占空比可調(diào)方波變換電路

1、沈 陽 工 程 學(xué) 院課 程 設(shè) 計設(shè)計題目： 占空比可調(diào)的方波變換電路 系 別 自控控制工程系 班級 測控本082 學(xué)生姓名 張 國 輝 學(xué)號 2008310225 指導(dǎo)教師 黃碩/張玉梅 職稱 講師/講師 起止日期：2010年5月24日起至2010年 5月28日止沈陽工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計題目： 占空比可調(diào)的方波變換電路 系 別 自動控制工程系 班級 測控本082 學(xué)生姓名 張 國 輝 學(xué)號 2008310225 指導(dǎo)教師 黃碩/張玉梅 職稱 講師/講師 課程設(shè)計進(jìn)行地點(diǎn)： 實(shí)訓(xùn)F203 任 務(wù) 下 達(dá) 時 間： 2010 年 5 月 12 日 起止日期：2010年5月24日起至2

2、010年5月28日止教研室主任 秦 宏 2010年 5 月 5 日批準(zhǔn)占空比可調(diào)的方波變換電路1 設(shè)計主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計目的：（1）掌握比較器、PWM（占空比調(diào)制）電路的構(gòu)成、原理與設(shè)計方法；（2）熟悉模擬元件的選擇、使用方法。1.2 基本要求（1）含有輸入隔離級；（2）輸入方波信號，幅度3V，頻率1kHz；（3）占空比可線性調(diào)整；（4）輸出調(diào)制占空比的方波頻率要求頻率1kHz。1.3 發(fā)揮部分自主方波產(chǎn)生電路；（2）其他。2 設(shè)計過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計過程的基本要求（1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選2個方向：（2）符合設(shè)計要求的報告一份，其中包括邏輯電路圖、實(shí)際接線圖

3、各一份；（3）設(shè)計過程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計報告一起上交；報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設(shè)計論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范打印，文字中的小圖需打印。項目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A3，附錄中的大圖可以手繪，所有插圖不允許復(fù)印。（2）裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計題目、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計思路、設(shè)計框圖、各部分電路及參數(shù)計算（重要）、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（邏輯電路圖與實(shí)際接線圖）。3 時間進(jìn)度安排順序階段日期計 劃 完 成 內(nèi) 容備注12010.5.24講解主要設(shè)計內(nèi)容，學(xué)

4、生根據(jù)任務(wù)書做出原始框圖打分22010.5.25檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯誤打分32010.5.26檢查邏輯圖并指出錯誤及糾正；講解接線圖繪制及報告書寫打分42010.5.27繼續(xù)修正邏輯圖，指導(dǎo)接線圖繪制方法，布置答辯打分52010.5.28答辯、寫報告打分2010.5.28沈 陽 工 程 學(xué) 院 模擬電子技術(shù) 課程設(shè)計成績評定表系（部）： 自動控制工程系 班級： 測控本082 學(xué)生姓名： 張國輝 指 導(dǎo) 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料；能制定課程設(shè)計方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律

5、，出勤情況是否良好，能夠獨(dú)立完成設(shè)計工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導(dǎo)教師評審成績（加權(quán)分合計乘以12） 分加權(quán)分合計指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分查閱文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，

6、符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權(quán)分合計乘以8）分加權(quán)分合計評 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設(shè) 計 總 評 成 績分中 文 摘 要脈寬調(diào)制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM的一個優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形

7、式可將噪聲影響降到最小。對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。我設(shè)計的電路主要包括、積分電路、隔離級、比較器。采用由上至下的方式，分別設(shè)計每個模塊，都調(diào)試成功后再將各個模塊組合到一起。首先是自主產(chǎn)生方波，然后通過積分電路將方波變換成三角波；最后再將三角波與輸入波形通過比較器比較產(chǎn)生方波。比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到方波的變換電路主要由比較器來完成。通過改

8、變輸入電壓的方式改變輸入波形，而輸入電壓可以采用滑動變阻器分壓來實(shí)現(xiàn)，使用方便關(guān)鍵詞 方波，積分電路，占空比，比較器III目 錄課程設(shè)計任務(wù)書.I課程設(shè)計成績評定表.中文摘要.1 設(shè)計任務(wù)描述11.1設(shè)計題目 占空比可調(diào)的方波控制電路11.2設(shè)計要求11.2.1 設(shè)計目的11.2.2 基本要求11.2.3 發(fā)揮部分12 設(shè)計思路23 設(shè)計方框圖34.各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算44.1 積分電路44.1.1 選擇電路形式44.1.2 確定時間常數(shù) =RC54.1.3 選擇電路元件54.1.4 積分電路圖64.2 電壓比較器64.3 隔離級75工作過程分析86元器件清單117主要元器件介紹127.1

9、 集成運(yùn)放LM324AD127.1.1 LM324AD簡介127.1.2原理圖、引腳圖127.1.3 數(shù)據(jù)單137.2 集成運(yùn)放 LM324AD137.2.1 LM393AD簡介137.2.2 引腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖147.2.3數(shù)據(jù)單157.3 電阻電容材料的選擇167.3.1 電阻材料的選擇167.3.2 電容材料的選擇16小結(jié)17致謝18參考文獻(xiàn)19附錄20A1邏輯電路圖 .20A2實(shí)際接線圖.21占空比可調(diào)的方波變換電路1 設(shè)計任務(wù)描述1.1設(shè)計題目 占空比可調(diào)的方波控制電1.2設(shè)計要求 1.2.1 設(shè)計目的： (1)掌握比較器、PWM（占空比調(diào)制）電路的構(gòu)成、原理與設(shè)計方 法； (2)熟

10、悉模擬元件的選擇、使用方法。 1.2.2 基本要求： (1)含有輸入隔離級； (2)輸入方波信號，幅度3V，頻率1kHz； (3)占空比可線性調(diào)整； (4)輸出調(diào)制占空比的方波頻率要求頻率1kHz。 1.2.3 發(fā)揮部分： (1)自主方波產(chǎn)生電路； (2)其他。2 設(shè)計思路 根據(jù)設(shè)計要求，首先想到應(yīng)將輸入的方波信號先轉(zhuǎn)換為三角波，再將三角波作為輸入信號輸入電壓比較器。對本課設(shè)要求我采用由上而下的設(shè)計思路，將電路拆成三個模塊，分別是：積分電路、隔離級、電壓比較器積分電路：由功率放大器和電容及電阻組成，輸入信號由功率放大器的反相端輸入， 為補(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，在同相端與地之間接一電阻；為了防

11、止積 分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象，在積分電容的兩端并聯(lián)一個隔離級 ：起隔離緩沖的作用，若直接連接作用信號會衰減，而加跟隨器隔離后， 信號能不衰減的傳輸?shù)截?fù)載，其原理是跟隨器的輸入阻抗特別大，而輸 出阻抗特別小。隔離級為簡單的電壓跟隨器，應(yīng)考慮運(yùn)放器的市場價格 ，減小成本比較器 ：當(dāng)電壓比較器的參考信號大于給定三角波信號時輸出最大值VCC；反之， 若參考信號的大小小于三角波信號，則輸出最小值VEE,所以經(jīng)比較器輸出 的便是方波。 因為題目要求輸出的方波占空比可調(diào)，故我采用改變電壓比較器參考信號的方法，為了改變參考信號，可在輸入信號前加一個滑動變阻器來分壓，通過滑動變阻器，就可以改變參考信號的大

12、小，進(jìn)而很方便的調(diào)節(jié)輸出方波的占空比。3 設(shè)計方框圖參考電壓 正弦波信號 積分電路 隔離級電壓比較器4.各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算4.1 積分電路 4.1.1 選擇電路形式 開始時以為積分是個很容易的環(huán)節(jié)， 只需要一個電阻一個電容在加上一 個集成運(yùn)放便可以，便設(shè)計了一個 簡單的電路如右圖4-1 圖4-1 但是經(jīng)過multisim仿真卻得不到想 要的結(jié)果，multisim仿真圖只是一 條直線，而不是方波，multisim輸 出如右圖4-2 圖4-2 所以這個電路圖只在理論上成立， 試驗中根本無法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過查閱 資料這是積分漂移所造成的現(xiàn)象， 為了解決這個問題，對電容并聯(lián) 一個積分漂流泄露電阻，防止

13、積 分漂移造成的飽和或截止。原理 圖如右圖4-3 圖4-3 4.1.2 確定時間常數(shù) =RC 的大小決定了積分速度的快慢。由于運(yùn)算放大器的最大輸出電壓Uomax 為有限值（通常Uomax=10V左右），因此，若的值太小， 則還未達(dá)到預(yù)定的積分時間t之前，運(yùn)放已經(jīng)飽和，輸出電壓波 形會嚴(yán)重失真。所以的值必須滿足： （E為階躍信號的幅值）另外，選擇值時，還應(yīng)考慮信號頻率的高低，對于正選波信號，積分電路的輸出電壓為： 由于的最大值為1。所以要求： 即 因此，當(dāng)輸入信號為正弦波時，的值不僅受運(yùn)算放大器最大輸出 電壓的限制，而且與輸入信號的頻率有關(guān)，對于一定幅度的正弦信 號，頻率的值應(yīng)該越大 4.1.3

14、 選擇電路元件 1） 當(dāng)時間常數(shù)=RC確定后，就可以選擇R和C的值，由于反相積分 電路的輸入電阻,因此希望R的值大一些。在R的值滿足輸入 電阻的條件下，一般選擇較大的C值，而且C的值不能大于1。 我設(shè)計的電路經(jīng)不斷的調(diào)整最后選擇R=10K,C=220nF 2） 確定 為靜態(tài)平衡電阻，用來補(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取 3） 確定 在實(shí)際電路中，通常在積分電容的兩端并聯(lián)一個電阻，是積分漂流泄露電阻，用來防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象,選擇大小為10K 4） 集成運(yùn)放我選擇LM324AD，因為LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，其性能完全符合本段

15、電路的要求。4.1.4 積分電路圖 最后的積分電路圖如圖4-4 圖4-44.2 電壓比較器 由運(yùn)放LM393構(gòu)成的比較電路如圖4-5 所示。此電路為同相比較器，即當(dāng)輸入信號的值2端電壓大于3端參考電壓的值時，運(yùn)放輸出電壓接近于正電源電壓+VCC,當(dāng)2端電壓小于3端參考電壓時，運(yùn)放的輸出接近于負(fù)電壓-VCC。集成運(yùn)放器參考材料選擇LM393AD 圖4-5電壓比較器4.3 隔離級 選用電壓跟隨器作為隔離級。將輸入信號與比較器進(jìn)行隔離如圖4-6 圖4-65工作過程分析 首先，在運(yùn)放LM324AD的反相端接輸入信號，輸入信號設(shè)置如圖5-1， 圖5-1 輸入的方波 經(jīng)計算可得經(jīng)過積分電路后LM324AD

16、的輸出電壓為： 仿真波形下圖5-2 圖5-2 積分環(huán)節(jié)仿真結(jié)果將此三角波作為電壓比較器LM393AD的輸入信號輸入同相端，而在LM393AD的反相端接參考電壓，由于LM393AD的同相端和反相端之間能承受的電壓很小，故在反相端并聯(lián)一個起分壓作用的滑動變阻器，該滑動變阻器同時起調(diào)節(jié)輸出方波占空比的作用。當(dāng)輸入信號大于反相端電壓時，LM393AD輸出的為高電平,當(dāng)輸入信號小于反相端時LM393AD的輸出為低電平0V，仿真波形如圖5-3（圖中上面的波為輸出的占空比可調(diào)方波，下面的為輸入波形），此時滑動變阻器調(diào)至10%。 （輸入波形） （輸出波形） 圖5-3若要改變輸出方波的占空比，只需改變反相端參考

17、電壓的大小，即改變滑動變阻器接入電路中的電阻，滑動變阻器接入電路的電阻越大，則接入反相端的電壓越大，進(jìn)而方波的占空比越小，當(dāng)接入為總電阻的90%時，輸出的方波波形如圖5-4 （輸入波形） （輸出波形） 圖5-4仿真結(jié)果顯示的輸出方波占空比明顯不同，當(dāng)滑動變阻器接入電路的電阻小時占空比小，當(dāng)輸入電路的電阻大時，輸出方波的占空比也大，實(shí)現(xiàn)了本課程設(shè)計的要求。6元器件清單 表6-1 原器件清單 序號元件名稱規(guī)格數(shù)量1集成運(yùn)放器LM324AD22集成運(yùn)放器LM393AD13電阻R10K54電容C220nF15滑動變阻器R61K16電源V15V17主要元器件介紹7.1 集成運(yùn)放LM324AD7.1.1

18、LM324AD簡介LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，lm324原理圖如圖7-1所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。 每一組運(yùn)算放大器可用圖7-1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324AD引腳圖見圖7-2，熱敏電阻連接： 88.00熱敏電阻狀況： 0.00功耗： 1.26 降值

19、拐點(diǎn)： 0.00最低工作溫度： 0.00最高工作溫度： 70.00靜電放電： 250.007.1.2原理圖、引腳圖 圖7-1原理圖 圖7-2 引腳圖 7.1.3 數(shù)據(jù)單 表7-1 LM324AD的數(shù)據(jù)單 7.2 集成運(yùn)放 LM324AD 7.2.1 LM393AD簡介LM393 是雙電壓比較器集成電路。是高增益,寬頻帶器件,象大多數(shù)比較器一樣,如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合,則很容易產(chǎn)生振蕩.這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時,輸出電壓過渡的間隙.電源加旁路濾波并不能解決這個問題,標(biāo)準(zhǔn)PC板的設(shè)計對減小輸入輸出寄生電容耦合是有助的.減小輸入電阻至小于10K 將減小反饋信號,而且增加甚

20、至很小的正反饋量(滯回1.010mV)能導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換,使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩.除非利用滯后,否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩,如果輸入信號是脈沖波形,并且上升和下降時間相當(dāng)快,則滯回將不需要.該電路的特點(diǎn)如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:118V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調(diào)電壓小，VIO=2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插8 腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝

21、（SOP8） 熱敏電阻連接： 0.00熱敏電阻狀況： 0.00功耗： 0.00 降值拐點(diǎn)： 0.00最低工作溫度： 0.00最高工作溫度： 70.00靜電放電： 0.007.2.2 引腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 A LM393AD 引腳圖 圖7-3 LM393引腳功能排列表 B LM393AD 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖7-4 LM393AD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 7.2.3數(shù)據(jù)單 表7-2 LM393AD主要參數(shù) 表7-3 LM393AD電特性 7.3 電阻電容材料的選擇 7.3.1 電阻材料的選擇本實(shí)驗的電阻我均選擇碳膜電阻，碳膜電阻器是膜式電阻器的一種，它是用碳?xì)浠衔镌诟邷卣婵障聼岱纸獾慕Y(jié)晶碳，使其在陶瓷骨架上沉積一層

22、碳膜而形成的電阻器。通過控制碳膜厚度和對膜刻槽來控制阻值的大小。碳膜電阻有以下特點(diǎn)： 1具有良好的穩(wěn)定性，電壓的改變對阻值的影響極小，且具有負(fù)溫度系數(shù)。 2高頻特性好，可制成高頻電阻器和超高頻電阻器。 3固有噪聲電動勢小，在1OHV/V以下。 4阻值范圍寬，一般為2.1-1OM。 5額定功率有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、1OW等。 6精度高，通過對膜切割螺紋可調(diào)整阻值，制成精密電阻器。 7脈沖負(fù)荷穩(wěn)定，對脈沖的適應(yīng)性好。 8制作容易，生產(chǎn)成本低，價格便宜，小體積可節(jié)省安裝空間 9應(yīng)用范圍非常廣泛，有散裝和編帶包裝形式，適用于交流、直流和脈 沖電路 7.3.2 電容材料的選擇

23、電容我選擇的是鉭電解電容，鉭電解電容性能優(yōu)異，是電容器中體積小而又能達(dá)到較大電容量的產(chǎn)品。適應(yīng)目前電子技術(shù)自動化和小型化發(fā)展的。它屬于電解電容的一種，使用金屬鉭做介質(zhì)， 鉭電容的特點(diǎn)是壽命長、耐高溫、準(zhǔn)確度高、濾高頻改波性能極好。在鉭電解電容器工作過程中，具有自動修補(bǔ)或隔絕氧化膜中的疵點(diǎn)所在的性能，使氧化膜介質(zhì)隨時得到加固和恢復(fù)其應(yīng)有的絕緣能力，而不致遭到連續(xù)的累積性破壞。這種獨(dú)特自愈性能，保證了其長壽命和可靠性的優(yōu)勢。 固體鉭電容器電性能優(yōu)良，工作溫度范圍寬，而且形式多樣，體積效率優(yōu)異小結(jié)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)際能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異,當(dāng)今模擬電子應(yīng)用在生活中可以說是無處不在.因此作為二十一世紀(jì)的確大學(xué)