电源电路设计范文

导语：如何才能写好一篇电源电路设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词： 相控阵雷达； 灵敏度； 电源故障； 保护电路

中图分类号： TN86?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0168?03

0 引 言

随着相控阵雷达技术的迅速发展，相控阵雷达技术被广泛用于地面防御系统中。然而，在目前有源相控阵雷达中去掉了传统雷达中的大功率发射机电源，由原来的大功率发射机电源改为向各个T/R组件供电，雷达的二次电源数量明显增多， 电源系统越来越复杂，故障率明显增多。由于军用雷达常常工作在恶劣环境下，雷达电源的常见故障如过压、欠压、过热、短路、缺相等，往往难以避免[1]。因此，对雷达电源系统故障的快速定位、电源保护、故障报警成为获取电源故障信息，保证电源系统安全运行的关键。国内采用的保护技术，解决方案多数是在线路入口处设置断路器，当线路过压或欠压时切断线路，而当电压恢复正常时需手动使断路器复位[2]。本文在分析了相控阵雷达阵面电源的特点以及传统雷达电源保护电路基础上，设计了简单实用的雷达电源保护电路，实现了雷达一次电源故障中的过、欠压保护和二次电源缺相保护。该电源保护电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点。可实现集成化自复位电源故障报警功能，提高了雷达电源系统的可靠性及灵敏度。

1 电源系统简介

雷达主电源系由康明斯30 kW柴油发电机组、总控配电机柜、50 kW变频发电机组（两台）与变频机控制柜、ATS切换柜、电力变压器、发电机组本机控制柜、通信及监控系统构成。在电源系统中，柴油发电机组与市电互为备份，当市电不能正常使用的时候开启柴油发电机对雷达系统进行工频供电，控制系统分为手动方式和自动方式（手动系统享有最高优先级）。系统结构如图1所示。

2 基本参数确定

2.1 门限电压定义

2.2.2 报警电路灵敏度

当输入电压采样问题成功解决后，此过程为，设计人员拿预先设定的保护基准电压与采样电压进行数值比较。[IC1B]输出低电平时异名端的电平比同名端高。当设计一个电源电压保护电路时，电源系统正常工作时需要重点考虑如下问题，送到[IC1B]的电压经过采样器分压电路之后，3脚的电压值必须低于的[IC1B]2脚的电压。（1脚为输出端，3脚为同名端，2脚为异名端）。只要采样得到的电压小于设置的基准电压，[IC1A]就会产生欠压保护信号，同理如果采样电压大于设置的基准电压，[IC1B]就会产生过压保护信号。需要注意设计人员在计算采样电压时，一定要同时考虑和分析过压与欠压基准电压值。

被检测电源经过整流电路后，就可以分别与被测电源基准电压进行比较，若被监测的电源电压均在正常工作的窗口电压之内，则系统工作正常无需要报警。如果被测电源突然出现故障（不论过压或欠压）比较电路的输出端便立即送出报警信号，以便在毫秒级内完成故障排除故障。

4 输入缺相保护电路设计原理

5 结 语

本文在分析了相控阵雷达阵面电源的特点以及传统雷达电源保护电路基础上，结合雷达电源系统的研制，设计了简单实用的雷达电源保护电路。该电路可实现雷达一次电源故障中的过、欠压保护和二次电源缺相保护。实际应用表明，该保护电路工作稳定可靠，灵敏度高，能够准确地对变频发电机组与柴油发电机组进行过、欠压报警，同时对阵面电源（二次电源）进行缺相保护，虚警率≤3%，故障报警率≥98%，故障隔离率≥96%，达到了对雷达电源保护的要求。

参考文献

[1] 曹才开.开关电源保护电路的研究[J].继电器，2007，35（z1）：462?466.

[2] 尤大千，尤永清.中性线点位偏移保护断路器及其应用[J].建筑电器，1995（4）：11?17.

[3] 陈善华.无人机合成孔径雷达接收机开关电源研制[J].现代雷达，2005（9）：78?80.

[4] 贲德.机载相控阵火控雷达[J].现代雷达，2001（1）：1?5.

[5] 鞠文耀，杨春，訾少波.阵面电源自动测试技术研究[J].电子工程师，2008，34（5）：5?7.

[6] 吴伟宾.一种三相电源逆相、缺相检测电路[J].电子产品世界，2012，19（5）：66?68.

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作者：陆召振 周树艳 陆伟宏 王宁 单位：无锡油泵油嘴研究所

共轨系统通常正常工作电压选择28~30V，即需要满足Ur≧30V。2）最小击穿电压UbUb分为5%和10%两种。对于5%的Ub来说，Ur=0.85Ub；对于10%的Ub来说，Ur=0.81Ub。当电压高于此值后，TVS发生雪崩击穿，此后，TVS两端电压将一直保持在钳位电压Uc。3）最大钳位电压Uc当TVS管承受瞬态高能量冲击击穿后，管子中流过大电流，峰值为IP，端电压由Ur值上升到Uc值就不再上升了，从而实现了保护作用。Uc与Ub之比称为钳位因子，一般在1.2~1.4之间，计算多代入为1.3。其他诸如反向漏电流、结电容等参数也需要考虑电路静态电流以及信号频响等因素进行择优选择。最大允许瞬时功率Pp根据车用电源系统电路抗干扰标准要求须至少大于6000W。防反接保护电路设计防反接保护使用一个普通二极管就可以实现，或者采用其他MOS管防反接电路。普通二极管防反接保护电路优点是电路简单，器件少，但由于受二极管额定功耗的限制，这种防反接不能承受长时间的反接故障。图3为防反接保护二极管在电路中的设计位置，二极管选择时考虑ECU的整体功耗，选择正向导通电流大于正常工作最大电流，同时防反接保护二极管尽量选择低压降快恢复二极管，反向耐压满足电路要求。过电流保护电路ECU电源电路在过载或者负载短路等故障发生时，需要在外部线束中或电源处理电路回路中设计过流保护电路，否则电路将损毁不能正常工作。通常在开关电源设计中采用自恢复熔断丝串联在回路中，或设计电路采样闭环控制电路等。

从以上自恢复熔断丝的原理可以看出，当电路发生过流时，可能存在大量热量的产生，由于ECU通常安装在相对封闭的空间内，热量无法快速消散，因此可能会对ECU其他电路的工作产生影响，再加上自恢复熔断丝存在不好安装及精度不高的问题，因此ECU过流保护电路通常不选用这种方案。图4为一种闭环电流采样控制保护电路，T1用来检测负载电流IL，采样电阻R1产生成比例的电压。电流过载发生时，电容C1充电电压会增加到稳压二极管Z1的导通电压，此时三极管Q1导通，集电极输出信号关闭后续电路的控制级，从而切断电源电路的工作。类似过流保护电路设计时，需要注意变压器的设计选型，由于车用ECU对成本的要求越来越高，此电路设计成本较高，且占用ECU体积大，目前在ECU上采用较少。综上，我们似乎没有非常完美的过流保护电路方案，幸运的是目前世界上一些著名半导体公司都提供带有过流自动保护的电路控制芯片。比如美国国家半导体公司的汽车DC/DC控制芯片，德国英飞凌公司的汽车级LDO电源处理芯片，这些芯片都能提供过流自动保护功能。因此在ECU电源电路设计时，尽量选用类似集成芯片作为电路核心元件，这些芯片通常都经过汽车等级的测试，可以放心采用。共模抑制电路设计ECU电源系统电路通常采用共模扼流圈设计共模抑制电路。共模扼流圈，也叫共模电感（Com-monmodeChoke），是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。

在电源电路设计时，采用共模扼流圈能够有效地消除共模干扰，提高ECU电磁兼容性能。目前一些著名的无源器件生产厂家均提供ECU专用的电源系统电路共模扼流圈，比如TDK公司的ACM-V系列主要用于ECU电源线设计，TDK公司提供的这种共模扼流圈通过专用磁芯设计而成的方形闭磁路磁芯，在保持原有特性的同时实现了小型化，便于安装。同时具有高阻抗特性，可发挥优异的共模噪声抑制效果，最大电流可高达8A。滤波电路设计共轨系统ECU电源电路的输入是从汽车蓄电池直接引入的。由于汽车上所有电子设备都共用这一个电源，其他电子设备的干扰可能通过电源耦合到ECU。另外，车用蓄电池的电源高频干扰、汽车电机的启动停止以及负载的突然变化均会将干扰带入ECU。在设计电源处理电路时必须设计滤波电路来滤除这些干扰。通常采用∏形滤波电路设计串联在电源处理回路中，主要对差模干扰起到抑制作用，图6为基本的∏形滤波电路。在实际的∏形滤波电路设计时，需要根据ECU实际使用需求进行电感L及电容C1和C2的参数选择，电容C3根据负载功率的大小调整容值及耐压参数。电源系统设计方案总结共轨系统ECU电源系统电路设计时需要综合以上的各种保护电路的设计，同时选择合适的DC/DC控制芯片。控制芯片的PWM调制频率设置需要综合考虑电源处理的效率和EMC性能。常用的ECU电源系统电路设计方案如图7所示。ECU通过点火钥匙开关处理电路，将汽车蓄电池电源输入，然后通过各种保护电路将稳定的电压输入DC/DC处理电路，最后通过汽车专用低压降线性稳压电源（LDO）处理成多路电源分别给ECU各电路模块供电。

在设计电源系统处理电路时，不仅应考虑基本电压处理电路的精度和效率，还应设计不同的保护电路，应对各种可能出现的干扰和故障情况。保护电路的设计需要考虑整个电源系统电路的工作原理，合理的布局保护电路在整个电源系统电路中的位置；各种保护电路的器件选择则需要综合电路原理、成本、安装及厂家品牌等诸多因素进行合理选择。除了本文提到的几种保护电路设计外，或许还有其他应对整车复杂故障情况的电路选择，这就需要在ECU的实际使用过程中进行不断的积累和研究。

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主要技术指标 2．负载电容容量3133uF；

3．输出电流2安培直流；电源容量5kW；

4．开关频率20kHz，谐振频率40kHz；

5．电流检测与电压检测；

6．用DSP实现PWM控制。

主电路选型

在谐振开关技术中最适合脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路,输出近似为恒流源或称“等台阶充电”,突出的优点是充电效率高且具有固有短路保护能力[6]。其主电路如图3-1所示。由于电源功率大，采用全桥型电路，高频变压器的副边也采用二极管整流桥进行整流。

图3-1 电容充电电源主电路示意图

图中为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);为串联谐振电容。其工作原理和具体参数将在下面给出。

电路的工作原理及方式

直流电压（由市电经过整流得到）经过逆变电路逆变为频率很高的方波交流电，此高频方波交流电在经高频变压器生压后，由二极管整流桥整

流输出稳定的直流电流，向电容C进行充电。

设为IGBT的开关频率，为谐振频率。

串联谐振变换器按大小有3种工作方式： 2．方式二(/2<<) 电流连续工作,可实现零电流关断。但开通时,同一桥臂上的两个开关管存在强迫换流,故开关损耗较大,干扰大；

3．方式三(>) 电流连续工作,零电压开通和硬关断,开关损耗和干扰较大。因线路存在电感,断时产生的电压尖峰较高,极易损坏开关器件[7]。

现在以图3-2的电路来分析一下串联负载DC—DC变换器的这三种运行方式。

（a）串联负载DC/DC变换电路

（b）等效电路

图3-2 串联负载DC/DC变换电路及等效电路

由图可知，电感和电容形成串联谐振，并与负载串联，经过谐振的电流在负载端被全波整流。输出端的滤波电容C足够大，可以认为电容C两端电压是没有波纹的直流电压。为了简化分析，假定谐振电路中的电阻损耗可以忽略不计，输出电压可以反射到整流桥的输入端，以表示，如果为正，，为负，。

若开关T+导通，电流为正时流经T+，反之，流经二极管D-。与此类似，为负时，若开关T-导通，电流流经T+；反之流经二极管D+。因

此，对图3-2（a）来说，可有如下四种状态：

1.当>0时

T+导通: =+，；

D-导通: =，。

2.当<0时

T-导通: =，；

D+导通: =+，。

谐振槽上的电压取决于电流的方向以及哪个开关器件导通。上述方程所描述的状态可以用图3-2（b）所示等效电路来表示。应该注意，使用这个等效电路时应按不同的时间间隔来计算。在每种时间间隔内，要确定其出使条件，并把和看作一个直流电压。

在稳态对称运行时，两个开关器件的工作状态是相同的，与此相似，两个二极管的工作状态也是相同的，因此只要对半个运行周期进行分析即可知道整个周期的状态，因为另外半个周期的运行状态与此对称。

此串联谐振电路的开关频率由电路中的开关器件来控制，它可以比谐振频率低，也可以比谐振频率高。根据和的不同比值，电流有连续和不连续之分，起运行状态可分为下面的三种情况。 应用谐振方程可计算出电流和电压的稳态波形，如图3-3所示。在时刻，开关T+开通，电感电流从零开始建立，电容电压的初始值为，电流和电压在各区间的等效电路示于图3-3中。 在时刻，开关T-开通，下半周开始工作，其电流电压波形前相同，但极性相反。

电路的开关频率可从T+两次开通为一个周期来计算。由图可知，开关频率小于谐振频率的一半，也就是说一个开关周期内，谐振电流已震荡两次，另外还有两段停止工作时间。开关频率的半个周期超过了谐振电流的360°，所以</2，被整流的电感电流等于输出直流电流，负载电压为。

图3-3 电流断续运行 图3-4为/2<<时，谐振电流连续运行状态的波形图。

图3-4 电流连续运行

由图可知，开关T+在处开通。开通条件不是零电流和零电压条件，开关T+导通时间小于180°。在处反向，电流流经二极管D+，于是开关T+自然关断，在处，T—开通，电流从二极管D+转向开关T-。与断续运行相比，因为开关T-提前开通，所以D+导通时间也小于180度。这种状态运行，开关不是在零电压和零电流条件下开通，所以产生了开通损耗。此外，为了避免对开关有过大的反向峰值电流和过大的二极管损耗，二极管必须有良好的反向恢复特性。例如，在处，开关T-开通时，原来导通的二极管D+不能立即关断，于是通过D+的反向电流会给正在开通的T-开关增加了电流负担。因为电感电流经过开关过零，而且经续流二极管反向，所以开关是在零电流、零电压条件下自然关断的。

3.1.3.3. 连续导通(>)

这种运行状态与以前讨论的连续导通状态有所不同，当/2 <<

时，电流是连续的，其开关自然关断，但开通并非零电流条件。当>时，电流也是连续的，开关的关断是强迫关断，开通具有零电流和零电压条件。

图 3-5 电流连续>

图3-5示出了>时的电路波形。由图可知，T+开关在零电流条件下与处开通，且开始反向。在处，震荡电流未达到零之前，开关T+被强迫关断，正向电流被迫经二极管D-流通。此时加在谐振槽的电压为较大的负电压，所以流经二极管D-的电流很快在处减小为零。此后，电流反向，当二极管D-开始反向导通时，开关T-立即开通。开关T-关断之后，二极管D+导通。开关T+和二极管D-的导通时间为开关频率的半个周期，此半个周期小于谐振频率的半个周期。

三种方式中,方式一在绝缘栅双极晶体管(IGBT)开通和关断时损耗都最小,被选作恒流充电电源的工作方式，其工作时谐振电流波形见图3-6。

忽略图放电保护电路的影响,设为电容电压折算至变压器原边的电压,则理想情况(输入电压恒定,变压器及半导体器件为理想器件)下:

在期间

在期间

充电电流平均值

&nb sp;

=

= （3-1）

由上式可见,在谐振参数和输入电压一定时,充电电流与开关频率成正比。开关频率恒定,则充电电流恒定。充电电流与负载电压无关,因而具有较强的抗负载短路能力[8]。

图3-6 谐振电感电流波形

主电路的各项参数

3.1.4.1谐振参数

充电电路的系统结构见图3-7。

图3-7 系统结构图 因，负载电容的影响可忽略不计。

故有

式中n为变压器变比，为谐振频率，为谐振周期，为开关频率，为开关周期[9]。 即

>40Hz 这样有 =41.1Hz

=6.63

输出电流按式（3-1）计算：

==1.99 A

充电电流基本符合要求。 如图3-8，为了使电路给逆变器提供一个稳定的电压，输入整流段需进行变压器隔离和滤波，且在电流输入端设置一熔断器，为电源提供保护，防止电流过大而损害设备。

图3-8 输入整流电路

3.1.4.3 输出整流

由于功率大，输出整流采用桥式整流电路。但由于输出电压较高，将超过单个二极管所承受的最高反向电压，为安全起见，下图3-9中的每个二极管将由三个二极管串联起来一起使用，并选用快恢复二极管。

图3-9 输出整流电路

3.1.4.4逆变参数 图3-10 IGBT电流控制电路

表3-1 IGBT具体参数

项目 符号 额定值 单位

集电极电压 1200 V

门极电压 V

集电极

电流 连续 75 A

1ms 脉冲 150 A

连续 - 75 A

1ms -脉冲 150 A

最大能量消耗 600 W

工作温度 +150 ℃

存储温度 - 40到+125 ℃

绝缘电压 交流2500（1分钟） V

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关键词：直流稳压电源；电路设计；工作原理

1 电路设计背景和目的

通过多年的教学经验和对中职院校的学生进行的调研情况来看，中职院校的学生普遍文化基础薄弱，对文化课、理论课不感兴趣，但是大部分中职学生对实训课程感兴趣，喜欢动手操作，能够尝试动手去做一些实验，有的甚至能独立完成一些电子产品的安装与调试。例如，简单的门铃电路，流水灯电路等。因此，针对中职院校学生的实际情况，结合我学院电气工程系的学生学习情况，今年，我系领导决定对学生的课程安排进行了大胆改革，去掉纯粹的理论课，所有专业课程都变为一体化课程，让学生通过动手操作掌握理论知识，真正做到在做中学，在学中做，在这样的背景下，我尝试了将所担任学科《电子技术基础》这门理论课程融入到《电子电路的安装与调试》这门实训课程中去，变理论课实训课程为一体化课程。依托这样的改革前提，我尝试对直流稳压电源的电路进行了以下设计，目的就是为了更好的适应电气工程系的改革实践，同时也能够使学生在实际动手操作过程中深刻理解相应的电子专业理论知识，能够培养学生掌握理论知识的能力，激发学生热爱电子专业的热情，提高了学生学习的积极性，最重要的是让学生学会了技能，一技在手，更好地走上工作岗位，尽快地适应社会。

2 电路设计实验设备及器件

所谓巧妇难为无米之炊，电路设计同样需要必要的实验设施和工具，而实验条件的好坏和选择工具的正确与否是设计的关键和前提。下面我来具体阐释我的设计思路中所需要的实验条件、实验工具和必要的原材料：

2.1 电路所需实验设施和工具

本次设计的完成需要在专业的电子试验台上进行，需要的工具如下：示波器、万用表、变压器（12v）、电烙铁、钳子和镊子等，另外需要必要的焊锡和连接线。

2.2 电路所需元器件清单

元器件清单如下：

1A二极管IN4007，V1、V2、V3、V4，4只；发光二极管V5，1只；熔断丝FU 参数为1A1只；100uF 50 V电容C1，1只；10uF25V电容C2，1只；500uF 16V电容C3，1只；2200uF电容C4，1只；开关SW，1只；2.7KΩ电阻R1，1只；190Ω电阻R2，1只；280Ω电阻R3，1只；1KΩ电位器R4，1只；三端集成稳器CW7812 U（可调范围1.25V～12V），一只；可调电阻RW，1只。

3 电路设计思路

直流稳压电源又称为直流稳压器，其作用就是将交流电转化成相应用电器所需要的稳定电压的直流电。其关键是输出直流电压的稳定性，所以我们设计电路的着眼点就是电路转化的稳定性。

3.1 直流稳压电源的工作原理

直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，其组成框图如图1：

直流稳压电源各部分的作用

（1）电源变压器：主要是降压器，用于把220V的交流电转换成整流电路所需要的交流电压Ui。（2）整流电路：利用整流二极管单向导电性，把交流电U2转变为脉动的直流电。（3）滤波电路：利用滤波电容将脉动直流电中的交流电压成分过滤掉，滤波电路主要有桥式整流电容滤波电路和全波整流滤波电感滤波电路。（4）稳压电路：利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的，用于将不稳定的直流电压转换成较稳定的直流电压。

3.2 直流稳压电源的设计方法

直流稳压电源的设计，是根据其输出电压UO、输出电流IO等性能指标的要求，确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的相关性能参数，选择出这些元器件。

具体设计方法分为三个步骤：第一步：根据直流稳压电源的输出电压UO、最大输出电流IOMAX，确定出稳压器的型号及电路形式。第二步：根据稳压器的输入电压Ui，确定出电源变压器二次侧电压U2；根据稳压电源的最大输出电流IOMAX，确定出流过电源变压器二次线圈的电流I2和电源变压器二次线圈的功率P2；再根据P2，确定出电源变压器一次线圈的功率P1。然后根据所确定的参数，选择合适的电源变压器，一般为12v。第三步：确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压URM和滤波电容的容量值以及耐压值。根据所确定的参数，选择合适的整流二极管和滤波电容。

4 电路设计步骤

电路设计思路想出后，考虑实际电路具体设计步骤，完整的设计步骤是整个电路的核心部分，因此在设计过程中实际设计步骤显得尤为重要，具体步骤为以下几步：

4.1 电路图设计方法

电路图设计使用PCB制图软件制作

4.2 电路原理图的设计

电路原理设计使用Protel2000制图软件设计电路原理图如图2。

4.3 直流稳压电源实物设计

如图3所示安装直流稳压电源电路的前半部分整流滤波电路，然后从稳压器的输入端加入直流电压UI？燮12V，调节RW，如果输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正确判断出二极管的极性后，先在变压器的二次测线圈接上额定电流为1A的保险丝，然后安装整流滤波电路。安装时要注意，二极管和电解电容的极性不能接反。经检查无误后，才将电源变压器与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表检查整流后输出电压UI的极性，若UI的极性为正，则说明整流电路连接正确，然后断开电源，将整流滤波电路与稳压电路连接起来。然后接通电源，调节RW的值，如果输出电压满足设计指标，说明稳压电源中各级电路都能正常工作。

5 电路设计总结

通过论述直流稳压电源电路的设计过程，强化了本人所教学科《电子技术基础》中模拟电路部分知识和《电子电路的安装与调试》实验部分知识。所设计的直流稳压电源电路，广泛运用于生活中，例如手机的充电电源、冰箱的稳压电源等。同时，也通过查阅参考书，网上资料等拓宽了自己专业方面的知识面。论述过程中，通过边教学边调研边实践的方式使本人对直流稳压电源电路设计过程有了一些新的认识，特别是强化了自己的教学能力，增强了所教专业学生掌握理论知识的能力，提高了其动手操作的能力。通过一段时间的教学效果来看，我所教授专业的学生对学院的此种教学改革适应快，容易接受，对教师所设计的教学模块感兴趣，并且激发了继续探究这一教学模块的动力，这也充分证明了学院提出的此种教学改革是可行的。

参考文献

[1]郭S.电子技术基础（第四版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社.

[2]王建.维修电工技能训练（第四版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社.

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关键词:EDA仿真;负载能力;扩流设计;仿真对比验证

中图分类号:TN702文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-199-02

Research and Application of IC Test Instrument Power Circuit Simulation Design

SUN Chengting,ZHU Chunjiang

(Lianyungang Technical College,Lianyungang,222006,China)

Abstract:According to the problems of certain lab IC test instrument not being perfect on power circuit design and the system halted or restoration not being unusual on lower load capacity,the power circuit design and current-amplification circuit are being improved based on the original circuit,the contrastive verificafion is used for improving circuit with EDA simulation technique,and the problem in practical application is also solved.

Keywords:EDA simulation;load capacity;current-amplification design;simulation contrast verification

0 引 言

集成电路测试仪可用来测量集成电路的好坏,在电子实验室中应用广泛。在实际使用中,发现部分厂家生产的测试仪存在一些问题,如电网电压波动或负载加重后容易出现死机或复位不正常现象,这对实验进程和实验室管理有很大影响,也是困扰实验指导老师的常见问题,必须予以解决。本文通过某一种测试仪电源电路的改进的试验,会给实验室管理者以借鉴。

在电路设计中用到EDA(Electronics Design Automation,电子设计自动化)技术。在进行电路改进前,从电路参数设计,电路功能仿真验证等都在计算机上先用EDA软件完成,不但缩短了电路设计时间,而且大大地节约了成本。

EDA 技术是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。它经历了计算机辅助设计(Computer Assist Design,CAD)、计算机辅助工程设计(Computer Assist Engineering Design,CAE)和电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)三个发展阶段[1]。利用EDA技术进行电子系统的设计,具有以下几个特点[2]:用软件的方式设计硬件;用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;对设计电路功能是否正确可进行仿真分析。

目前流行的EDA软件有Protel 99 SE,EWB,Multisim,PSpice等几种[3]。本文运用Protell 99 SE 中的Advanced SIM 99仿真功能对所改进的电路进行仿真和应用。

1 EDA仿真在测试仪电源电路设计中的应用

学校电工电子实验室有多台LM-800C数字集成电路测试仪,在使用中有时会出现死机,复位不正常现象。通过研究,发现电源电路存在问题:电源扩展能力差,带负载能力弱。笔者根据其PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)绘制出其电源电路原理图,如图1所示。

图1 LM-800C数字集成电路测试仪电源电路图

图1中,78M05为5 V三端稳压器[4],RL为测试仪负载,实际上是待测集成电路。

限于篇幅,只绘制主要部分,电源线路滤波器在图中未画出。通过研究,发现电源电路存在问题:电源扩展能力差,带负载能力不强,有时会出现死机、无法复位现象。通过对其电源电路的改进,增加了扩流电路,从而解决了实际使用中存在的问题。

1.1测试仪电源电路的扩流设计

为了节约成本,不能对原来电路进行全新设计,只能在原来电源电路基础上,通过增加部分电路来增强其带负载能力。

改进中需要考虑的问题[5]:

(1) 选择合适的滤波电容。电源输出直流电压要稳定,纹波小。

(2) 增加了扩流电路,当电源电压不稳定或测试系统负载增大时,电源带负载能力强,输出电压稳定。

图2为经过改进的带扩流功能的电路,带负载能力较强,能扩大电路的输出电流。Q1为外接扩流功率三极管,R1为Q1的偏置电阻。该电路带负载能力与Q1的参数有关。C1,C4为滤波电容,C2为0.33 μF,可抵消输入接线的电感效应,C3可防止高频自激,消除高频噪声,改善负载的瞬态响应[6,7]。

图2 带扩流功能的电路

电源电路扩展输出电流的工作原理:

二极管D1用于消除三极管Q1的发射结Ube对输出电压的影响(相当于发射结的导通电压0.7 V),并提供电容C4的放电回路。设三端稳压器78M05的最大输出电流为Imax,则晶体管的最大基极电流Ib=Imax-IRL,因而负载RL上电流的最大值I可表示为:

I=(1+β)(Imax- IRL)

一般三极管的基极电流Ib很小,与Imax相比可忽略不计,I比Imax大许多,可见输出电流提高了,从而可提高电源的带负载能力。

1.2 两种电路带负载能力的仿真对比验证

可用Protell 99 Advanced SIM 99[6,7]对原电路(图1)和改进后的电路(图2)进行仿真分析,以验证二者的带负载能力。

(1) 仿真参数设置

首先进行仿真参数设置,进行瞬态分析与傅里叶分析[8,9],仿真参数设置对话框如图3所示。

图3 仿真参数设置对话框

为了突出显示,显示器上只显示两个波形,其中in为输入端,out为输出端。

(2) 仿真波形对比分析

用Protell 99 Advanced SIM 99对图1所示电路进行仿真,发现当负载变重,超过78M05最大输出电流(0.7 A)时[10],将使输出电压的纹波增大,输出电压(out)下降且不稳定,out波形有明显的波动,5 V下降为4 V左右,且输出(out)波形不平滑,纹波大。负载变重后的仿真波形如图4所示。

图4 负载变重后的波形

为了增大电源的带负载能力,在原电路的基础上加扩展电流三极管Q1后,带同样的负载,输出电压很稳定(5 V),仿真波形如图5所示。

图5 加扩流三极管后仿真波形

从输出波形(out)可以看出,电压很稳定,没有纹波。

1.3 设计电路的应用效果

经改进后的电源电路,在实验室的实际使用中,再未发现死机或不能正常复位现象,证明通过EDA仿真所设计的电路在使用中获得成功。

2 结 语

用EDA仿真技术能方便电路设计,并可验证电路

设计的正确性。通过对两种电路的仿真对比,说明改进后电源电路带负载能力强,这在实际使用中得到验证。

参考文献

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[8]朱勇.Protel DXP范例入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2004.

篇6

1.1TEC工作原理

半导体制冷器（TEC）是以帕尔贴效应为基础研制而成，其最基础的元件是利用一只P型半导体和一只N型半导体连成的热电偶。当通电后在两个接头处就会产生温差，电流从N流向P，形成制冷面；电流从P流向N，形成制热面。若干组热电偶对串联就构成了一个简单的半导体制冷器。在制冷面或制热面增加一个热交换器就可以完成半导体制冷器与外界环境的能量交换。

1.2半导体激光器温控电路设计

1.2.1半导体激光温控电路原理

高稳半导体激光器一般都有内置半导体热电制冷器（TEC）和温度传感器等相关的温控元件来保证激光器管芯温度可控。半导体激光器内置温控系统基本工作原理如图1所示。将温度传感器（常用负温度系数的热敏电阻）与激光器管芯安置在同一热沉上，起到实时监测激光管芯温度的作用。在常温25℃时（在25℃时激光器的整体性能最为优良），通过调节由R1和R2组成的电阻网络可以设定比较器的参考电压值，在这里称之为基准电压。以25℃为参照，若LD管芯温度相对升高，则热敏电阻的阻值变小，比较器的负输入端电压相对变小，输出电压也随着变化。TEC驱动源将驱使电流从N型半导体流向P型半导体形成制冷面，实现对LD管芯进行制冷。若LD管芯温度相对降低，则热敏电阻的阻值变大，比较器的输入电压相对变大，输出电压也随着变化，TEC驱动源将驱使电流从P型半导体流向N型半导体，形成制热面，实现对LD管芯制热。

1.2.2TEC驱动源类型

半导体激光器的温度控制系统需要满足温度控制精度高、响应速度快且稳定性高的要求，同时要能实现制冷和制热双向控制，以适应外界温度变化和半导体激光器本身工作条件变化。一般情况下，TEC驱动源按驱动工作模式可以分为线性工作模式和脉宽调制工作模式（PWM）两种类型。TEC驱动源线性工作原理：通过控制三极管的开关状态可以控制驱动TEC的电流大小和方向，这种驱动方式的效率一般低于50%，需要为三极管提供良好的导热通道，且有控温“死区”。但这种模式有噪声低和可靠性高等优点。TEC驱动源脉宽调制（PWM）工作原理：在PWM方式下，三极管工作在饱和状态，而不是线性区域，只有当需要向负载供电时才导通。电路通过4个三极管来控制电流的方向和大小，电路结构呈H桥型。PWM方法可以有效地提高效率和降低功率部件的热量，工作效率一般大于80%，能实现无“死区”温控。但这种模式有着噪声高和可靠性低等缺点。两种驱动源在实际使用中各有利弊，具体采用何种驱动方式需要根据实际情况来最终确定。

2航天高稳激光源温控电路设计方案

2.1MAX1968功能及其特点

MAX1968是MAXIM公司研制生产的一款高度集成具有纹波噪声抑制功能的脉宽调制TEC驱动芯片，调制频率为500kHz/1MHz；单电源供电，供电电压范围为3~5.5V；能够实现最大3A双向TEC驱动电流，完成对LD管芯的制冷或制热。MAXIM公司研制生产的MAX1968芯片具有体积小、效率高、价格低和可实现双向无死区温控等优点，但也存在封装材料简单（塑料器件）和工作温度范围较窄等缺陷。

2.2MAX1968芯片设计电路及失效分析

2.2.1MAX1968芯片设计电路分析

MAX1968芯片资料有应用芯片电路推荐，从推荐电路应用方案来看，电路的设计在滤波、抑制纹波噪声、LC滤波谐振电路等都做了详细的考虑。在COMP引脚与GND之间焊接了0.01μF的电容，确保电流控制环的稳定工作。FREQ引脚接高电位，即内部振荡器的开关频率选择为1MHz，这样可以减小电容和电感值。按芯片资料推荐电路搭建芯片电路，将芯片使能引脚（SHDN）直接连接高电位，即当MAX1968芯片上电后芯片就需要工作，根据CTLI引脚的电压输入情况判断TEC需要制冷或制热，并立即实施。在实际使用过程中发现，在给该温控电路上电瞬间，时有MAX1968失效的现象，具体表现为电源输出电流急剧增大。

2.2.2MAX1968芯片失效分析

用立体显微镜、金相显微镜和晶体管特性图示仪等仪器对两只失效的MAX1968芯片进行了详细分析，失效的情况完全相同，都是芯片的第5、6端之间以及第23、24端之间存在异常电应力，导致这几端之间的铝条烧坏短路所致。使用晶体管特性曲线图示仪对这两块芯片进行引脚间特性测试，发现两电路第6、8、10端（LX2）与第5、7端（PGND2）之间短路，第19、21、23端（LX1）与第22、24端（PGND1）之间短路。第9端（PVDD2）与第5、7端（PGND2）之间未见短路现象。将这两块芯片进行开盖，在开盖过程中，由于内部芯片尺寸较大，电路个别引脚经腐蚀后脱落，但经测试，短路现象依然存在，未破坏原始失效现象。在金相显微镜下，对两块芯片表面进行仔细观察，发现两块芯片第5、6端以及第23、24端之间存在烧毁现象，如图2所示。芯片为多层金属化结构，从烧毁形貌分析，可能是下层铝条烧毁后，导致上层铝条烧毁短路。由于两块芯片失效现象一致，因此可以排除器件偶然缺陷导致失效的可能，应该是芯片失效与外部异常电应力导致内部场效应管击穿。

2.3航天高稳激光源温控电路设计方案

2.3.1完善MAX1968芯片电路设计

通过上述分析，结合芯片内部结构和TEC驱动源脉宽调制（PWM）工作原理，我们基本能判断是芯片内部烧毁的通道发生在场效应管上。在试验过程中发现，芯片失效是一个慢性渐变的过程，可以用14引脚（OS2）、15引脚（OS1）分别与GND的阻抗R和R'来表征，随着上电次数逐渐增多，R和R'的阻值从开始的兆欧数量级慢性渐变到欧数量级，并最终失效。失效的原因认为是MAX1968芯片上电后，芯片就根据CTLI引脚电压输入情况判断TEC需要制冷或制热，并立即进行工作，上述过程在上电的一瞬间就会完成。这种输入与输出同时实施势必会导致芯片内部有大的纹波电压或大电流产生，因发热而导致芯片失效。通过完善MAX1968芯片电路设计，在MAX1968的使能引脚中引入了毫秒级的延时，致使MAX1968芯片完成加电后再实施输出工作。具体新的设计电路方案如图3所示。通过大量的试验证明阻抗R和R'的阻值不衰退，这说明对MAX1968芯片电路的完善是有效的。

2.3.2MAX1968新设计方案电路试验验证

根据完善电路特性搭建了对电路性能验证比较的试验平台，试验的基本思路是让两种电路（完善前和完善后）在带同样负载的情况下，分别对完善电路和未完善电路进行上下电连续冲击，上、下电频率同为13Hz，如图4所示。在两组电路的验证中，完善之前的设计电路在经过约32min之后电源输出电流突然增大，经测试发现MAX1968芯片已经失效。完善之后的设计电路在经过28天之后，测试MAX1968芯片的电性能依旧正常。由此可见对MAX1968设计电路的完善是有效的。

2.3.3航天高稳激光源温控电路设计工程验证

航天高稳激光源温控电路，在某项航天测试（包括振动、冲击、热循环和热真空等试验）中各项指标都正常，最终顺利完成了航天相关试验。

3结束语

篇7

关键词：大功率　LED路灯　驱动电源　设计

引　言

所谓“绿色照明”是指通过可行的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，改善提高人们的生活品质。完整的“绿色照明”内涵包括高效、节能、安全、环保等四项指标，不可或缺。作为“绿色照明”之一的半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，它具有高效、节能、安全、环保、寿命长、易维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型第四代“绿色”学源。2003年6月17日，我国正式启动“国家半导体照明工程”。随着“绿色照明”理念的提出和推广，以半导体材料制作的LED光源被逐渐的应用到了景观照明方面，与此同时大功率的LED路灯引起了人们的广泛关注。大功率LED路灯的工作原理是，通过直流低压对大功率LED组进行点亮，从而满足人们的照明需求。大功率LED路灯不仅具有亮度高和显色性好的优势，并且因为LED路灯的需要输入的电能是低压直流，所以对电能的要求少。随着太阳能光伏发电技术的不断成熟，由于大功率LED路灯对电能的要求少，使得太阳能LED路灯作为未来道路的照明方式成为可能。在目前的LED应用过程中，由于大功率LED所需要的必须是低压直流电源，所以普通的家用交流电无法满足大功率LED的要求，即使经过了普通降压和稳压的电源也必须通过重新改良过后才能用于为大功率LED驱动电能。本文通过对大功率LED的工作特性深入探析理解，并对目前常用的一些驱动电源进行简要分析，对高效的发挥出大功率LED的优势驱动电源必须具备的哪些条件提出了多个设计要素。

一、LED驱动电路研究的意义和价值

LED路灯是低得罟、大电流的驱动器件其发光的强度由流过LED的电流决定电流过强会引起LED的衰减电流过弱会（dian4　liu2　guo4　ruo4　hui4）影响LED的发光强度因此LED的驱动需要提供恒流电源以保证大功率LED使用的安全性同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC（功率因素校正）和恒流问题还需有比较高的转换效率有较小的体积能长时间工作易散热低成本抗电磁干扰和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高在LED路灯使用过程中取得满意的效果。

LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间按短等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路，存在稳流能力较差的缺点，从而导致LED寿命大为缩短。

当前，直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间，电路已比较成熟，而用于市电输入照明的LED驱动电路，很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压，电源体积过大，输出的电流稳定性差，性能很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点和热点。LED照明时一种绿色照明，其驱动电源的输出功率较小，在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时，由于LED的使用寿命理论上长达10　万小时，这要求驱动电源很高的可靠性。

二、设计方案

HV9910　应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制（PWM）　方法，采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法，该驱动器使用了一个简单的开/　关控制来调整LED的电流，因而简化了控制电路的设计。

2.1　电路的特点

1）无需电解电容及变压器，这样增加了电源的使用寿命。如果LED驱动器理有电解电容，那寿命主要取决于电解电容，电解电容的使用寿命有一个大家公认的近似计算法则：即温度每下降10　度使用寿命增加一倍。比如说标称105　度2000　小时的电解电容，在65　度下使用寿命大约是32000　小时。

2）高效率。这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%，可减少相关元件的数量，从而降低了系统成本。HV9910　可将调整过的85V至265Vac　或8V至450Vdc　电压源转换为一个恒流源，从而为串连或并联的高亮LED提供电源。

3）电路简单，仅需一个芯片HV9910　的实现就能实现所有的功能，没有用到变压器，提高了功率的效率，减少了空间，增加了系统的可靠性。

2.2　电磁兼容，高PFC、过EMI

采用高PFC　功能电路设计的室外LED　路灯电源，内置完善的EMC电路和高效防雷电路，符合安规和电磁兼容的要求。再用电压环反馈，限压恒流，效率高，恒流准，范围宽，实现了宽输入，稳压恒流输出，避免了LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED得亮度稳定。整机元件少，电路简单。

2.3　电源的PCB设计

本文在PCB　布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。

本文遵守以下原则进行PCB布线：

1）尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；

2）为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；

3）合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm；

三、可靠性设计

要在照明领域中大量使用大功率白光LED，只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作，才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。

3.1过压过流保护

在实际使用中，会出现负载短路或者空载的情况，会造成整个驱动电源的破坏，所以在驱动电源设计的时候，需要增加过压与过流保护。

3.2隔离保护

LED是低电压的产品，当驱动电源的开关损坏时，也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。

3.3浪涌保护

在实际应用中，电网很不稳定，尤其是雷雨季节，会有浪涌电压存在，所以在驱动电源设计时，要考虑到整个产品的防雷，尽量避免在异常时造成永久性的破坏。

3.4散热设计在大功率LED应用中，LED能承受的电流与温度有一定的关系，所以在驱动电源设计时，需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。

篇8

摘 要：该文根据高压电机定子绕组的特点，针对现有方法只能判断一相定子绕组的局部放电量，无法具体定位绝缘薄弱点这一问题，设计了声电复合信号处理电路，配合已有的脉冲电流法来判断局部放电位置，从而实现脉冲电流法进行定相、声电复合传感器定位的目的。

关键词：定子绕组 绝缘薄弱点定位 信号调理

中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0042-03

高压电机作为现代工业生产的核心部分，其可靠性对工业生产的正常运作起着重要作用。高压电机运行过程中出现故障的因素是很多的，但是其定子绕组的绝缘问题是其主要因素之一。由于电机的长期运转，其定子绕组开始慢慢老化，久而久之出现绝缘薄弱点。因此，分析高压电机定子绕组老化过程、研究定子绕组局部放电的物理化学现象和研制定子绕组绝缘薄弱定位装置对高压电机的可靠运行和减少维修成本起着重要的作用。

该课题的主要研究内容是利用局部放电下绝缘薄弱点产生的电磁信号和超声信号，设计一种具有抗干扰的前段声电信号调理电路和数据采集系统，配合上位机软件显示绕组绝缘薄弱点局部放电下的电磁信号和超声信号。

1 声电信号调理电路结构框图

声电传感器所接受到的两路电信号存在信号强度小、噪声大等问题，所以首先需要信号处理电路对这两条路电信号进行放大和滤波处理。如图1所示，前段声电信号调理电路包括：阻抗匹配电路、前置放大电路、积分电路、电磁信号传感器的积分电路、带通滤波电路、后级放大电路和电源模块组成。因为电磁信号探头所输出的电信号是原信号的微分形式，通过积分电路可以还原成原始信号，提高信号采集的准确度。

2 阻抗匹配电路与共模干扰抑制

2.1 阻抗匹配电路

该课题采用Burr-Brown公司的OPA2132UA运算放大器。OPA2132UA运放内部有两个放大单元，采用双电源供电，具体特性如以下几点。

（1）带宽范围：8 MHz。

（2）高转换率：20 V/μs。

（3）输入电压：±2.5～±18 V。

（4）低噪声：（1 kHz）。

（5）低失真率：0.00008%。

超声信号传感器的通带范围为40～100 kHz，电磁信号传感器的通带范围为100kHz～1 MHz。图3为OPA2132UA运放的幅频响应和相频响应，所以选用的运算放大器在上述两个通带内具有低噪声、高灵敏度、相位变化平稳的特点。

2.2 双芯屏蔽线共模干扰信号的抑制

图2为双芯屏蔽线传输信号的原理图。其中，电阻R1、R2，电容C1、C2以及与放大器C相连的屏蔽线组成的电路是双芯屏蔽线的等效电路，Uc为共模干扰信号，放大器A、B、C是用OPA2132UA构成阻抗匹配电路，放大器D为前置差分放大芯片。

当共模干扰信号是直流信号作用在传输线上时，Uc1=Uc2，经过电压跟随器A与B后可得，UA=UB，因为放大器C是差分放大，所以U0无电压输出，由此可见前置放大电路具有初步的抗共模干扰的作用。

当共模干扰信号是交流信号时，UC1与UC2的电压为式1与式2。当R1C1=R2C2时，UA=UB，UO无电压信号输出；当R1C1≠R2C2时，UA≠UB，而Ug=（UA +UB）/2，Uc3=Ug，所以Ug=（UA +UB）/2。此时，屏蔽线上等电位势为Uc3，电容C1与C2上就会形成电势差，UC1和UC2会分别趋向于UC3，即UC1与UC2的差距越来越小，UA≈UB，U0无明显电压信号输出。

综上所述，双芯屏蔽线能有效抑制传输线上的共模干扰信号。

3 电磁信号传感器的积分电路

3.1 确定时间常数τ

积分电路的积分速度由时间常数τ所决定，其中τ=RCf。电磁信号传感器所接受到的局部放电信号是一系列的脉冲信号，放电间隙短，信号频率高，因此，在τ值的确定上选择较小的值就行。同时τ值也不能小于放电间隙时间，导致积分电路饱和。这里取τ=1。由于积分电路的输入电阻为R，所以往往希望R的值大一些，这里取R=10 kΩ，因此，Cf=0.1μF。

3.2 确定Rp

电阻RP为运放的平衡电阻，用于平衡运放的偏置电流，一般取Rp=R=10 kΩ。

3.3 确定Rf

通常在积分电路的输入输出端并联电阻Rf，其目的是避免积分电路漂移导致信号的失真。为了减小误差，取Rf≥10R=100 kΩ。

3.4 选择运算放大器

榱巳趸运放放大器对积分电路的影响，选择宽带范围广，低噪声和低失真率的运算放大器。该课题选用和阻抗匹配电路相同的运算芯片OPA2132UA。

OPA2132UA运算放大器带宽范围：8 MHz；转换率：20 V/μs；低噪声：（1 kHz）；低失真率：0.00008%，符合上述要求。

4 带通滤波器的电路设计

如图3所示为带通滤波器的基本结构，其中低通部分的截止频率为f1，高通部分的截止频率为f2，在设计时应f1>f2，此时带通滤波器的通带为f=f1-f2[1]。

该课题选用Linear（凌力尔特）公司的滤波芯片LTC1560-1和LT1364CS8。其中，LTC1560-1为低通芯片，LT1364CS8为高通芯片。

LTC1560-1具有如下特点：

（1）信噪比（SNR）：75 dB。

（2）通带纹波（fCUTOFF）：±0.3 dB。

（3）阻带衰减大于60 dB。

（4）截止频率可调为500 kHz和1 MHz。

图4为电磁信号通道的带通滤波滤波器原理图。低通滤波器LTC1560-1芯片的5号引脚接-5 V电源时截止频率为1 MHz，高通滤波器LT1364CS8截止频率为30 kHz。

超声信号通道的带通滤波滤波器原理图。低通滤波器LTC1560-1芯片的5号引脚接5 V电源时截止频率为500 kHz，高通滤波器LT1364CS8截止频率为30 kHz。

5 前置放大和后级放大电路

电磁信号通道的带宽为30 kHz～1 MHz，所以x择仪器放大器INA217。INA217是一种低噪声、低失真的仪器放大器，采用电流反馈的INA217有着较宽的通带和在通带范围内有着良好的动态响应。具体参数如下：

（1）低噪声：1.3 nV（在1 Hz处）。

（2）宽通带：800 kHz，G=100。

（3）高的共模抑制：>100 dB。

放大器INA217的放大倍数为：

这里取RG=1 kΩ，G=11。此时，电磁信号通道的前置运算放大器和后级运算放大器相同。

超声信号通道的带宽为30～500 kHz，选择低漂移、低功耗仪表放大器AD620AR。AD620AR是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10 000。此外，该课题采用的是8引脚SOIC封装，尺寸小，功耗低，非常适合做放大电路使用。主要的特性如以下几点。

（1）高增益：G=1～10 000。

（2）输入电压噪声：9 nV（1 kHz）。

（3）带宽：120 kHz（G=100）。

（4）共模抑制比：100 dB（最小值，G=10）。

放大器AD620AR的放大倍数为：

取RG=4.94 kΩ，G=11。此时，超声信号通道的前置放大器和后级放大器相同。

6 结语

该文主要讲述了前段声电信号调理电路的构成，前段声电信号调理电路分为两个通道，分别为电磁信号传感器通道和超声波传感器通道。

这两个通道所用的电路基本相同，电磁信号传感器通道多了一个积分电路。由于电磁信号和超声信号的频率不同，所以在芯片的选型和电路的设计中两通道存在一些差异。该文中的每种电路不仅介绍了怎样选择芯片型号，而且还给出了计算电阻电容方法。经该系统处理后的两路信号再传输到第四章的数据采集处理系统，对这两路信号进行程控放大和AD转换等数据处理。

为了减小共模信号的干扰，在传感器和信号处理电路之间采用了双芯屏蔽传输线，并在信号处理电路中增加一组运放电路，在共模干扰通过信号处理电路时可以很好地消除干扰信号。

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篇9

【关键词】数字频率计；单元电路设计

1.引言

数字频率计是直接用十进制码来显示被测信号频率的一种测量装置。作为一种基础测量仪器，已在教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等领域有较广泛的应用。

在模拟电路和数字电路实验中，信号源可产生各种频率范围的信号，如果能直接读出其频率，可以给实验者带来很大的方便。所以频率计是实验箱中很重要的组成部分，而购买设计好的频率计成本较高，所以设计了一个简易的频率计，完善了实验箱的功能，具有较好的使用价值。

实验中使用信号的频率不是很高，所以要求设计的频率计测量的频率范围在1Hz---10MHz之间。能够测量任何该频率段内的周期信号的频率，延时要小，测量迅速，以十进制数显示，便于读数，单位以Hz或KHz显示，自动转换单位。

2.整形电路设计

整形电路，将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平的离散信号。所以我们选择电压比较器作为模拟电路和数字电路的接口电路，将非矩形信号变换成矩形信号。对比较器的选择主要从以下几个方面考虑：

（1）传播延迟时间：这是选择比较器最重要的参数，延迟时间包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，显然只有延迟时间短了，才能使整个处理时间缩短；

（2）电源电压：传统的比较器需要±15V双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，但是，从市场发展趋势看，目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装的特点，有些应用中还要求比较器具有关断功能；

（3）功耗：对于所有器件来说，当然功耗越低越好，但在此需要权衡比较器的速度与功耗，找到两者的最佳结合；

（4）门限电压：可以通过设置器件来确定门限电压的大小，门限电压越大电路抗干扰能力越强，但是灵敏度就会变差，因此，要根据具体需要确定门限值大小。

考虑到以上因素，这里选择使用TI公司的芯片LM311，其引脚图如图1。

输入信号通过电阻R1接入LM311的引脚2，这样不至于使引脚2因输入电流过大而烧坏芯片。当输入电压大时，为了不毁害芯片，需要在引脚2上接二极管来保护芯片。引脚3是负输入端，但如果直接接地，在引脚2上即使有微小的波动（干扰信号）也会导致输出端输出脉冲。因此，引脚3不可直接接地，通过在引脚3和8脚接分压电阻，设置门限电压。引脚8接+5伏电源，电阻R3、R4分压，R4：R3≈1：20，即门限电压为0.25V（R3=4.7K，R4=220），当输入电压小于0.25V时，输出不变，从而使电路具有了一定的抗干扰能力。LM311输出电路为集电极开路的门电路（OC门），因此还需在输出脚7加上拉电阻R5。从而可得整形电路如图2。

3.计数电路设计

整形后，对于低频信号，其上升沿变化比较缓慢，且叠加有高频信号，计数电路可能将此抖动误认为输入脉冲对其计数，为避免这种错误计数，可使低频信号经低通滤波器，从而消除上升沿的抖动，而对高频信号，经滤波器后被滤除。因此在滤波前就应把低频和高频分开，在这里使用反相器74HC14（Philips公司产），使高频信号不经反相器，而低频信号经反相器后滤波，得到较规则的矩形信号。

得到的矩形信号要输入到单片机中，这里使用ATMEL公司生产的AT89C2051单片机，它是一种低电压、高性能的CMOS　8位单片机，管脚少，体积小，且功能强。片内含2KB的可反复擦写的只读FLASH程序存储器和128B的随机存取数据存储器，有两个16位的定时/计数器，T0、T1，一个5向量两级中断结构，一个全双工的串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。

AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小。AT89C2051的管脚图如图3。

AT89C2051的1脚为复位信号输入端，高电平有效，单片机运行时，在此引脚上加持续时间大于两个机器周期的高电平时，就可完成复位操作。复位电路常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。这里采用上电自动复位。它是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1mS，就可实现自动上电复位。这里时钟频率选择12MHz时，C取10uF，R取10k。

在此使用AT89C2051单片机内部的定时/计数器测量频率，基本测量过程为：定时/计数器1（T1）的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时/计数器工作；同时运行定时/计数器0（T0）定时1s，T0定时1s时间到TR1清0，停止计数。当外部输入信号产生由1到0的负跳变时，计数器加1。每个机器周期的S5P2期间对外部输入引脚采样，如果在第一个机器周期中采得的值为1，下一个机器周期中采得的值为0，则在紧跟着的再下一个机器周期的S3P1的期间计数器加1。因此确定一次负跳变要花两个机器周期，即24个振荡周期，这就要求外部输入的计数脉冲的最高频率为振荡器频率的1/24。这里单片机选用12MHz的晶振，允许的最高输入频率为500KHz，对于在高的频率，单片机无法正确计数。

要想对高频信号测量频率，就需要先分频。单片机根据频率的大小选择对信号进行100分频或10分频或不分频，从而实现自动换档。这里选用ST公司生产的芯片74HC390，整形后的信号，低频送入反相器74HC14，高频送入分频器74HC390，先进行10分频，10分频后在经过另一片74HC390输出经100分频后的信号，这样理论上单片机就可以对500K×100即50MHz的信号测频。频率小于500KHz的信号不需要分频就可测量频率值，频率范围在500KHz―5MHz内的信号要经过10分频才能测量频率，频率范围在5MHz―50MHz内的信号要经过100分频才能测量频率。由于频率值可能超过计数器的最大计数值65535而使计数器溢出，这里定时器只定时100mS，技术完成后通过对数据处理，得到信号的真正频率值。具体的单片机是对不分频的信号测频，还是对10分频的信号测频，还是对100分频的信号测频，就要通过数据选择器选择。这里选用ST公司生产的芯片74HC253作为数据选择器选择出输入到单片机的信号。不分频的信号输入到74HC253的10脚，10分频的信号输入到74HC253的11脚，100分频的信号输入到74HC253的12脚，通过单片机的P1.5和P1.6位控制数据选择器的地址位A和B。计数模块的硬件电路如图4。

4.显示电路设计

最后要把处理完的数据在显示电路中显示。这里选用6位8段共阳LED数码管显示。LED显示方式有两种，静态显示和动态显示。虽然静态显示亮度高，接口编程也比较容易，但占用的口线较多，六位显示就需要6个锁存器，这样电路所用的器件较多、连线比较繁琐，所以采用动态显示方式。这就需要首先确定位选，对该位送段码显示，然后延时一定时间，选定下一位，再送段码显示，如此循环。

工作过程为：

首先确定位选：由单片机的P1.2、P1.3、P1.4作为3-8译码器74HC138的输入，74HC138的输出决定了数码管的选择位。每个数码管的公共端与一个接有高电平的PNP三极管的集电极相连，三极管的基极与3-8译码器的输出相连，通过软件编程设置单片机的P1.2、P1.3、P1.4位，就设置了3-8译码器的输入，3-8译码器的输出只有一位为低电平，与这一位连接的三极管就处于饱和状态，集电极与发射极间的饱和管压降只有0.7V，三极管的集电极电压为：5V-0.7V（二极管压降）-0.7V（饱和管压降）=3.6V，与这一个三极管连接的数码管就被选中；3-8译码器的其它位输出高电平，三极管处于截至状态，集电极为低电平，相应的数码管不被点亮，所以三极管在这里起到了开关的作用。

其次送断码：选中数码管后，单片机就可以通过串行口将要在该位数码管上显示的数的段码送入锁存器74HC164。由于74HC164的最高输出电压可达电源电压，而数码管中的发光二极管的最大电流为20MA，所以要在其输出端加限流电阻，其大小为：VCC÷Imax≈200

显示模块的硬件电路如图5。

5.其它电路

（1）电源电路

（2）单位显示部分电路

P1口可输出达20MA的电流，所以可以直接驱动发光二极管。一般发光二极管工作电流取10毫安，最多不超过20毫安，P1口输出最大电压为2.4V，所以可计算得限流电阻为：2.4V÷20MA≈100，电路如图7。

（3）滤波电路：

为滤除各芯片内的噪声，可在每个芯片的电源和地之间接入滤波电容。

至此，单元电路已设计完毕，可得到频率计的硬件电路，如图8。

6.总结

此数字频率计单元电路的设计，通过测试，很好地达到了预期目标，符合设计要求。

参考文献

[1]张永瑞，刘振起等.电子测量技术基础[M].陕西：西安电子科技大学出版社，1994年12月.

[2]张毅刚，彭喜元等.新编MCS-51单片机应用设计[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2003年7月.

[3]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002年5月，

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004年4月.

[5]王廷才.电子线路辅助设计PROTEL99SE[M].北京：高等教育出版社，2004年8月.

篇10

【关键词】电气；控制线路；设计

随着社会不断的发展，人们越来越需要使用大量的电气控制设备，电气控制设备的使用需要电力系统的支持，优化电气控制线路设计就是优化电气控制设备使用的电力系统设计，只有优化电气控制设备，电气控制设备才能正常的使用。

1电气控制线路设计基础的原则

1.1标准化原则

应用标准化原则进行设计的目的有两个：（1）便于工作人员进行管理和维修，如果设计方法或使用的设备不标准，那么工作人员进行维修时，就需要花费大量的时间、精力来探索线路的设计原理及内在机理，这不利于工作人员开展电气控制线路的维护及管理工作。（2）便于拓展，如果设计的线路或使用的设备不标准，后续进行拓展可能会存在难题，比如工作人员要升级换代设备，可能会出现购买不到相应设备的问题。

1.2经济化原则

电气控制线路既要具有拓宽性，又要具有经济性。电气控制线路设计的内容包含电力输送、电力输送控制、电力能源供给这三项内容的设计。三项内容的设计都必须满足经济化的原则，否则电力控制系统在应用时会耗费大量的能源，从而既带来自然能源消耗多的问题，又带来电力控制系统使用耗费成本大的问题。

1.3稳定性原则

电气控制线路必须具有稳定性。这是因为如果电气线路稳定性不足，不仅会给用户带来不良的体验，还会引发各种安全事故。比如断路会引发火灾事故，电压过高会带来人生安全事故等，电气控制线路设计要优化线路设计方案确保电气控制系统的运行安全。

2电气控制线路设计基础的方法

2.1设计理念

设计理念的核心为简化线路。如果线路过于复杂，会带来以下的问题：（1）成本损耗的问题，线路越长，意味着电力输送时，能耗消耗得越多，无论从环保的角度，或从节省成本的角度，都应尽可能缩短输电线路。（2）智能判断的问题，如果线路分叉过多，线路判断可能易出现故障，为此，应尽量避免出现线路交叉、循环、寄生等问题。（3）线路耦合的问题，线路传输时，会产生电磁场，虽然线路外会套上绝缘管套，避免电磁场造成的干扰，但是由于种种原因，干扰的问题还是不可避免的，如果线路过于复杂，就会出现电磁干扰严重的问题。综合以上的原因，电气控制线路要尽量简单。

2.2设计方法

2.2.1设计内容电气控制系统设计的内容主要包括两个方面：（1）与控制对象有关的内容，它包括设备的类型、型号、容量等。（2）根据控制的需求设计控制线路、电器元件、设计电气原理图、地装图、互连图。以上的设计过程要依序进行，顺序如下：分析控制对析，分析电气设计任务书确定传输方式及控制方案选择电动机设计电气原理图列出电器元件清单设计操作系统计控制方法控制元件绘制安装图及位置图编写一系列操作文本。2.2.2设计条件确定设计内容后，要让设计条件一一齐备，为后续的设计打好基础。电气设计的条件如下：设计供电系统，让电压、频率、容量、电流等条件满足后续的设计要求，这是电气控制系统设计的基础；确定操作需要的元气件设备，它们是操作系统设计的对象；设计操作系统，以PLC为例，要设计PLC的输入控制、输出控制、安全系统等，这是电气控制系统设计的依据；设计电力拖动数据，包括电力设备的数量、负荷、调速、控制等方案，为电气控制系统设计提供数据依据。确定以上设计条件后，绘制电气控制系统设计图，标明每项内容的参数。2.2.3设计要点结合设计原则完成线路设计；结合项目差异性进行设计，部分电气控制系统通用性较强，可以依照常规的设计方案来设计；部分电气控制系统有特殊的要求，需要依照特殊的需求作专门的设计；控制的复杂程度影响线路的设计，线路的设计必须满足控制的需求；在满足项目功能需求的前提下，要考虑线路设计的工艺性。

3电气控制线路设计基础的要点

3.1负荷的设计

负荷的设计是电气控制线路设计的重点。比如如果一味加大电气控制线路的负荷量，那么虽然一定能满足用户的需求，但是却会损耗大量的电能，带来电力使用成本增加的问题；在设计负荷量的时候，如果设计负荷过小，则会出现各种使用故障，甚至带来安全隐患。在设计电气控制线路时，要在满足需求的基础上，结合拓展性，合理的设计线路负荷。负荷设计的要点为：以电气控制线路需求为基础，在分析电源能源需求总量、电力输送损号、元器件使用及拓展的基础上，科学的设定负荷。

3.2线路的设计

线路的设计包含稳定性与安全性两方面的内容。线路应从简化线路、电气控制线路对稳定性和安全性要求极高，这是由于电气控制线路如果出现故障，会影响电气设备运作的缘故，为此，电气设计人员要从整体设计上保持电气控制的安全性。比如当电气控制系统出现故障以后，电气线路需能自动闭合出现故障的线路，让整个系统能正常运行；或者线路能自动闭合出现故障的线路后，开启另一条线路，让整条线路依然能成为一条闭合线路。线路设计是否稳定和安全决定了电气控制线路设计的实用性。

3.3调频的设计

有些电气设备在运行时，运转的速度会发生变化，如果只有一条线路，就不能满足电气设备的调频需求，为了发挥设备的调频功能，电气控制线路也要具有调频性。电气控制线路可以应用将设备分级的方式完成调频。即设备提出一个调频需求后，线路可立即切换到满足设备运行的电气线路上。

4总结

电气控制线路设计的方案是灵活多变的，然而它的设计也有其规律性。设计人员要把握电气控制线路设计的原则，优化设计的方法、强化设计的要点，只有把握好这三方面的设计内容，才能设计出合理的电气控制线路。

参考文献

[1]唐亦敏.电气控制线路设计的相关问题及解决策略[J].电子技术与软件工程,2014(16).

[2]刘鹏羽.电气控制线路的设计方法探析[J].黑龙江科技信息,2013(04).