源给电路提供24V电源，读取直流可调电源上的电流值Iin，输入功率Pin=Vin*Iin；
用万用表测试输出端的电压值Vout，计算电流值Iout；输出功率Pout=Vout*Iout。
整个电源部分的功耗P=Pin-Pout，效率=Pout/Pin.
分析调试：视频演示
项目总结与提升
一、总结
1.2种电源电路的特点
线性稳压器：
优点：低成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少。
缺点：效率低，发热量大，输入输出的电压差不能太大,负载不能太大。
DC-DC开关电源：
优点：具有高效率、高输出电流、低静态电流、输出电压范围宽、抗干扰能力强等特点，缺点：输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
选择分析：
如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。
线性稳压器只有降压型，而且输入电压一般只能高于输出电压在2V左右，因而大大制约了其发展，而且效率相对DC/DC变换器更低。其线性稳压的她点使其电源噪声小负载响应速度高，比较适合和对电源要求较高，对模拟电源比较敏感的设计，牺牲效率来保证电源的纯净。
如果输入电压和输出电压不是很接近，压差大，就要考虑用开关型的DCDC了，这时DCDC开关电源的转换效率更高。
在某些应用领域会既有工作效率的需求又有纹波和响应速度的需求，则这时就会需要开关稳压和线性稳压结合使用。
2.电源电路原理及应用
2个电路分别使用LM7805和LM2596S-ADJ芯片，实现将24V转换为5V输出，
3.电源电路调试及分析
LM2596S-ADJ电路通过调节2个电阻，实现可调电压输出
2种电路的功耗,转换效率分析（P=UI）
项目5：典型滤波电路
项目需求
一、项目背景
在工业控制系统的工作环境中，存在着大量的干扰信号，如电网的波动、强电设备的启停、各种电开关的闭合、断开引起的电磁辐射等，经常会干扰系统的正常运行，降低系统运转的可靠性和稳定性。所以，在系统电路设计时，必须进行滤波设计。例如，在信号的输入输出接口（端子）处，一般加RC滤波电路，过滤掉信号的传输过程中受到的干扰波。
在很多的电子产品中，轻触按键常用于将外部控制信号输入到主控芯片（单片机、DSP 等），主控芯片根据输入信号进行下一步的动作（显示、通信、控制等）。一般的轻触按键输入电路如下图。
轻触式按键属于机械接触式，在触片之间接触过程中，会产生不稳定的信号，如下图所示，杂波过程一般持续10ms-20ms。为了过滤掉杂波，可以通过单片机程序滤波或者通过硬件滤波电路进行滤波。单片机程序滤波的基本原理是：单片机检测到低电平后，再延时15ms，再检测一次，如果还是低电平，则确定是按键按下。
一般情况下，为了给单片机一个确定的，干净的信号，往往采用单片机程序滤波与硬件滤波电路结合的方式进行滤波，其中硬件滤波电路常用RC滤波电路。
二、项目任务
设计一个按键滤波电路，滤除按键在开关瞬间产生的杂波。
（设计思路是：先示波器看RC杂波时间，频率，在选择RC滤波）
项目实施
一、基础知识储备
所有的电路都是有基本元器件组成的，最起初基本电子元件有：电阻、电感、电容。电阻、电感、电容其实就是能源转换的元件。电阻、电感实现不同种类能量间的转换，电容则实现电势能与电场能的转换：
电阻——电能→热能
电感——电能→磁场能，&磁场能→电能
电容——电势能→电场能，&电场能→电流
（一）电阻
1.原理
用导体制成具有一定阻值的元件。电阻是导体的一种基本性质,与导体的尺寸、材料、温度有关。阻碍电流流过，应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合组成的滤波器及阻匹配等。电阻的原理是：电势能→电流→热能。电源正负两端贮藏有电势能（正负电荷），当电势加在电阻两端，电荷在电势差作用下流动——形成了电流，其流动速度远比无电势差时的自由运动快，在电阻或导体内碰撞产生的热量也就更多，最终完成由电势能到热能的转化。
2.分类
（1）按阻值特性:固定电阻、可调电阻、特种电阻(敏感电阻)。
不能调节的,我们称之为固定电阻,而可以调节的,我们称之为可调电阻.常见的例如收音机音量调节的,主要应用于电压分配的,我们称之为电位器。
（2）按制造材料:碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等。
（3）按安装方式: 插件电阻、贴片电阻。
3.基本参数
（1）电阻值:电阻的阻值，单位:Ω,kΩ,MΩ。
（2）精度：5%，1%，1‰。
（3）额定功率:指在规定的环境温度下,假设周围空气不流通,在长期连续工作而不损坏或基本不改变电阻器性能的情况下,电阻器上允许的消耗功率.常见的有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W。
4.选型依据
（1）电阻值；
（2）精度值；
（3）功率值；
（4）根据电路特点选用:
高频电路:分布参数越小越好,应选用金属膜电阻、金属氧化膜电阻等高频电阻；
低频电路:绕线电阻、碳膜电阻都适用；
功率放大电路、偏置电路、取样电路:电路对稳定性要求比较高,应选温度系数小的电阻器；（二）电容
1.原理
由两个金属电极中间夹一层绝缘介质构成.当在两极间加上电压时,电极上储存的电荷.电容是一种储能元件.电容量是电容器储存电荷多少的一个量值。可以作为调谐、滤波、耦合、隔直、交流旁路和能量转换来使用。
当电源电势加在电容的两个金属极板上，正负电荷在电势差作用下分别向电容两个极板聚集而形成电场，这称为“充电”过程。若被充电电容两端的电源电势差撤销，且电容外接有负载，则电容两端的电荷在其电势差下向外流走，这称为“放电”过程。电荷在向电容聚集和从电容两个极板向外流走的过程中，电荷的流动就形成了电流。
注意，电容上的电流并不是电荷真的流过电容两个极板间的绝缘介质，而只是充电过程中电荷从外部向电容两个极板聚集形成的流动，以及放电过程中电荷从电容两个极板向外流走而形成的流动。这与电阻、电感都不一样，电阻和电感均是电荷在内部流动。
衡量电容充电多少的单位是电荷数——Q。电容极板间电势差越大，说明电容极板被充电荷越多，即电荷数与电势差（电压）成正比，即Q=C*V。对指定电容，C是常量。
因此，用C=Q/V表达电容极板贮存电荷的能力，称C为电容量。
电容量的微分表达式为：C=dQ(t)/dv(t)。
因为电流等于单位时间内电荷数的变化量，即i(t)=dQ(t)/dt，
综合上面两个公式得到：i(t)=C*dv(t)/dt，即电容电流与其上电压的变化率（对时间的导数）成正比，电压变化越快则电流越大。
2.分类
（1）按介质不同分:空气介质、纸质、有机薄膜、瓷介质、云母、电解电容等。
有机介质电容器：纸介、塑料薄膜、纸膜复合介质、薄膜复合介质；
无机介质电容器：云母、玻璃釉、陶瓷；
气体介质电容器：空气、真空、充气式；
电解电容器：铝电解、钽电解；
（2）按结构: 固定电容、半可变电容、可变电容
（3）按安装方式: 插件电阻、贴片电阻
3.参数
（1）标称容量:
标称在电容器上的容量称为标称容量。单位为法拉(F)，常用单位:微法(μF)纳法(nF)皮法(pF)
1法拉（F）= 1000000微法（μF），1μF= 1000纳法(nF)= 1000000皮法（pF）
（2）允许误差:
电容的实际容量相对于标称值的最大允许偏差范围称为允许误差
（3）额定电压:
指电容器在规定的工作温度范围内,长期可靠工作所能承受的最高电压
（4）绝缘电阻:
指电容器两极之间的电阻,又叫漏电电阻。理想的电容器的绝缘电阻为无穷大,实际不为无穷大。绝缘电阻越大,表明电容器质量越好
4.选型
（1）基本参数
（2）根据电容/电路特点
电解电容：
适用场合：温度变化小、工作频率低（<25kHz）场合。
优点：成本低，容量大
缺点：体积大，ESR大，感抗较大，温度敏感；
在发热元件附近使用，慎选电解电容
两个以上电解电容串联的时候要考虑使用平衡电阻器，使各电容上电压在额定范围内
电解电容下面无线路，防止电解液腐蚀、生烟或着火
容量较大的极性电容优选表贴铝电解电容
钽电解电容：
与铝电解电容相比，在串联电阻、感抗、对温度的稳定性优势明显，工作电压较低
漏电流要求较高的场合，不选钽电解电容，需选用薄膜电容
耐电流冲击性较差，因此用在电源电路中需串联保护电阻，避免启动大电流冲击(3Ω/ V)。
由于耐电压冲击性较差钽电解电容电压降额要高。电源输入级或低阻抗环境使用，推荐降额到0.3，电源输出级及一般应用环境推荐降额0.5。
瓷片电容:
瓷片电容分高频瓷介和低频瓷介两种。具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合〈包括高频在内〉。这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。
1.MLCC(1类)—微型化，高频化，超低损耗，低ESR，高稳定，高耐压，高绝缘，高可靠，无极性，低容值，低成本，耐高温，主要应用于高频电路中。
2.MLCC(2类)—微型化，高比容，中高压，无极性，高可靠，耐高温，低ESR，低成本，主要
应用于中,低频电路中作隔直，耦合，旁路和滤波等电容器使用。
优点：稳定，绝缘性好，耐高压
缺点：容量比较小
耐电压冲击性较差，回路中需串联保护电阻，3Ω/ V
钽电解电容降额要高。电源输入级或低阻抗环境使用，推荐降额到0.3，电源输出级及一般应用环境推荐降额0.5。
（三）电感
1.原理
当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，也就是电感，阻交流通直流，阻高频通低频(滤波)。当电源电势加在电感线圈两端，电荷在电势差作用下流动——形成了电流，电流转变磁场，这称为“充磁”过程。若被充磁电感线圈两端的电源电势差撤销，且电感线圈外接有负载，则磁场能在衰减的过程中转换为电能（如负载为电容，则为电场能；若负载为电阻，则为电流），这称为“去磁”过程。
衡量电感线圈充磁多少的单位是磁链——Ψ。电流越大，电感线圈被充磁链就越多，即磁链与电流成正比，即Ψ=L*I。对一个指定电感线圈，L是常量。
因此，用L=Ψ/I表达电感线圈的电磁转换能力，称L为电感量。
电感量的微分表达式为：L=dΨ(t)/di(t)。
根据电磁感应原理，磁链变化产生感应电压，磁链变化越大则感应电压越高，即v(t)=d dΨ(t)/dt。
综合上面两公式得到：v(t)=L*di(t)/dt，即电感的感应电压与电流的变化率（对时间的导数）成正比，电流变化越快则感应电压越高。
2.分类
（1）按导磁体性质分类:空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈
（2）按工作性质分类:天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转
（3）按绕线结构分类:单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈
3.参数
（1）标称电感量:
电感器上标注的电感量的大小，表示线圈本身固有特性，主要取决于线圈的圈数，结构及绕制方法等,与电流大小无关，反映电感线圈存储磁场能的能力，也反映电感器通过变化电流时产生感应电动势的能力，单位为亨(H)。
（2）允许误差:
电感的实际电感量相对于标称值的最大允许偏差范围称为允许误差。
（3）感抗 XL：
电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL，单位是欧姆，它与电感量L和交流电频率f 的关系为XL=2πfL。
（4）品质因素 Q：
表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：Q=XL/R，线圈的Q值愈高，回路的损耗愈小，线圈的Q值与导线的直流电阻，骨架的介质损耗，屏蔽罩或铁芯引起的损耗，高频趋肤效应的影响等因素有关，线圈的Q值通常为几十到一百。
（5）额定电流：
额定电流是指能保证电路正常工作的工作电流。
4.选型
a.Q值越高越好。两个电感线圈电感量相同时，可根据Q值的定义（XL/R）选择尺值小者，或选择值相同而线径大者使用。
b.电感器引线或引脚主要考虑拉力、扭力、耐焊接和可焊性。当组件出厂超过六个月以上时，应重新进行可焊性试验，确保焊接的可靠性。
c.外加电压和通过的电流不能超过其额定值。
d.电感器量应与电路要求相同，尤其是调谐回路的线圈电感量数值要精确。当电感量过大或
过小时，可减少或增加线圈匝数以达到要求。对于带有可调磁芯的线圈，在测量调试时，应将磁芯调到中间位置。当电感量相差较大时，可采用串、并联的方法进行解决。
e.对于有抗电强度要求的电感器，需选用封装材料耐电压高的品种，通常耐压较好的电感器防潮性能较好，采用树脂浸渍、包封、压铸工艺可满足该项的要求。
5.滤波电路
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
滤波器的分类
（1）按内部是否有电源和有源器件：
有源滤波器：一般由集成运放和RC网络组成，由电源向集成运放提供能量。
无源滤波器：一般由电容、电感、电阻等无源元件构成。
按幅频特性：
低通滤波器(Low Pass Filter) ：通低频阻高频
高通滤波器(High Pass Filter) ：通高频阻低频
带通滤波器(Band Pass Filter) ：通中频阻高、低频
带阻滤波器(Band Elimination Filter) ：通高、低频阻中频
二、电路原理图设计
1.主电路设计：
按键滤波电路，滤除按键在开关瞬间产生的杂波，选用RC滤波电路，简单可靠。
RC滤波电路中，需要掌握截止频率参数f0，
经过RC滤波电路的信号，幅值均有一定衰减，在低通滤波电路中，当输入信号频率为f0时，输出信号幅值变为原来的0.707倍。假设需要滤掉频率为fz的干扰信号，笔者一般在选择截至频率时，按照fz至少要大于2f0的原则，选择合适的截止频率RC电路。一般轻触按键机械干扰波
频率一般在10KHZ以上（按键类型，按的力度和速度不同，杂波频率不同，以实测为准），RC滤波电路电路板上的RC滤波，R为10000Ω，C为0.1uF=1/10000000F,由上述计算公式可得，截止频率f0为159.23HZ,远小于干扰波频率fz。按照理论分析，此滤波电路会将干扰波滤除干净。
R8与C6组成滤波电路，按键SW2按下瞬间产生的杂波会经过滤波电路，保证信号的纯净。
2.电源电路设计：
主电路为5V供电,因此可以采用高效稳压的LM2596-ADJ组成的输出电压灵活可调的5V输出的电源电路供电，设计好的电源电路如下图所示。