直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計-畢業(yè)設(shè)計

1、直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計學(xué)生：XX 指導(dǎo)老師：XX內(nèi)容摘要：隨著開關(guān)電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對其需求量日益增長, 并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多,

2、 常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本畢業(yè)設(shè)計論文闡述一種利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)配合高速電子開關(guān)、高頻電子變壓器和LC濾波器實現(xiàn)交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)思路并組裝出樣機予以測試。與傳統(tǒng)的可控硅調(diào)角式交流穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小、非線性失真度低、輸出電壓和電流穩(wěn)定等特點。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 PWM技術(shù) 高速電子開關(guān) LC濾波器Switching power supply design and parameters calculationAbstract: With the switch power supply in computer, communica

3、tion, aerospace, instrumentation and electrical appliances, etc, to its wide application, and growing demand for power efficiency, volume, weight and reliability, etc. To put forward higher request. Switching power supply with its high efficiency, small volume, light weight, etc advantages in many r

4、espects gradually replaced the efficiency is low, the stupid and heavy linear power. Power electronic technology development, especially the power MOSFET device IGBT and the rapid development of switch power supply, will work to improve the frequency of high level, which has high stability and high

5、performance characteristics. The main purpose of the switch power supply technical services for the information industry is one. The development of information technology on power technology and put forward higher request, so as to promote the development of switch power technology. Frequency conver

6、sion of switch power supply circuit, common forms of push-pull, all have transform circuit, half bridge, bridge and single straight excitation fly back etc. This paper expounds a kind of graduation design using pulse width modulation (PWM) technology with high frequency electronics electronic switch

7、, transformer and LC filters communicate switch mainstay realization ideas and assembling a prototype. With the traditional thruster adjustable Angle interfluent stable power supply, high efficiency, small volume, low degree of nonlinear distortions, output voltage and current stability etcKeywords:

8、Switching power supply PWM technology High-speed electronic switch LC filters 目 錄直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計1前言11 系統(tǒng)介紹21.1 概述21.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢31.3 數(shù)字開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點31.4 設(shè)計指標(biāo)要求：42 系統(tǒng)組成及原理42.1 交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源電路組成結(jié)構(gòu)42.2 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理42.3 交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源工作原理描述43 電路設(shè)計及分析63.1 脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路63.1.1 正弦波電路結(jié)構(gòu)及分析63.1.2 三角波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及分析83.1.3 脈沖寬度的調(diào)

9、制（PWM）器的電路結(jié)構(gòu)及分析93.2 高速電子開關(guān)電路113.3 電壓和電流取樣電路133.3.1 電流取樣電路133.3.2 電壓取樣電路133.4 微處理器部分143.5 隔離與驅(qū)動電路的設(shè)計153.6 整流和濾波電路163.7 系統(tǒng)供電電路174 制作與調(diào)試174.1 微處理器的調(diào)試174.2 AD轉(zhuǎn)換器的調(diào)試184.3 DA轉(zhuǎn)換器的調(diào)試184.4 LCD顯示器的調(diào)試184.5 鍵盤的調(diào)試184.6 主整流和濾波電路的調(diào)試184.7 三角波的調(diào)試194.8 正弦波調(diào)試194.9 觀測PWM波形194.10 觀測已經(jīng)解調(diào)后的正弦波波形194.11 連程序總調(diào)195 結(jié)束語20參考文獻(xiàn)22

10、20直流開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計前言 在國際上，自美國在20世紀(jì)50年代相繼出現(xiàn)單端式和推挽式開關(guān)電源之后，在60年代就提出了要逐步取消工頻整流式電源的要求。70年代，SG公司首先制造出了單片集成脈寬調(diào)制（PWM）控制芯片，使開關(guān)電源更加小型化，可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。80年代初英國較早地研制了48V成套高頻開關(guān)式通信電源系統(tǒng)，從那時到現(xiàn)在的十幾年中，美國、德國、加拿大、澳大利亞、新西蘭、瑞典、日本、法國、西班牙、挪威等國家，都先后研制出了高頻開關(guān)式通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)，并得到了推廣應(yīng)用。盡管通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)的容量比較大，但還是緊跟開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。各種開關(guān)電源的發(fā)展方向基本上都是采用更先

11、進(jìn)的新器件、新技術(shù)、新材料、新工藝逐步減少開關(guān)電源的體積和重量，改善電氣性能指標(biāo)，提高工作可靠性，降低對電網(wǎng)的污染，消除對其他設(shè)備的干擾，增強智能化程度等等。1 系統(tǒng)介紹1.1 背景目前空間技術(shù)、計算機、通信、雷達(dá)及家電中的電源逐漸被開關(guān)電源取代?，F(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器，調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這種穩(wěn)壓器的缺點是承受過載和短路的能力差、效率低，一般只有3560%。由于調(diào)整管上損耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器。而開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可達(dá)7095%，穩(wěn)壓器體積小、重

12、量輕，調(diào)整管功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十kHz，濾波電感、電容可用較小數(shù)值的元件，允許的環(huán)境溫度可可以大大提高。此課程設(shè)計的宗旨就是如何將比較容易實現(xiàn)的開關(guān)式電源方案引用到交流電源穩(wěn)定的場合此課程設(shè)計闡述一種利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)配合高速電子開關(guān)、高頻電子變壓器和LC濾波器實現(xiàn)交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)思路并組裝出樣機予以測試。與傳統(tǒng)的可控硅調(diào)角式交流穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小、非線性失真度低、輸出電壓和電流穩(wěn)定等特點。本文先從交流開關(guān)穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)機理逐步展開，涉及到可控正弦波產(chǎn)生器、三角波發(fā)生器、比較器、脈沖寬度調(diào)制（PWM）器、高速電子開關(guān)、高頻電

13、壓變換器以及微處理器及其周邊元部件等，都給與較為詳盡的闡述。接著對組裝、調(diào)試、檢測等也有相應(yīng)的介紹，最后給出了按設(shè)計要求所測試的結(jié)論。1.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢非隔離DCDC技術(shù)迅速發(fā)展近年來， 非隔離DCDC技術(shù)發(fā)展迅速。現(xiàn)在的非隔離的DC，DC基本上分成兩大類。一是在內(nèi)部含有功率開關(guān)元件，稱DC，DC轉(zhuǎn)換器；二是不含功率開關(guān)需要外接功率MOSFET，稱DC，DC控制器 按照電路功能劃分有降壓的BUCK、升壓的BOOST，還有升降壓的BUCKBOOST等 以及正壓轉(zhuǎn)負(fù)壓的INVERTOR等。其中品種最多芨展最快的是BUCK型?？刂品绞揭訮WM 為主。初級PWM控制IC不斷優(yōu)化有源筘位技術(shù)

14、自從2002年VICOR公司此項專利技術(shù)到期解禁之后 新型有源箝位控制IC紛紛涌現(xiàn)。在大功率領(lǐng)域，全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)在解決開關(guān)電源的效率上功不可沒。INTERSIL公司推出的PwM 對稱全橋的ZVS控制ICISL6752,既能控制初級側(cè)的四個MOS開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準(zhǔn)確地給出控制二次側(cè)的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅(qū)動信號。采用這種IC制作的100W 的DC，DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95 。小功率的開關(guān)電源仍用反激變換器的PWM 來控制IC。低壓DC，DC領(lǐng)域Linear公司的LTC38o6不僅能控制好PWM，還給出準(zhǔn)確的二次側(cè)同步整流驅(qū)動信號，是比較好的低

15、壓小功率電源控制IC 。數(shù)字化開關(guān)穩(wěn)壓電源,傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源中最基本的穩(wěn)壓電源有六種：BUCK、BOOST、 BUCKBOOST、CUK 、ZETA 、SEPIC 。其中以BUCK和BOOST最基本，其它四種是從中派生的。許多模擬電源系統(tǒng)能滿足當(dāng)今電子系統(tǒng)的要求。但以目前電子信息發(fā)展趨勢，未來電源系統(tǒng)將朝向兩極化方向發(fā)展：模塊化微型電源和具有多功能用途的大型電源。大型電源的發(fā)展將趨向大型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。大型電源設(shè)備組成復(fù)雜，同時又需要以模塊化方式滿足不同的應(yīng)用需求，因此應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)于電源控制將是未來發(fā)展的趨勢。數(shù)字化開關(guān)穩(wěn)壓電源是數(shù)字信號處理與模擬技術(shù)的新結(jié)合點。數(shù)字信號處理

16、近年來在理論取得了重大的發(fā)展而且在應(yīng)用上日益擴大。DSP是為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的專用處理器， DSP器件具有較高的集成度以及更高的效率可以高速處理極為大量的數(shù)字化數(shù)據(jù)，因而應(yīng)用到廣泛數(shù)字化器件當(dāng)中。其中TI推出的數(shù)字電源的新產(chǎn)品包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列輔助器件。1.3 數(shù)字開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點可編程：比如通訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實現(xiàn)易于計、配置、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)：通過編寫幾行簡單的代碼，就可以將數(shù)字集成電路配置成各種需要的穩(wěn)壓器，如升壓、降壓，負(fù)輸出、SEPIC、反激式或正激式等。有直接監(jiān)控、處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。通過遠(yuǎn)程診斷確保持續(xù)的系統(tǒng)

17、可靠性，包括故障管理、過電流保護(hù)以及避免停機等。1.4 設(shè)計指標(biāo)要求：輸入電壓 80V260V輸入頻率 50Hz0.5Hz輸出電壓 5V輸出電流 10A輸出頻率 跟蹤輸入頻率電源效率 75%諧波失真 1%2 系統(tǒng)組成及原理2.1 交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源電路組成結(jié)構(gòu)交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源由市電直接整流濾波產(chǎn)生直流電壓為倍的輸入交流電壓（典型值為311V 直流電壓）、電壓互感器直接從市電感應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)正弦波與三角波產(chǎn)生電路配合高速比較器組成脈沖寬度調(diào)制器（PWM）、經(jīng)由反向器、高速電子開關(guān)、高頻輸出變壓器、LC 濾波器和多級LC 濾波器、電壓和電流取樣電路、系統(tǒng)供電電路以及智能微處理器芯片及周邊部件（鍵盤、顯

18、示、A/D和D/A等）組成。 2.2 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關(guān)穩(wěn)壓電源將來自市電整流濾波不穩(wěn)定的直流電壓變換成交變的電壓。然后又將交變電壓轉(zhuǎn)換成各種數(shù)值穩(wěn)定的直流電壓輸出，開關(guān)穩(wěn)壓電壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，即主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。開關(guān)式穩(wěn)壓電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源。對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Vo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓V可由公式計算， V m為矩形脈沖最大電壓值，T為矩形脈沖周期；ton為矩形脈沖寬度

19、，從上式可以看出，當(dāng)Vm與T 不變時，直流平均電壓VO將與脈沖寬度tOn 成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。2.3 交流開關(guān)式穩(wěn)壓電源工作原理描述由三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生150KHz的三角波，由低頻正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50Hz的正弦波，兩個信號分別同時送到比較器的同相和反相輸入端，在比較器的輸出端將產(chǎn)生矩形波，該矩形波的頻率同150KHz 的三角波相同，該矩形波的脈沖寬度受50Hz 正弦波實時幅度的調(diào)制后隨50Hz 正弦波實時幅度而變化，即已調(diào)制矩形波。將其送到高速電子開關(guān)的其中一個輸入端，并經(jīng)過一級反向器反向，送到高速電子開關(guān)的另外一個輸入

20、端。市電整流濾波獲得的2倍于輸入交流電壓（典型值約為311V左右）的直流高電壓送到高速電子開關(guān)的電源輸入端，高速電子開關(guān)的兩個輸出端由兩個反向的輸入矩形波驅(qū)動，從約311V直流電源取得能量后分別經(jīng)過一級短時間常數(shù)的LC濾波電路連接到高頻開關(guān)變壓器初級，該LC 濾波電路的作用是使得進(jìn)入高頻開關(guān)變壓器初級的矩形波脈沖的拐角趨于圓滑，以降低其高頻諧波。高頻開關(guān)變壓器的初、次級還起到對市電隔離的作用，高頻開關(guān)變壓器的次級獲得交變的、拐角圓滑的矩形波電壓經(jīng)過多級長時間常數(shù)的LC 濾波電路，將150KHz 高頻信號濾除，還原出50Hz 正弦波的調(diào)制信號送到負(fù)載用于對負(fù)載供電。電壓和電流取樣電路從負(fù)載上獲取

21、電壓和電流信號，分別送兩路A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，變成離散的數(shù)字信號，一方面用于通過微處理器處理后進(jìn)行實時顯示，另一方面用于通過微處理器處理后送D/A 轉(zhuǎn)換器變換為模擬量，經(jīng)過光電隔離驅(qū)動電路控制正弦波發(fā)生器的幅值，又經(jīng)過比較器、反向器、高速電子開關(guān)、LC 濾波、高頻開關(guān)變壓器、多級LC 濾波等電路，用于控制負(fù)載上電壓或電流的穩(wěn)定，也可擴展一些功能比如調(diào)整負(fù)載上的電壓和電流。電壓互感器的作用是為了從市電中獲得低諧波失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)由正弦波產(chǎn)生電路控制其幅值，鍵盤用于輸入準(zhǔn)備向負(fù)載提供的電壓或電流值開關(guān)脈沖發(fā)生器：有振蕩器組成，產(chǎn)生開關(guān)脈沖，脈沖的寬度受比較放大器輸出電壓控制。由于采樣電路，基準(zhǔn)

22、電壓和比較放大器構(gòu)成的是負(fù)反饋系統(tǒng)，股輸出電壓U0升高時，比較放大器輸出控制電壓降低，是開關(guān)脈沖寬度變窄，反之，輸出電壓U0下降時，控制電壓升高，開關(guān)脈沖寬度變寬。開關(guān)調(diào)整管：由功率管組成，在開關(guān)脈沖的作用下，工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)脈沖越寬控制調(diào)整管導(dǎo)通時間越長儲能濾波電路：它由電感L、電容C、二極管D組成。它把調(diào)整管輸出的矩形脈沖波電壓變成連續(xù)的平滑直流電壓。調(diào)整管時間長，輸出直流電壓就高，反之則低。3 電路設(shè)計及分析3.1 脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路根據(jù)脈寬度沖調(diào)制原理，得到需要的一定占空比脈沖寬度，推動開關(guān)功率管的開與關(guān)，經(jīng)變壓器耦合后得到恒定的輸出電壓。脈沖寬度調(diào)制信號就是由PWM比較器

23、產(chǎn)生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比較器決定。文中設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型高性能的開關(guān)電源電壓型PWM比較器，具有較低輸入失調(diào)電壓、轉(zhuǎn)換速率快、較低功耗和波形更陡。 PWM產(chǎn)生電路由正弦波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和比較器三個部分組成，正弦波加到比較器的反向輸入端，三角波加到比較器的同向輸入端，比較器輸出端產(chǎn)生受正弦波瞬時幅度而變化的脈沖寬度調(diào)制波。圖3.1-1是電壓型PWM比較器工作波形，輸入三角波接在比較器的反向輸入端，誤差放大器的輸出信號送至比較器同相輸入端，經(jīng)放大后輸出PWM信號。圖3.1-1 PWM工作波形圖 3.1.1 正弦波電路結(jié)構(gòu)及分析正弦波振蕩的條件振蕩平衡條件

24、：AF=1幅度平衡條件：|AF|=1；相位平衡條件：A+F=2n（n=0，1，2.）起振條件：AF1幅度起振條件：|AF|1；相位平衡條件：A+F=2n（n=0，1，2.）正弦波產(chǎn)生電路其組成包括基本放大電路A；反饋網(wǎng)絡(luò)F；選頻網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。以保證產(chǎn)生單一頻率和幅值穩(wěn)定的正弦波。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的不同， RC橋式、三點式振蕩正弦波振蕩電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理和振蕩頻率計算也不同。正弦波發(fā)生電路的分析方法：分析電路的組成是否滿足正弦波發(fā)生電路的組成要求。分析放大電路跟否正常工作：分立器件電路，檢查靜態(tài)工作點Q是否合適，對集成運放，檢查輸入端是否有直流通路。檢查電路是否滿足自激條件：幅值條件相位條件

25、估算振蕩頻率fo，它取決于選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。正弦波的來源采用直接從市電的220V/50Hz的正弦波，利用電壓互感器變換成較低電壓的50Hz 正弦波（例如5V）經(jīng)過一系列的控制和變換得到所需要的交流正弦輸出電壓。考慮到設(shè)計指標(biāo)的要求，即輸出頻率跟蹤輸入市電的頻率，由于采用電壓互感器將市電信號引出，可獲得較準(zhǔn)確的和低失真的輸出頻率信號。該正弦波諧波失真度取決于市電的諧波失真度和互感器的參數(shù)，其輸出幅度由D/A 轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動電路實現(xiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號控制光電耦合器導(dǎo)通程度，與分壓電阻分壓后產(chǎn)生交流和直流疊加的電壓，經(jīng)過電容隔直后送到放大器輸出所需的交流信號。D/A控制信號產(chǎn)生的原則是：

26、根據(jù)輸出到負(fù)載上的電壓和電流配合市電的電壓幅度大小進(jìn)行綜合運算，由微處理器向D/A 轉(zhuǎn)換器提供通過綜合運算的數(shù)字量使得提供給負(fù)載的輸出電壓（或電流）趨于穩(wěn)定?？煽卣也óa(chǎn)生電路的電路圖如圖3.1.1-1所示。圖3.1.1-1 可控正弦波產(chǎn)生電路市電220V 的交流電經(jīng)過電壓互感器原邊傳送到副邊，該副邊信號與外接直流電源E 疊加，提供給光電耦合器與分壓電阻一起分壓，光電耦合器的等效阻抗由來自D/A 轉(zhuǎn)換器的信號強度決定，經(jīng)過分壓后由電容器隔離直流分量，僅保留交流分量送運算放大器進(jìn)行若干倍的放大（這里選5 倍）后產(chǎn)生隨D/A 信號幅度大小而控制的純凈交流信號量，傳到下一級進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖3.1.

27、1-1中，外接直流電源的作用是為了使光電耦合器中的三極管在電壓互感器輸出信號的負(fù)半周也能可靠導(dǎo)通。該電源采用一個小功率變壓器由市電降壓，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后來提供，該電壓要求高于電壓互感器副邊最大可能的電壓峰峰值即雙幅值，且再留有光電耦合器CE之間最小工作電壓，再留幾伏特的余量。3.1.2 三角波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及分析由于本PWM波的產(chǎn)生電路主要靠高頻三角波和低頻調(diào)制波通過比較器實現(xiàn)調(diào)制，并且又由于本課題要求輸出50Hz 正弦波，所以其調(diào)制波應(yīng)為50Hz 正弦波。三角波和正弦波的產(chǎn)生可以由微處理器通過D/A轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，也可以由硬件電路直接實現(xiàn)，考慮到軟件編程的難易程度，本課題擬用硬件電路直

28、接實現(xiàn)，三角波為用運算放大器配合阻容元件實現(xiàn)，即先由方波經(jīng)過電容幾分電路后產(chǎn)生，正弦波為采用電壓互感器從市電變換而得到標(biāo)準(zhǔn)的、低諧波失真的50Hz波形。理想的三角波涉及到無限的d2V/dt2，所以高保真三角波應(yīng)有極寬的帶寬。微功耗電路帶寬相當(dāng)窄，因此用這種電路產(chǎn)生良好的三角波是有問題的。導(dǎo)致運放不能提供所需的瞬時輸出開關(guān)電流而產(chǎn)生具有大量的毛刺脈沖的極壞波形。你只要加大電阻器阻值和減小電容器電容值，就可使波形有所改善，但這種改善非常有限，而且電路會增大噪聲，容易受到干擾。由一般理論知識可知，三角波可以由方波通過積分電路來實現(xiàn)，方波的產(chǎn)生可以有很多種電路形式。本課題采用運算放大器實現(xiàn)方波的產(chǎn)生，

29、并用運算放大器設(shè)計電容積分電路產(chǎn)生三角波，其電路圖如圖3.1.2-1所示。圖3.1.2-1 三角波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu) 不難分析，由Rf對C1的充電和放電過程來看，運算放大器A1輸出為50%占空比的矩形波，即方波，送到由A2、R4、C2組成的績分電路分別進(jìn)行正向積分和反向積分后，便從A2的輸出端產(chǎn)生三角波。由于電路要求三角波的頻率為150KHz，實際上三角波的頻率完全取決于方波發(fā)生器的方波頻率。影響方波發(fā)生器的頻率的因素有Rf和C1以及R1與R2，當(dāng)R1、R2和C1固定時,仔細(xì)調(diào)節(jié)Rf，不難獲得150KHz 的標(biāo)準(zhǔn)方波。而R5 和C2 的參數(shù)決定了三角波的斜率和幅度，對其要求由后續(xù)文檔予以詳盡描述

30、。該運算放大器采用OP07實現(xiàn)。3.1.3 脈沖寬度的調(diào)制（PWM）器的電路結(jié)構(gòu)及分析三角波發(fā)生器產(chǎn)生150KHz的標(biāo)準(zhǔn)三角波，送到比較器的同向輸入端，正弦波發(fā)生器產(chǎn)生50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，送到比較器的反向輸入端，在比較器的輸出端便產(chǎn)生了受正弦波瞬時幅度調(diào)制而寬度變化的矩形波，如圖3.1.3-1所示。圖3.1.3-1 PWM產(chǎn)生電路根據(jù)比較器電路的工作原理，即當(dāng)同相輸入端電位高于反向輸入端電位時輸出端為接近Vdd，反之當(dāng)同相輸入端電位低于反向輸入端電位時輸出端為接近Vss，不難分析，其輸入和輸出的時序圖如圖所示，比較器采用專用比較器集成電路LM393。當(dāng)三角波的波形幅度（或斜率）確定后，正弦波

31、的瞬時振幅確定了PWM信號的寬度，也就決定了向負(fù)載提供的正弦波幅度。所以對三角波幅度的要求是足夠正弦波的最大振幅。如果從圖3.1.3-2的可控正弦信號輸出端口送來的最大正弦信號幅度為10V，則要求三角波的最大幅度應(yīng)大于等于10V，可通過仔細(xì)調(diào)節(jié)積分電路中的R5來實現(xiàn)。圖3.1.3-2 PWM輸入和輸出波形及時序PWM 波要送到高速電子開關(guān)去進(jìn)行功率驅(qū)動，一方面提供給高速電子開關(guān)的輸入信號要求有足夠的驅(qū)動能力，另一方面高速電子開關(guān)有正負(fù)兩個輸入端口，因此需要將PWM波進(jìn)行同向緩沖和反向緩沖，同向緩沖器和反向緩沖器的具體電路結(jié)構(gòu)如圖3.1.3-3所示。圖 3.1.3-3 PWM信號同向和反向器均采

32、用高速運算放大器OP07 后接互補共集電極組態(tài)的三極管實現(xiàn)，如圖3.1.3-4所示圖3.1.3-4 同向和反向緩沖器電路圖3.2 高速電子開關(guān)電路高速電子開關(guān)電路，實現(xiàn)將PWM波實現(xiàn)功率放大，配合高頻電子變壓器和濾波電路，可實現(xiàn)對輸入信號為受某信號參數(shù)調(diào)制的矩形波，輸出信號為還原出該參數(shù)的解調(diào)電路。整個電路由4個場效應(yīng)管組成橋式開關(guān)電路，高頻開關(guān)變壓器、多組LC 濾波電路（圖中只畫出一組L3C3）組成，其典型的電路圖如圖3.2-1所示。圖3.2-1 高速電子開關(guān)電路其工作原理是：四個VMOS管V1、V2、V3、V4受PWM的驅(qū)動。其中向量PWM就是由PWM經(jīng)過反向器反向了的信號，與PWM相位相

33、差180o，如果PWM 為“”，則向量PWM為“”，此時，V1 管G 在PWM“”輸入電壓的驅(qū)動下DS 導(dǎo)通，Vdd 經(jīng)過V1 到L1，V4 管G 在向量PWM “”輸入電壓的驅(qū)動之下DS 也導(dǎo)通，Vss 經(jīng)過V4 到L2，Tr 的初級為左“”右“”。反之，如PWM 為“”，則向量PWM為“”，此時V3 管G 在向量PWM “”輸入電壓驅(qū)動下DS 導(dǎo)通，Vdd 經(jīng)過V3 到L2，V2 管G 在PWM“”輸入電壓驅(qū)動下DS導(dǎo)通，Vss經(jīng)過V2到L1，Tr 的初級為左“”右“” 。高頻開關(guān)變壓器Tr 的作用還兼作市電隔離的作用。電路中L1、C1 和L2、C2 組成濾波電路，用以使輸入到高頻開關(guān)變壓

34、器初級的矩形波的拐角變成“緩變”形狀，以使流經(jīng)變壓器的諧波分量減小，降低干擾。所以，L1、C1和L2、C2的時間常數(shù)不能大，應(yīng)該小10倍于150KHz的周期時間。經(jīng)過高頻開關(guān)變壓器次級感應(yīng)到的電壓通過L3、C3（實際為多級LC，如三級）的進(jìn)一步濾波可以將PWM的高頻矩形波濾除，在負(fù)載上得到被還原的原調(diào)制波的正弦波形。如圖3.2-2所示。圖3.2-2 還原出來的波形該LC 時間常數(shù)應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已調(diào)制信號的周期，而小于調(diào)制信號的周期，才能實現(xiàn)濾除已調(diào)制信號的脈動波，還原出調(diào)制信號。由于調(diào)制信號為50Hz，已調(diào)制信號為150KHz，為了使諧波失真減小到參數(shù)要求的2%，則盡量選用多級LC濾波，LC時間

35、常數(shù)盡量選擇靠近低端頻率。這里選擇LC時間常數(shù)為200Hz的周期經(jīng)過實際試驗，以選擇三級LC濾波效果為好。圖3.2-2中還原出來的調(diào)制波實際上是有一定程度的鋸齒波成分的，如果用數(shù)字存儲示波器存儲波形，然后局部放大觀測，可發(fā)現(xiàn)如圖3.2-2中顯示的局部放大后的鋸齒形狀，其鋸齒程度反映了信號的失真度，與多級LC濾波器的性能參數(shù)有關(guān)。3.3 電壓和電流取樣電路取樣電路一方面用于電壓和電流的顯示，另一方面用于控制其穩(wěn)定的電壓或電流輸出。電壓取樣采用在負(fù)載上直接分壓的形式，電流取樣采用在負(fù)載上串聯(lián)一個較大功率的較小阻值的電阻，從電阻上取出的電壓即代表了負(fù)載上的電流。3.3.1 電流取樣電路如果在負(fù)載上串

36、聯(lián)一個電阻，該電阻上的電壓完全反映出流過負(fù)載的電流。因此可以用從該電阻上取電壓的方案來進(jìn)行電流取樣。只不過要主意，該電阻阻值不能大，否則影響電源的內(nèi)阻參數(shù)。雖然很小的電阻其取樣靈敏度會很低，但我們可以用放大器將其電壓放大。電路圖如圖3-11所示。圖 3.3.1-1 電流取樣電路從取樣電阻上取得的負(fù)向電壓信號代表了負(fù)載上的電流，經(jīng)過R1 送入運算放大器A反向放大，放大器的放大倍數(shù)Au由Rf和R1決定。 3.3.2 電壓取樣電路電壓取樣電路比較簡單，可以直接利用電阻分壓的方法送A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。無論是電壓取樣還是電流取樣，取樣信號都是交流的，在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換的原則是對整個周期進(jìn)行多

37、點采樣，如180點，再利用微處理器進(jìn)行積分運算，最終計算出有效值，用于顯示或通過DA轉(zhuǎn)換控制。如圖3.3-11所示圖3.3.2-1 電壓取樣電路3.4 微處理器部分微處理器部分用于實現(xiàn)系統(tǒng)裝置的智能化，微處理器部分包括微處理器芯片、鍵盤、LCD 顯示器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器，且適合于控制的微處理器芯片往往采用單片機，而單片機基本上都包含有I/O 接口電路、ROM、RAM、定時器和中斷系統(tǒng)，因此，這些部件基本上都不需要擴展。電路結(jié)構(gòu)如圖3.4-1所示處理器采用AT89S8253 芯片，該芯片除具有51 內(nèi)核所有功能外，還具有內(nèi)部看門狗和電可擦除的掉電數(shù)據(jù)不丟失的EEPROM，用于保存重要數(shù)據(jù)

38、。指令系統(tǒng)與51系列完全兼容。多路模擬開關(guān)MUX用于切換三路需要A/D轉(zhuǎn)換的信號。A/D 轉(zhuǎn)換器采用LTC1606，是具有采樣保持功能的16 位250KHz 采樣速率的高速ADC，片內(nèi)自帶基準(zhǔn)源，自帶同步時鐘，可和MCU兼容的16位并行輸出端口直接接口。主要用于對輸出電壓和當(dāng)前負(fù)載電流的由模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，以便于實時的在LCD上顯示出來，并且可配合D/A轉(zhuǎn)換器實時的對輸出電壓和電流的控制。圖 3.4-1 微處理器部件電路D/A轉(zhuǎn)換器采用8位4通道高速TLC5620，具有串行接口功能。鍵盤采用44行列式矩陣鍵盤，可具有16個鍵的功能，實際使用中僅需要兩個，就是穩(wěn)壓鍵和穩(wěn)流鍵，其余可用于擴

39、展功能時進(jìn)一步使用。例如，可擴展用于控制LCD屏上的菜單功能，還可擴展實現(xiàn)選擇不同數(shù)值的電壓和電流輸出。顯示器采用12864點陣式，可顯示4行共32 個1616點陣漢字、或8 行共128 個88 點陣的字母或數(shù)字。由于MCU 內(nèi)含的標(biāo)準(zhǔn)串行接口已經(jīng)被DA轉(zhuǎn)換器使用，所以這里采用普通IO 接口進(jìn)行虛擬串行接口的編程，可達(dá)到同樣的標(biāo)準(zhǔn)串行接口的效果。軟件部分的設(shè)計包括AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、鍵盤系統(tǒng)等的功能子程序，還包含系統(tǒng)監(jiān)控程序和各種中斷服務(wù)程序等。由于基本按鍵只需要兩個，即穩(wěn)壓和穩(wěn)流，對應(yīng)的處理程序也就是穩(wěn)壓功能子程序和穩(wěn)流功能子程序從這兩個子程序可以看出，利用快速DA轉(zhuǎn)換器，

40、加大DA轉(zhuǎn)換控制字，可實現(xiàn)增加輸出電壓和加大輸出電流，減小DA轉(zhuǎn)換控制字，可實現(xiàn)減小輸出電壓和加大輸出電流。這實際上反映了該項目的控制算法，可以發(fā)現(xiàn)，其算法是比較簡單的。但要注意，之所以可以采用這種簡單算法，是由于采用的是高速AD轉(zhuǎn)換器的緣故。3.5 隔離與驅(qū)動電路的設(shè)計由于電路中會產(chǎn)生大量的高頻高次諧波,為了防止這些有害的干擾影響單片機的工作,必須采用嚴(yán)格的隔離和濾波。本設(shè)計是利用D/A 轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動電路實現(xiàn)。再由電容把直流成分濾除。隔離的方式有許多種,其中效果較為明顯的主要有兩種,一種是變壓器隔離,一種是光電隔離。結(jié)合本系統(tǒng),前者的優(yōu)點是可以作為開關(guān)管的前級推動變壓器,使開關(guān)管

41、獲得足夠的推動功率,從而可以減小開關(guān)管的損耗,但是,由于其體積較大,市場上很難買到符合要求的變壓器,相比之下,后者體積小,價格便宜,因而得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用光電隔離技術(shù),試驗證明,光耦隔離可以有效的防止干擾脈沖影響振蕩電路的工作。3.6 整流和濾波電路整流和濾波電路產(chǎn)生一組非穩(wěn)定的直流電壓，提供給高速電子開關(guān)以實現(xiàn)能量交換。從市電直接取得交流電壓，首先經(jīng)過L1、C1濾波，D1D4橋式整流，L2、C2的長時間常數(shù)濾波，L3、C3的短時間常數(shù)濾波，最后獲得平滑的輸出直流電壓送高速電子開關(guān)作能量變換用。電路結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。若整流電路選擇用二極管單相全波橋式整流電路，則電路中的每只二極管

42、承受的最大反向電壓為(U2是變壓器副邊電壓有效值)。每只二極管的最大平均電流If=Io1/2 ,選擇電容濾波電路后,直流輸出電流： （I2是變壓器副邊電流的有效值），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。圖3.6-1 整流和濾波電路L1 的作用在于當(dāng)輸入端有脈沖干擾時，通過兩邊互感，實現(xiàn)到整流電路前互相抵消，實現(xiàn)抗外界雜散脈沖干擾，與C1配合濾波效果更好。D1D4為整流元件，實現(xiàn)將市電交流電轉(zhuǎn)換為脈動的直流電。L2、C2、L3、C3 實現(xiàn)濾波，將整流后的脈動直流電的脈動部分濾除，保留直流信號分量。3.7 系統(tǒng)供電電路在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率的穩(wěn)壓電源的組成如下圖所示，它

43、由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)特性指標(biāo)：輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓范圍。 質(zhì)量指標(biāo)：穩(wěn)壓系數(shù)、溫度系數(shù)、輸出電阻、紋波電壓；其中穩(wěn)壓系數(shù)的定義是負(fù)載固定時輸出電壓的相對變化量與穩(wěn)壓電路的輸入電壓的相對變化量之比。溫度系數(shù)ST是反映溫度變化對輸出電壓的影響；輸出電阻RO反映負(fù)載電流變化對輸出電壓的影響；紋波電壓是指穩(wěn)壓電路輸出端交流分量的有效值，它表示輸出電壓的微小波動?？梢姡鲜鱿禂?shù)越小，輸出電壓越穩(wěn)定。系統(tǒng)供電電路的作用就是提供給外接直流電源24V，給LCD顯示電路，A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路提供+5V。不同的電壓值都可通過不同的集成三端

44、電壓調(diào)整器來實現(xiàn)。我們以實現(xiàn)外接直流電源24V為例，系統(tǒng)供電電路需要直流電源為電路供電，用220V/22V變壓器對交流電源整流，用電容器和78L24型電壓調(diào)整器穩(wěn)壓后輸出24V直流電壓，如圖3.7-1所示。78L24負(fù)載123220V圖3.7-1 78L24型穩(wěn)壓電路4 制作與調(diào)試整個裝置在萬能電路板上焊接安裝，部件之間均采用標(biāo)準(zhǔn)接插件連接，以方便分模塊進(jìn)行安裝和調(diào)試。4.1 微處理器的調(diào)試在正常5V 供電情況下，時鐘采用12MHz 的晶體振蕩器，用示波器觀測XTAL2，可測得12MHz的標(biāo)準(zhǔn)方波。此外，RC復(fù)位接到RESET腳，在通電瞬間用示波器觀測，有一個高電平的微分脈沖。最后，測量EA引

45、腳，為高電平，表示將從MCU 內(nèi)部取程序運行。一切試驗好后用仿真器代替MCU 芯片進(jìn)行其他項目的調(diào)試。4.2 AD轉(zhuǎn)換器的調(diào)試將編制好的AD 轉(zhuǎn)換器程序下載到仿真器仿真ROM 中，在輸入端加0V 的直流電壓，編程讀取的讀數(shù)應(yīng)該為0000H，在輸入端加+5V的直流電壓，編程讀取的讀數(shù)應(yīng)該為0FFFFH。表示A/D轉(zhuǎn)換器工作正常。如果在輸入端加0V 的直流電壓，編程讀取的讀數(shù)不是0000H，而是一個偏離于0V附近的很小的值，則在進(jìn)行較大數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換后應(yīng)該將結(jié)果減去這個較小的數(shù)值。如果偏離0V的0000H很多，例如07FFH，則要從軟硬件檢查，例如看看是不是AD轉(zhuǎn)換器損壞，或程序由明顯的疏漏，直到

46、查出問題解決好為止。4.3 DA轉(zhuǎn)換器的調(diào)試將編制好的DA轉(zhuǎn)換器程序下載到仿真器仿真ROM中，將數(shù)據(jù)00H輸出到DA轉(zhuǎn)換器，用電壓表測量其電壓應(yīng)該為0V，將數(shù)據(jù)0FFH輸出到DA轉(zhuǎn)換器，用電壓表測量其電壓應(yīng)該為5V。表示D/A轉(zhuǎn)換器工作正常。如果將數(shù)據(jù)00H 輸出到DA 轉(zhuǎn)換器，用電壓表測量其電壓不是0V，則要從軟硬件檢查，例如看看是不是DA轉(zhuǎn)換器損壞，或程序由明顯的疏漏，直到查出問題解決好為止。4.4 LCD顯示器的調(diào)試將編制好的LCD 顯示器程序下載到仿真器仿真ROM 中，向LCD 顯示器輸出不同位置不同漢字或字符編碼的指令代碼，應(yīng)在顯示器上相應(yīng)位置顯示出相應(yīng)的漢字或字符。表示LCD顯示器

47、工作正常。如果LCD顯示器工作不正常，則要從軟硬件檢查，例如看看是不是LCD顯示器損壞，或程序由明顯的疏漏，直到查出問題解決好為止。4.5 鍵盤的調(diào)試將編制好的鍵盤程序下載到仿真器仿真ROM 中，按下不同的按鍵，其讀取的鍵值應(yīng)不同，最后應(yīng)轉(zhuǎn)換成00H09H、0AH0FH的鍵值，鍵盤調(diào)試正常。實際上我們只用到兩個按鍵，例如定義0EH 鍵為穩(wěn)壓鍵，0FH 鍵為穩(wěn)流鍵。其余14個按鍵均有待于擴展時使用。4.6 主整流和濾波電路的調(diào)試主整流和濾波電路的裝置按圖接好，先將輸出端斷開，仔細(xì)檢查元件和接線，確保萬無一失方可通電。因為這部分電路通電后最易發(fā)生危險，例如人身觸電危險或元件爆炸危險。通電后檢查輸出

48、電壓，如果輸入為220V的市電，其輸出空載Vdd和Vss之間應(yīng)該為311V左右的直流電。4.7 三角波的調(diào)試在三角波發(fā)生器電路中，選擇R1 和R2為相同的值10K，以保證方波占空比為50%，A1 輸出端接示波器和頻率計，先用3296 多圈電位器代替R3，仔細(xì)微調(diào)R3，使輸出的方波頻率為150KHz，再將A2 輸出端接示波器和頻率計，用3296多圈電位器代替R4，仔細(xì)微調(diào)R4，觀測示波器上顯示的三角波輸出幅度為-5V0V5V為止，最后用與代替R3和代替R4相同阻值的固定電阻取代其相應(yīng)的3296電位器。4.8 正弦波調(diào)試將電壓互感器和外接24V直流電壓以及所有與正弦波相關(guān)的電路接好，先用外部穩(wěn)壓電

49、源代替DA送來的信號，使流過光耦里二極管的電流方便可調(diào)，用示波器和mV表接運算放大器的輸出端，改變流過光耦的電流，觀測正弦波在其示波器上的幅度和mV 表上的讀數(shù)應(yīng)作相應(yīng)的變化。也用3296 多圈電位器暫時代替分壓電阻，在輸入電流為10mA時調(diào)節(jié)電位器，使其正弦波輸出電壓幅值達(dá)到最大值5V。最后用向應(yīng)阻值的固定電阻取代3296電位器焊接好。4.9 觀測PWM波形將輸出正常的三角波和正弦波連接到比較器相應(yīng)的倆輸入端，用數(shù)字存儲示波器連接到比較器輸出端，可觀測到PWM輸出的波形，這里之所以要用數(shù)字存儲示波器，目的是以便將波形存儲后才可能靜態(tài)的往前觀測，可發(fā)現(xiàn)站空比在隨時變化，普通示波器很難觀測到占空

50、比的變化。這部分電路只要連接無誤一般都會正常工作。4.10 觀測已經(jīng)解調(diào)后的正弦波波形讓電路暫時處于開環(huán)狀態(tài)，即MCU 暫不工作，在負(fù)載兩端連接數(shù)字存儲示波器，可觀測到被解調(diào)的正弦波波形，改變流過光電耦合器的電流，可控制其調(diào)制波幅度，即輸入的正弦波幅度，可在負(fù)載端的數(shù)字存儲示波器上觀測到不同幅度的正弦波。局部放大波形線條，如果有鋸齒，可以增大濾波電感或增加濾波級數(shù)，這里采用最終三級濾波獲得較好的輸出效果。4.11 連程序總調(diào)將編制好的所有程序下載到AT89S8253芯片中，聯(lián)機總調(diào)，通過鍵盤輸入欲輸出的電壓，在LCD 顯示器上應(yīng)該顯示出相應(yīng)的電壓，如果有出入，可進(jìn)一步微調(diào)修改送往DA轉(zhuǎn)換器的值，直到輸出電壓全范圍各個點的輸出電壓都與鍵盤所設(shè)定的輸出電壓對應(yīng)為止u32423。電流控制也是用相類似的方法。至此，全部調(diào)試業(yè)已結(jié)束。5 結(jié)束語整個設(shè)計通過了軟件和硬件上的調(diào)試。我想這對于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大的幫助。在這次設(shè)計中遇到了很多實際性的問題，在實際設(shè)計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實際運用中的