直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計精選(九篇)

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第1篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

關(guān)鍵詞: 仿真 電源 Protel 99

中圖分類號: TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 1007-3973 (2010) 04-066-01

1 前言

直流穩(wěn)壓電源是能夠保證在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載發(fā)生變化時,輸出穩(wěn)定的電壓的常用的電子設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制及測量領(lǐng)域中。故設(shè)計、制造一個低紋波、高精度的直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。采用電路設(shè)計仿真工具對直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計理念和輸出進(jìn)行仿真驗(yàn)證是提高設(shè)計質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期的有效手段,在電源設(shè)計工作中有著重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

仿真即對所設(shè)計的電路板進(jìn)行電器特性的分析,檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計者的要求。如果沒有防震功能,在設(shè)計階段就無法檢驗(yàn)設(shè)計的好壞,只能進(jìn)行無力的實(shí)驗(yàn),這樣,一旦設(shè)計階段出現(xiàn)重大失誤,那么一切只能重新再來,造成時間和物質(zhì)上的極大浪費(fèi)。對于復(fù)雜的電路設(shè)計來說更是如此??。

Protel 99 SE系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的電路仿真功能,能夠提供模/數(shù)信號的混合電路仿真,本文利用Protel 99 SE軟件模擬設(shè)計并仿真了直流穩(wěn)壓電源電路,理論計算了該電路的主要參數(shù),模擬分析了該電路工作過程,仿真計算了該電路工作狀態(tài),直觀地驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果,并得到相關(guān)結(jié)論。

2 理論分析

直流穩(wěn)壓電源電路如圖1所示,其中仿真信號源為頻率為50Hz,幅值為311V的正弦波信號,三極管電流放大倍數(shù)為205,穩(wěn)壓管D2穩(wěn)定電壓6.8V,其他參數(shù)如圖所示。

圖1 直流穩(wěn)壓電源電路圖

該電路理論計算如下:

(1)輸入電壓:

(2)經(jīng)變比為5:1的變壓器變壓后,變壓器副線圈兩端電壓:

(3)經(jīng)D1全橋整流后,再經(jīng)C1濾波后, 由經(jīng)驗(yàn)公式??估算電路兩端輸出電壓平均值應(yīng)為:

(4)由于穩(wěn)壓管D2穩(wěn)定電壓為6.8V,故三極管基極與集電極電壓即電阻R1兩端電壓為:

(5)三極管工作在線性放大區(qū),故輸出電壓為:

3 計算機(jī)仿真結(jié)果

圖2 輸入波形圖圖3 a、b兩點(diǎn)電位波形圖

圖4 c點(diǎn)電位波形圖圖5 輸出電壓波形圖

由以上分析結(jié)果可以看出:計算機(jī)仿真計算的結(jié)果中圖3與理論計算中的相符合,圖4與理論估算中的相符合,圖5與理論計算中的相符合。

4 結(jié)論

(1)計算機(jī)仿真結(jié)果不但結(jié)果更精確,而且速度非?？?大大減輕了電子線路設(shè)計人員的計算強(qiáng)度,尤其在需要經(jīng)常改變電路元件參數(shù)時或計算復(fù)雜電路時,計算機(jī)仿真計算的快捷、方便、精確的優(yōu)越性就更顯得突出。

(2)利用計算機(jī)方針軟件設(shè)計分析電子線路可以省去很多新產(chǎn)品調(diào)試時間,也可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤,避免浪費(fèi),即節(jié)約了成本有提高了效率。

(3)利用Protel 99 SE軟件對一個電路進(jìn)行仿真時,一般步驟是先放置信號源,再設(shè)置好自己想要仿真的內(nèi)容,最后啟動仿真程序,輸出結(jié)果。

(4)計算機(jī)仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果很接近,直觀的體現(xiàn)了理論計算結(jié)果。因此,計算機(jī)仿真電路的技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

(項目基金:遼寧省教育廳科研項目2009A788)

注釋:

第2篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

伍水梅 廣東省國防科技技師學(xué)院 廣州同和 510515

【文章摘要】

電源是電路的核心，是電子電路制作過程中必不可少的設(shè)備。一個好的直流穩(wěn)壓電源能讓電路制作事半功倍，效果顯著。一般直流穩(wěn)壓電源由變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等幾個部分組成。本文介紹了一種簡單實(shí)用的直流穩(wěn)壓電源的制作。

【關(guān)鍵詞】

直流穩(wěn)壓電源；變壓器；整流；濾波； 穩(wěn)壓；7806

【Abstract】

Power which is the core of the circuit is the essential equipment for making electronic circuit. It will get twice the result with half the effort if a good DC power is supplied for the production of circuit.Generally speaking,DC power supply is mainly composed of transformer, rectifying,filtering and voltage-stabilizing. This article describes a simple and practical construction of DC power supply.

【Keywords】

DC Regulated Power Supply;Transformer; Rectifying;Filtering;Voltage-stabilizing; 7806

0 引言

科技在不斷進(jìn)步，人們對小型電器的需求越來越大，但不管是那種電器設(shè)備， 電源都是必不可少的，而且越是高端的電器，對電源要求越是嚴(yán)格。電源技術(shù)核心是電能變換與處理，廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域，而直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)中常用的儀器設(shè)備之一，幾乎所有家用電器和其它各類電子設(shè)備都在使用直流穩(wěn)壓電源，它占著舉足輕重的位置，是大部分設(shè)備與電子儀器的重要組成部分，是電子科技人員及電路開發(fā)部門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究不可缺少的電子儀器。但實(shí)際生活中通常是由 220V 的交流電網(wǎng)供電， 直流電源需要通過電源系統(tǒng)將交流電轉(zhuǎn)換成低電壓直流電以供給各類電器設(shè)備使用。

直流穩(wěn)壓電源對電路調(diào)試、電路制作有決定性的作用，一個好的直流穩(wěn)壓電源，能讓工作事半功倍。直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)主要由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四部分電路組成，其原理和制作過程比較簡單， 如圖1 所示。本文主要介紹一個能提供+6V、+1A 的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的制作過程。

1 合適變壓器的選擇

變壓器作為一個降壓元件，主要是將初級電壓（市電220V）轉(zhuǎn)換為電路所需壓降。根據(jù)電路要求提供+6V、+1A 的直流電源，所以在選擇變壓器的次級電壓和次級電流時應(yīng)適當(dāng)增大，原則上次級電壓應(yīng)在所需電壓的基礎(chǔ)上多加3V，即次級電壓應(yīng)選6V+3V=9V，而次級電流應(yīng)在所需電流的基礎(chǔ)上乘以1.7 倍，即1.7A ；變壓器的功率P 是初級線圈P1 和次級線圈功率P2 之和的一半，即：

P=（P1+P2）/2，

按照所選擇的電壓可計得：

P2=U2×I2=9×1.7=15.3W

P1=P2/ （0.8 ～ 0.9）=18W

這樣可以選擇變壓器的參數(shù)是功率為18W，初級輸入電壓220V，次級輸入電壓9V。變壓器應(yīng)進(jìn)行基本檢測，如初級、次級線圈的分辨，最常用的方法有兩個： 第一種是根據(jù)線圈電壓與線圈匝數(shù)的比值V1:V2=n1:n2 可知線圈細(xì)的那邊應(yīng)為初級線圈（輸入端）；另一種方法是用萬用表的電阻檔比較兩線圈的電阻值，阻值較大的那一端為初級線圈（輸入端）。

2 整流電路的配備

整流電路的主要作用是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詫⒆儔浩鬏敵龅慕涣麟妷恨D(zhuǎn)換為脈動直流，是直流形成的第一站，它所提供的電壓比最大輸出電壓值

圖4.2 1ms 調(diào)頻周期信號頻譜 要略高，所以在選用四個二極管時要注意耐壓值應(yīng)比變壓器的次級輸出電壓大3 倍以上，耐流值應(yīng)略大于變壓器的次級電流。按照變壓器所取的數(shù)據(jù)：U2=9V、I2=1.7A，所選取的二極管耐壓應(yīng)大于27V，耐流值最小應(yīng)等于變壓器的次級電流。二極管需要承受較大的反向電壓，假如二極管反接，將會造成二極管損壞，電路無法工作等嚴(yán)重后果，因此安裝前要對二極管進(jìn)行檢測，確保極性。二極管的檢測：用萬用表測量二極管的正反向電阻， 根據(jù)二極管的單向?qū)ㄌ匦钥梢暂p易的判斷出小電阻的那次黑筆所接是正極，紅筆所接是負(fù)極；對于外觀完好的二極管也可以從銀色圈圈在哪邊從而判出負(fù)極。

3 選用不同的電容器實(shí)現(xiàn)濾波

濾波電路是利用電容器將整流電路所輸出的脈動直流存在的交流成份濾掉， 使輸出波形變得平滑。不同類型的電容器有著不同特性，在電路中能起不同作用， 因此不同的電路應(yīng)該選擇不同的電容器； 但不管何種電容器，在電路中承受的電壓都不能超過它自身的耐壓值，否則電容器將受到損壞，甚至產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象。根據(jù)變壓器的次級電壓等于9V，選擇電容器的耐壓值應(yīng)為1.42 U2，即13V，電容器的容量應(yīng)為（1500 ～ 2000）I2 （I2 為變壓器次級電流），即電容器可選用3300 ～ 4700μF 的。在本文所設(shè)計的電路中，前面的濾波電容C1 可適當(dāng)選大到3300μF 以上，穩(wěn)壓出來的濾波電容C2 就要相對減小，可選擇幾十微法的。利用萬用表的電阻檔檢測電容的好壞，判斷電容有無短路、斷路和漏電等現(xiàn)象：按電容量的大小用萬用表不同的電阻檔，紅、黑表筆分別接電容器的兩引腳，在表筆接通瞬間觀察表針的擺動，若表針擺動后返回到“∞”，說明電容良好，且擺幅越大容量越大；若表針在接通瞬間不擺動，則說明電容失效或斷路； 若表針在接通瞬間擺幅很大且停在那里不動，說明電容已擊穿（短路）或漏電嚴(yán)重；若表針在接通瞬間擺動正常，只是不能返回到“∞”，說明電容有漏電現(xiàn)象。對電解電容更要分清楚正負(fù)極，避免反接。

4 穩(wěn)壓電路的研制

穩(wěn)壓電路是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載發(fā)生變化時，能使輸出電壓保持穩(wěn)定的電路。根據(jù)電路的連接方式可分為并聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源和串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。并聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源所用元器件少，較經(jīng)濟(jì)；輸出短路時元器件不易損壞，但效率低，調(diào)壓范圍小，負(fù)載變化容易引起輸出電壓的變化，適用于負(fù)載電流變化不大或極易發(fā)生短路的場合。相比之下串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源可用在負(fù)載變化較大，穩(wěn)壓性能要求較高，輸出電壓可調(diào)等場合，所以建議安裝串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源。常用的穩(wěn)壓元件有穩(wěn)壓管、LM317、CW78××× （CW79×××）。

穩(wěn)壓管是特殊加工而成的二極管，和普通二極管一樣具有單向?qū)ㄌ匦?，主要工作于反向擊穿區(qū)，起穩(wěn)壓作用，通常并在負(fù)載兩端使用。當(dāng)它兩端所加的反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓時，管子導(dǎo)通，電流急劇上升，達(dá)到穩(wěn)壓效果。只用穩(wěn)壓管工作的穩(wěn)壓電路一般較簡單，性能也較差， 適用于輸出電流不大，穩(wěn)壓要求不高的場合。為改善穩(wěn)壓效果，穩(wěn)壓管常會和復(fù)合管一起用，但穩(wěn)壓效果還是不理想。

LM317、CW78×××（CW79×××） 同屬三端集成穩(wěn)壓器，都是將穩(wěn)壓電路通過半導(dǎo)體集成技術(shù)壓制在一塊半導(dǎo)體芯片中形成集成穩(wěn)壓電路[9]。LM317 是一種常用的三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，輸出電流為1.5A，輸出電壓可在1.25 － 37V 之間連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)整使用方便。CW78××× 系列為輸出正電壓的固定式三端穩(wěn)壓器， CW79××× 系列為輸出負(fù)電壓的固定式三端穩(wěn)壓器，兩者都包含了輸入、輸出、公共接地端三個引出端，具有限流和熱保護(hù)的功能，且根據(jù)后序××× 不同各有不同的的輸出電壓和輸出電流，第一個“×” 代表額定電流--- 字母L 表示輸出電流為100mA，字母S 表示輸出電流為2A， 沒有字母表示輸出電流為1A ；后面兩個×× 表示額定電壓---05 表示額定電壓為5V，12 表示額定電壓為12V，如此類推。根據(jù)要求，本文選用7806 集成穩(wěn)壓器（如圖5 所示），其額定電壓+6V，輸出電流1A ；若是79S12 則額定電壓為-12V，輸出電流2A。在使用所選IC 前，應(yīng)注意區(qū)分7806 的三個管腳和判斷其好壞。區(qū)分管腳時可將三端穩(wěn)壓器正面豎起來面對自己， 從左到右依次為輸入端、接地端、輸出端， 使用加電壓法測試三端穩(wěn)壓器好壞，在7806 的1 腳和2 腳按極性加上直流電壓（9—35V），用萬用表測3 腳和2 腳的電壓， 如果所測電壓數(shù)值與穩(wěn)壓值相近（大小不超出2V），則說明穩(wěn)壓器性能好。

5 附加電路的選用

根據(jù)電路的要求不同，也為了讓電路能更好的工作，可以在原電路的基礎(chǔ)上增加一些冗余電路，如電源指示電路，輸出電壓顯示電路，散熱電路等。

當(dāng)電路完成后應(yīng)重新檢查一次所有元器件，如二極管的方向、電解電容的極性、集成電路的各管腳等，在檢查無誤后則可以進(jìn)行通電調(diào)試，接通開關(guān)后若指示燈顯示正常，則+6V、1A 直流穩(wěn)壓電源即可正常使用，其原理圖如圖2 所示。

6 結(jié)束語

通過對直流穩(wěn)壓電源的分析制作，總結(jié)出直流穩(wěn)壓電源的制作應(yīng)從選材入手， 根據(jù)電路要求進(jìn)行電路設(shè)計。只要認(rèn)真扎實(shí)的進(jìn)行制作，就能從中悟出很多有關(guān)直流穩(wěn)壓電源的制作技巧，使一些積累問題迎刃而解，推導(dǎo)出開關(guān)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路、輸出正負(fù)電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路等的制作，提高創(chuàng)作水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 田智文. 一種帶有保護(hù)電路的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2011

[2] 孟祥印，肖世德. 基于先進(jìn)集成電路多輸出線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計[J]. 微計算機(jī)信息，2005，21（1）： 154-155，180

[3] 金釗. 直流穩(wěn)壓電源的性能測試與優(yōu)化[D]. 威海：山東大學(xué)，2012

第3篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓 三端穩(wěn)壓器 CW7805

在電子電路設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，目前，很多直流穩(wěn)壓電源都是采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理，即通過調(diào)整輸出端取樣電阻支路中的電位器來調(diào)整輸出電壓的范圍。

1 設(shè)計任務(wù)和要求

輸出電壓： UO= +5V UO= 0 ～ +12V （兩組電壓不能同時輸出）

輸出電流：IO= 0 ～ 500mA

2 電路的確定

整流器件采用硅橋，數(shù)字濾波器采用大容量的電解電容和小容量的有機(jī)薄膜電容器，穩(wěn)壓電路選擇用集成穩(wěn)壓器組成串聯(lián)電路。

3 設(shè)計方案

電路圖如圖1所示：

在圖1中，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)S投向“固定”時，此穩(wěn)壓電路就通過三端穩(wěn)壓器CW7805輸出+5V電壓，是一個固定輸出的直流穩(wěn)壓電源；

當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)S投向“可調(diào)”時，此時輸出電壓為：

UO=UXX+（UXX/R1+ID）×RPUZ （1）

式（1）中：UXX ― 所用集成穩(wěn)壓器標(biāo)稱輸出電壓值，此處為+5V

UZ― 硅穩(wěn)壓管電壓，值為-5V，加穩(wěn)壓管是為了可調(diào)輸出從0V開始

ID― 集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流

R1，RP ― 為適應(yīng)固定輸出改為可調(diào)輸出而設(shè)置的外接取樣電阻和電位器

式（1）中，UZ= UXX，輸出電壓可寫成：

UO=UXX+（UXX/R1+ID）×RP

UO與RP成正比，即在RP= 0時，輸出電壓UO= 0 V，隨著RP阻值的增大，輸出電壓UO亦提高，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓從0 V起的可調(diào)。

4 元件選擇與電路參數(shù)的計算

4.1 選擇集成穩(wěn)壓器

CW7805的起點(diǎn)參數(shù)典型規(guī)范值為：

輸入直流電壓UI= 10V

輸出直流電壓 UO= 5V

4.2 確定輸入電壓

（1）當(dāng)輸出電壓最低時，此時加于CW7805輸入，輸出兩端之間的電壓最高，但不得超過允許值，即UI UOmax< 35V。

（2）當(dāng)輸出電壓最高時，此時加于CW7805輸入，輸出兩端之間的電壓最低，但要穩(wěn)壓器正常工作，即 UI UOmax > 2V。

結(jié)合設(shè)計的具體要求，選UI= 15V。當(dāng) UO= 0V時，UI UO = 15V，穩(wěn)壓器輸入，輸出端之間的電壓為超過允許值；當(dāng)UO= 12V時， UI UO= 3 V，穩(wěn)壓器亦能正常工作。

4.3 確定變壓器次級電壓有效值U2，U3

采用橋式整流電容濾波電路，則輸出電壓：

U2=（1.05 ～ 1.1）UI/1.2

得U2= 13.125V 取 U2= 14V

同理，取U3 = 5 V

4.4 選擇硅橋

在圖2中，根據(jù)橋式整流電容濾波電路的輸出電壓公式：

（1）硅橋（Bridge1）的耐壓值為：

URm1= U21.4×14V = 19.6V

硅橋的額定電流為 ：

ID= 1/2×I0max=1/2×500mA=250mA

由此，可選用500mA＼50V的硅橋

（2）硅橋（Bridge2）的耐壓值為：

URm2==7V

硅橋的額定電流為 ：

ID= 1/2×I0max=1/2×500mA=250mA

由此，可選用500mA＼14V的硅橋

4.5 確定濾波電容C1

取RLC1≥ 3 ×T/2，則有：

C1≥ =0.003F （T為交流電網(wǎng)電壓的周期）。

選取C1和C4為3300uF/25V的鋁電解電容器

4.6 確定外接取樣電阻R1

取樣電流IR1≥（3 ～ 5）ID，取IR1= 3ID，

則：R1=UXX / IR1=5V/3×3.2mA≈0.521K

可取R1= 510?

4.7 選擇可調(diào)電位器RP

當(dāng)RP的下端不接-5V輔助電源，而直接接地時，可得：

U0= UXX+ （UXX/R1+ ID） ×RP

RP=（U0- UXX）/ （UXX/R1+ ID）≈0.538K

所以，可取RP 為600?的可調(diào)電位器。

4.8 確定R2

2CW13是硅穩(wěn)壓二極管，最大工作電流 IZM=38mA，穩(wěn)定電壓UZ=5.5～6.5V，R2為限流電阻，有： R2=UZ / IZM

R2范圍為140?～ 170?，可取R2=150?。

4.9 C2，C3的選取

電路中C2，C3是為減小紋波，消除自激振蕩而設(shè)立的。

C2=C3=C5= 0.1 ～ 0.33uF

4.10 -5V輔助硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的設(shè)計

為抵消+5V而設(shè)置的-5V輔助硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。

5 結(jié)論

本設(shè)計是一個直流穩(wěn)壓電源，可以不同時輸出兩組電壓（+5V和0～+12V），電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但在輸出0～+12V時，用電位器對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于電位器阻值的非線形和調(diào)整范圍窄，使直流穩(wěn)壓電源難以實(shí)現(xiàn)輸出的電壓的精度調(diào)整。在穩(wěn)壓器公共端電流 變化時，輸出電壓會受到影響，為進(jìn)一步改善電路，可以在實(shí)用電路中加電壓跟隨器，將穩(wěn)壓器與取樣電阻隔離。

參考文獻(xiàn)

[1]張友漢著.電子線路設(shè)計應(yīng)用手冊[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2007（07）.

[2]楊欣，王玉鳳主編.電路設(shè)計與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006（04）.

[3]黃繼昌主編.電子元器件應(yīng)用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2004（07）.

[4]童詩白，華成英主編.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001（01）.

作者簡介

李翠翠（1983-），女，陜西省咸陽市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為西安汽車科技職業(yè)學(xué)院助教。研究方向?yàn)槠囯娮蛹夹g(shù)。

第4篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

關(guān)鍵詞:電渦流測功機(jī);直流線性穩(wěn)壓;二級電壓控制;模擬故障

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-189-04

New Type of High-power Linear DC Voltage-stabilized Power

Source in Eddy Current Dynamometer

ZHANG Xukai,ZHANG Wenming,ZHOU Haiyong

(Shanghai Internal Combustion Engine Research Institute,Shanghai,200438,China)

Abstract:A new type of power source used for excitation voltage control in eddy current dynamometer in designed.Based on the SCR rectification circuit and analog technology,using the fully three phase position controlled bridge of SCR and power MOSFET regulation to output linear DC voltage.Over-load protection circuit,open-phase protection circuit and thermal-shutdown circuit are designed for equipment reliability.Experimental results show that the equipment can output linear DC voltage and the voltage stablilty fulfil the needs of eddy dynamometer.The equipment also can quickly shutdown when at fault status such as over-loads,open-phase and overheat.The power source designed by the fully three phase position controlled bridge of SCR and power Mosfet regulation can fulfil the needs of voltage of eddy dynamometer.

Keywords:eddy dynamometer;DC linear voltagecd

stabilized;secondary voltage control;analog fault

測功機(jī)是發(fā)動機(jī)臺架檢測系統(tǒng)中重要的組成部分,用于測量發(fā)動機(jī)的有效功率。對測功機(jī)來講,為了滿足發(fā)動機(jī)所有轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況,并且可以平順且精細(xì)地調(diào)節(jié)負(fù)荷,需要一個穩(wěn)定的加載器來滿足發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)的要求,需要對加載器提供穩(wěn)定且可線性變化的電源。在電渦流測功機(jī)中,需要對勵磁電機(jī)提供的直流電源進(jìn)行驅(qū)動,以完成發(fā)動機(jī)臺架檢測。

由于電渦流測功機(jī)勵磁電機(jī)要求磁場恒定,故要求電源提供的負(fù)載電壓恒定不變,而且磁場一般都是穩(wěn)定的,還要求有較好的電壓穩(wěn)定度,即要求即使輸入電壓發(fā)生一定變化時,輸出電壓應(yīng)保持不變。

為了達(dá)到平順調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的,輸出電壓應(yīng)有適當(dāng)?shù)木€性調(diào)節(jié)范圍,并且還要有一定的保護(hù)措施。根據(jù)設(shè)計需要,該電源輸出電壓的變化范圍為0～180 V,要求最大負(fù)載功率為5.4 kW,輸出電壓穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于1%。

1 工作原理

由于要求的電壓調(diào)節(jié)范圍較寬,要求的功率較大,目前電渦流測功機(jī)勵磁加載電源采用較多的方法是可控整流器,在此通過控制晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)壓。其工作原理是對晶閘管的控制極進(jìn)行控制,通過改變晶閘管的導(dǎo)通角,可以在輸出端獲得平均值和有效值都隨導(dǎo)通角變化而變化的直流脈動電壓。采用該原理設(shè)計的電源可以達(dá)到很高的輸出功率,但是電壓穩(wěn)定性差,而且控制呈顯著的非線性,不適合電渦流測功機(jī)對電壓的要求。因此,該電源采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調(diào)整兩個控制環(huán)聯(lián)合控制的方法,使輸出電壓可以滿足大功率、高穩(wěn)定度和可寬范圍線性調(diào)節(jié)的要求。

1.1 系統(tǒng)方框圖

由于該電源要求功率較大,并且對電壓穩(wěn)定度也有較高的要求,所以采用如圖1所示的電源方框圖。

1.2 可控整流原理

如圖2所示,通過控制晶閘管的導(dǎo)通角,可以在整流電路輸出端獲得隨控制電壓變化的電壓。

可控整流電路是指在輸入交流電壓的波形和幅值一定時,輸出電壓的平均值可以通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用可控整流電路可以提高變壓器的初、次級利用率,具有較大的功率因數(shù)和較小的脈動率,因此選作為主回路。

由于采用整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路構(gòu)成兩級控制環(huán)。因此選擇對整流濾波電路要考慮兩點(diǎn):考慮調(diào)整管的工作狀態(tài),確保調(diào)整管能工作在線性放大區(qū);考慮交流電網(wǎng)波動的影響。交流電網(wǎng)的波動會反映到整流濾波電路的輸出電壓上。按照國家有關(guān)規(guī)定,在沒有特定說明的情況下,一般按變化±10%來考慮。這就要求當(dāng)電網(wǎng)電壓變化±10%時,調(diào)整管要處于線性放大區(qū),從而使穩(wěn)壓電路能保持正常工作。在該電源設(shè)計中,由于負(fù)載容量較大,使用單相電源會造成三相電網(wǎng)的不平衡,影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常工作,所以采用的是三相橋式全控整流調(diào)節(jié)方式。三相可控整流的脈動頻率比單相高,紋波因數(shù)顯著低于單相。三相全控橋式整流電路電路可以在負(fù)載上得到比三相半控橋式整流電路更為均勻的波形。

采用市場上常見的三相整流功率模塊,集成了晶閘管三相橋式整流電路以及觸發(fā)電路,通過對模塊的輸入電壓進(jìn)行控制,即可完成整流與調(diào)相功能。通過在功率模塊輸入端連接三相隔離變壓器,將輸出電路與交流輸入隔離。隔離變壓器具有電壓變換功能及有源濾波抗干擾功能。隔離變壓器在交流電源輸入端的特點(diǎn)為: 若電網(wǎng)三次諧波和干擾信號比較嚴(yán)重,采用隔離變壓器,可以去掉三次諧波和減少干擾信號;

采用隔離變壓器可以產(chǎn)生新的中性線,避免由于電網(wǎng)中性線不良造成設(shè)備運(yùn)行不正常;非線性負(fù)載引起的電流波形畸變(如三次諧波)可以隔離而不污染電網(wǎng)。

隔離變壓器在交流電源輸出端的特點(diǎn)為:防止非線性負(fù)載的電流畸變影響到交流電源的正常工作及對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,起到凈化電網(wǎng)的作用;在隔離變壓器輸入端采樣,使得非線性負(fù)載電流的畸變不影響取樣的準(zhǔn)確性,得到能反應(yīng)實(shí)際情況的控制信號。

對于小功率或者中等功率的使用場合,可以采用單相橋式半控的方法作為其整流主回路。電路組成可以選擇晶閘管模塊作為主回路,使用KC04芯片作為晶閘管模塊的移相觸發(fā)電路。通過調(diào)節(jié)KC04的控制電壓控制晶閘管的導(dǎo)通角,從而得到隨控制電壓變化的直流脈動電壓。

1.3 串聯(lián)反饋晶體管電路

可控整流輸出的電壓經(jīng)電容整形濾波后的電壓仍然具有較大的紋波,波動很大,而且很容易受電網(wǎng)電壓的影響,并且單純控制晶閘管的導(dǎo)通角得到的輸出電壓呈明顯的脈動和非線性。這就要求系統(tǒng)在可控整流電壓輸出端添加串聯(lián)反饋調(diào)整電路,使輸出電壓達(dá)到設(shè)計要求。其穩(wěn)壓原理是調(diào)整元件的動態(tài)電阻,它是隨輸出電壓的變化而自動變化的。當(dāng)負(fù)載電阻變小使輸出電壓降低時,調(diào)整元件的動態(tài)電阻便會自動變小,從而使調(diào)整元間兩端的壓降降低,確保輸出電壓趨近原來的數(shù)值。串聯(lián)反饋調(diào)整電路的框圖如圖3所示,包括調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓源和比較放大器等部分。輸入電壓經(jīng)過調(diào)整元件調(diào)節(jié)后,變成穩(wěn)定的輸出電壓,取樣電路與基準(zhǔn)電壓相比較,并把比較后的誤差信號送入放大器,增強(qiáng)反饋控制效果。采用串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電路,輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制,而且各項技術(shù)指標(biāo)均可以做得很高。但是過載能力差,瞬時過載會使調(diào)整元件損壞,需要添加過載保護(hù)電路。

1.4 調(diào)整元件控制電路設(shè)計

在該電源系統(tǒng)中,采用大功率MOSFET作為調(diào)整元器件,與三相橋式移向控制一起組成輸出電壓控制環(huán)。

1.4.1 三相調(diào)壓模塊的控制

由于采用三相調(diào)壓模塊,所以只需對調(diào)壓模塊進(jìn)行控制,即可完成整流輸出功能。盡管三相模塊中控制電壓與晶閘管的導(dǎo)通角呈線性關(guān)系,如圖2所示,晶閘管的輸出電壓與晶閘管導(dǎo)通角的變化卻呈非線性關(guān)系;同時,為了保證電源功率輸出調(diào)整管集-射級之間的電壓差基本穩(wěn)定,便于控制功耗,提高電源安全性,需要使電源功率調(diào)整管的輸入電壓基本呈線性變化。這里采用對控制電壓進(jìn)行非線性處理后,再輸入到三相整流模塊控制端的方法。控制輸入電壓經(jīng)過二極管后作用到運(yùn)算放大器,利用二極管的非線性特性與三相模塊的非線性進(jìn)行匹配,基本上可以使計算機(jī)輸出的控制電壓與晶閘管整流輸出的電壓呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。電壓輸入/輸出特性如圖4所示,線路如圖5所示。

1.4.2 功率MOSFET的控制

該電源選用功率MOSFET作為調(diào)整元件,為電壓控制型器件,在驅(qū)動大電流時無需驅(qū)動級,具有高輸入阻抗,工作頻率寬,開關(guān)速度高以及優(yōu)良的線性區(qū)。為了保證電源的可靠性與安全性,需要將強(qiáng)電控制部分與弱電控制部分進(jìn)行隔離。在此采用光電耦合器完成地的隔離,具體過程如圖6所示。

MOSFET的控制電壓由計算機(jī)提供,經(jīng)過F/V變換器、光電耦合器、V/F變換器變換后與取樣電路取來的電壓信號同時作用在比較放大器的輸入端,通過與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,比較放大器將輸出相應(yīng)的電壓去控制MOSFET,以穩(wěn)定輸出電壓。由于負(fù)載電流較大,因此MOSFET需采用并聯(lián)連接方式,增加輸出電流,確保在大電流情況下電源的正常工作。并聯(lián)運(yùn)用時,各管的參數(shù)盡量一致,可以在發(fā)射極串聯(lián)均流電阻,利用負(fù)反饋減小電流分配的不均勻。電路如圖7所示。

2 監(jiān)控管理設(shè)計

2.1 電源保護(hù)電路

由于采用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路作為電壓控制環(huán),因此在測功機(jī)發(fā)生短路或者過載時會有很大的電流流過調(diào)整管MOSFET,并且所有輸入電壓幾乎都加在調(diào)整管的集-射級之間,很容易將其燒壞,因此添加保護(hù)電路是必需的。常用的過電流保護(hù)電路有限流型、截止型和減流型。這里采用晶體管截止型保護(hù)電路,其原理是當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值,過電流保護(hù)電路使穩(wěn)壓電源進(jìn)人截止?fàn)顟B(tài),并不再恢復(fù),使穩(wěn)壓電源與負(fù)載得到有效的保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是:這時的電源調(diào)整管功耗為零,最大缺點(diǎn)是:屬沖擊性負(fù)載時,容易誤動作,使穩(wěn)壓電源進(jìn)人過流保護(hù)

狀態(tài),且一旦進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)后,即使過電流狀態(tài)解除,也不能自動復(fù)位。具體線路如圖8所示,當(dāng)電流超過額定負(fù)載時,采樣電阻R4兩端電壓上升,使晶閘管SCR導(dǎo)通,晶體管NPN1導(dǎo)通,NPN2截止,這時MOSFET的柵級輸入電壓(即R3處的電壓)被強(qiáng)制拉底,使MOSFET輸出為零;同時,串聯(lián)在過載保護(hù)線路中的光耦導(dǎo)通,使三相功率整流模塊的控制信號輸入端接地,串聯(lián)反饋穩(wěn)壓線路的輸入電壓為零,起到保護(hù)元件的作用。

由于電網(wǎng)自身原因或者電源輸入接線不可靠,電源有可能會運(yùn)行在缺相的情況下,而且掉相運(yùn)行不易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源缺相運(yùn)行時,整流橋上的電流會不平衡,容易造成損毀,因此必須加入缺相保護(hù)電路,以進(jìn)行缺相保護(hù)。電路原理圖如圖9所示,當(dāng)ABC三相有一相發(fā)生缺相時,其對應(yīng)的電源指示燈熄滅,缺相指示燈亮起,并且通過光耦輸出信號到繼電器驅(qū)動,此時繼電器吸合,將三相功率模塊的控制輸入與地短接,使可控整流輸出為零,起到保護(hù)電源的作用。

2.3 過熱保護(hù)

在電源處于長時間大電流工作狀態(tài)或者工作環(huán)境比較惡劣時,電源的內(nèi)部溫度很高,會影響電源的可靠性。有資料表明,電子元器件溫度每升高2 ℃,可靠性下降10%,這就意味著溫度升高50 ℃時的工作壽命只有溫度升高25 ℃時的1/6。因此,為了避免功率器件過熱損壞,必須對電源的溫度進(jìn)行控制。通過控制MOSFET的管壓降可以控制MOSFET上的功率,從而減少發(fā)熱量,降低溫度的升高。

在電路設(shè)計中增加一個光電耦合器反饋可以完成這個目的,當(dāng)MOSFET兩端管壓降過高時,光耦導(dǎo)通,光耦輸出信號反饋至三相調(diào)壓模塊的控制輸入,使其輸出的控制電壓降低,從而降低MOSFET兩端的管壓降,在保證電源正常工作的前提下,使MOSFET的功率保持在額定范圍以內(nèi)。

當(dāng)使用環(huán)境較為惡劣或者出現(xiàn)電路故障時,即使對MOSFET兩端電壓進(jìn)行控制,MOSFET的管芯也可達(dá)到很高的溫度,這就需要對MOSFET進(jìn)行散熱處理,并在MOSFET附近安裝溫度繼電器;當(dāng)溫度高于溫度繼電器的額定值時,溫度繼電器導(dǎo)通,通過一個光耦將導(dǎo)通信號傳遞到三相功率模塊的輸入端,使其輸入為零,從而使電源功率調(diào)整管的輸入電壓為零,起到保護(hù)調(diào)整元件的作用。當(dāng)溫度回到正常時,電路可自動恢復(fù)工作。

各種保護(hù)電路與主回路的關(guān)系如圖10所示。

3 結(jié) 語

經(jīng)連續(xù)負(fù)載試驗(yàn),該設(shè)備各項指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。經(jīng)過不斷的完善和改進(jìn),使其性能穩(wěn)定,工作可靠。采用晶閘管三相橋式移相控制和功率MOSFET調(diào)整兩個控制環(huán)聯(lián)合控制,可以有效提高電源的穩(wěn)定度,降低電源的紋波;采用三相隔離變壓器接入電網(wǎng),可以提高電源的安全性,降低對電網(wǎng)功率的要求;采用集成三相功率調(diào)壓模塊,減少了電路的復(fù)雜程度;通過添加各種保護(hù)電路,在設(shè)備出現(xiàn)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)時,及時切斷三相輸入,保護(hù)元件不受到損壞。由于采用截止型保護(hù)電路,電源不能自動復(fù)位,所以在環(huán)境條件允許的情況下,可以采用開關(guān)型過電流保護(hù),解決了限流型的高功率損耗,減流型的鎖定效應(yīng)和截止型的手動復(fù)位等問題。該電源主要用于需要大功率線性調(diào)壓的場合,也可用作大功率高穩(wěn)定度線性穩(wěn)壓電源使用。

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第5篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

所謂項目驅(qū)動教學(xué)法是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)之上的教學(xué)法,學(xué)生綜合素質(zhì)和各種能力的提高都需要通過項目驅(qū)動教學(xué)模式來實(shí)現(xiàn)。該教學(xué)方法要求在教學(xué)過程中以項目為主線來展開,把相關(guān)的知識點(diǎn)融入到項目的各個環(huán)節(jié)中去,層層推進(jìn)項目。通過對問題的深化或功能擴(kuò)充,來拓寬知識的廣度和深度,直至得到一個完整的項目解決方案,從而達(dá)到學(xué)習(xí)知識、培養(yǎng)能力的目的。項目驅(qū)動教學(xué)法屬探究式教學(xué)法,老師根據(jù)學(xué)生已有的知識、水平、經(jīng)驗(yàn)和興趣,與學(xué)生共同擬定、實(shí)施一個項目來進(jìn)行教學(xué)活動。在教學(xué)實(shí)施過程開始,教師引導(dǎo)學(xué)生選定“有意義”的項目,所謂“有意義”是指項目能夠?qū)⒄n程中的理論知識融入到項目中并具有開放性;在項目實(shí)施過程中,老師在課堂教學(xué)中將融于項目的理論知識適當(dāng)加以講解,學(xué)生可以在項目實(shí)施過程中用理論指導(dǎo)實(shí)踐,同時在實(shí)踐過程中強(qiáng)化對理論知識的理解和掌握,兩者有機(jī)結(jié)合,既能提高學(xué)生的興趣,又可以在制定修改設(shè)計方案、分工協(xié)作中鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,極大地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。在項目完成的基礎(chǔ)上,可以引導(dǎo)學(xué)生對項目進(jìn)行總結(jié)、交流和討論,強(qiáng)化項目實(shí)施過程中學(xué)到的知識和技能,不但如此,可以引導(dǎo)學(xué)生在已實(shí)施項目上提出新問題、優(yōu)化性能、擴(kuò)充功能,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神,挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力。

二、項目驅(qū)動教學(xué)法在模擬電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

本文以直流穩(wěn)壓電源為例,介紹項目驅(qū)動法在模擬電子技術(shù)課程中的應(yīng)用,該方法可以推廣到該課程中的其它知識點(diǎn),如功率放大電路、信號處理和信號產(chǎn)生電路等。

(一)項目的選擇。項目的選擇在項目驅(qū)動教學(xué)法中起著舉足輕重的作用,項目選擇要遵循以下原則:一是盡可能覆蓋直流穩(wěn)壓電源涉及的所有知識點(diǎn),如整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等,項目完成后學(xué)生能理解和掌握直流穩(wěn)壓電源所涉及所有理論知識,掌握運(yùn)用這些理論知識的技能;二是項目要具有開放性,主要體現(xiàn)在項目的可拓展性,學(xué)生能夠在已完成的項目上開展進(jìn)一步的研究工作,包括性能的優(yōu)化、功能的擴(kuò)展等,如穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換效率的提高、穩(wěn)壓性能的提高等。在項目的實(shí)施過程中,學(xué)生可以充分發(fā)揮其主觀能動性,增強(qiáng)團(tuán)隊協(xié)作能力,培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神和協(xié)作精神。三是選擇實(shí)際的工程項目,可以鍛煉學(xué)生從事工程項目開發(fā)能力,畢業(yè)后無需崗前培訓(xùn)直接擔(dān)任設(shè)計開發(fā)任務(wù),從而拓寬學(xué)生畢業(yè)就業(yè)渠道。按照以上原則,選擇直流穩(wěn)壓電源作為項目開展教學(xué)活動。在課程中的其它知識點(diǎn),也可根據(jù)以上原則選擇合適的項目,如在功率放大電路中選擇擴(kuò)音器作為項目、信號處理和信號產(chǎn)生中選擇信號發(fā)生器作為項目等。

(二)項目的實(shí)施。項目驅(qū)動教學(xué)法中項目實(shí)施遵循層層推進(jìn)的原則,按“搭積木”的方法,將項目分解成不同層次的小項目,每個小項目包含在不同知識點(diǎn)里,由不同的理論知識進(jìn)行指導(dǎo),由淺入深、由小到大,該章節(jié)課程結(jié)束時項目也就完成了。在整流濾波課程結(jié)束后,項目小組可以利用該章節(jié)所學(xué)的理論知識作為指導(dǎo),討論如何實(shí)現(xiàn)整流濾波環(huán)節(jié),以整流電路為例,項目小組要確定選用單向半波、全波還是橋式整流或倍增整流,在確定了電路種類后要選擇元件,確定元件必須具備的功能和性能,搭建電路后,要進(jìn)行性能測試,測試的結(jié)果與理論計算值進(jìn)行比較,分析產(chǎn)生差異的原因,尋找改進(jìn)的措施。在整流電路設(shè)計完成后,進(jìn)行濾波電路的選擇和設(shè)計,討論采用電容濾波還是電感濾波,各有什么優(yōu)勢,如果采用電容濾波,電容的取值應(yīng)該多大、耐壓性如何,紋波電壓多大等,設(shè)計完成后進(jìn)行測試,將測試結(jié)果與理論值比較并進(jìn)行相應(yīng)的處理。經(jīng)過整流濾波后的電壓值還不能夠給精密度較高的電子設(shè)備供電,因此需要進(jìn)一步穩(wěn)壓,這正是整流濾波后續(xù)課程內(nèi)容,在這部分課程結(jié)束后,項目小組就可以討論穩(wěn)壓電路方案,將所學(xué)的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中,確定采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路還是集成穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,或設(shè)計兩種方案并進(jìn)行對比,方案確定后選擇元器件搭建電路并進(jìn)行測試,以此類推,在課程結(jié)束時完成項目。

(三)討論和總結(jié)。項目完成后,各項目小組將項目過程中形成的設(shè)計方案、圖紙、電路系統(tǒng)整理后,結(jié)合項目的心得體會撰寫項目報告,在班級進(jìn)行成果展示并匯報,其他小組成員可以對該組的項目展開討論,/，！/如設(shè)計方案是否得當(dāng),元器件的選擇是否合理,是否考慮了功能、性能和經(jīng)濟(jì)性要求等,項目小組可根據(jù)其他同學(xué)的建議對項目進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

(四)項目的拓展。項目的基本功能實(shí)現(xiàn)后,學(xué)生能夠較好地掌握了直流穩(wěn)壓電源的基本知識,利用基本知識開展直流穩(wěn)壓電源設(shè)計的基本技能,該章節(jié)的教學(xué)任務(wù)也就基本完成,取得較好的教學(xué)效果,在此基礎(chǔ)上可以鼓勵學(xué)生進(jìn)一步對已完成項目進(jìn)行功能和性能的拓展。老師可引導(dǎo)學(xué)生對項目提出新要求,如功能上的擴(kuò)展:不可調(diào)單向電壓輸出擴(kuò)展為可調(diào)雙向電壓輸出;性能上的擴(kuò)展:電壓穩(wěn)定性的提高、電源轉(zhuǎn)換效率的提高等,通過功能和性能的拓展,可進(jìn)一步開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,挖掘他們的創(chuàng)造潛力。

三、項目驅(qū)動法在模擬電子技術(shù)教學(xué)中取得的成效和存在的問題及對策

(一)取得的成效。將項目驅(qū)動法應(yīng)用于模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中,取得了以下成效:

1.學(xué)生對模擬電子技術(shù)課程產(chǎn)生濃厚的興趣,學(xué)習(xí)效率得到明顯的改善。一方面一改以往課堂上無精打采的狀態(tài),課堂氣氛變得活躍,與老師的互動明顯增加,因此學(xué)生的學(xué)習(xí)效率提高了,老師的積極性和效率也得到提高,形成了良性循環(huán),使課堂教學(xué)效果得到明顯改善;另一方面一改課后作業(yè)敷衍了事的狀態(tài),項目組成員分工查閱資料,討論項目方案,加強(qiáng)與老師的交流,課后學(xué)習(xí)的目的性很強(qiáng),有效地提高了課后學(xué)習(xí)的效率。

2.學(xué)生的理論知識和實(shí)踐技能得到系統(tǒng)訓(xùn)練。因項目選擇有針對性,涵蓋了模擬電子技術(shù)的所有知識點(diǎn),學(xué)生全程參與項目實(shí)施的每個環(huán)節(jié),所以學(xué)生的理論知識和實(shí)踐技能能夠得到系統(tǒng)訓(xùn)練。另外,項目的實(shí)施如方案的確定、元器件的選型、電路的設(shè)計、制作和調(diào)試是在理論指導(dǎo)下完成的,

使得學(xué)生所學(xué)的理論能夠得到實(shí)際應(yīng)用,而在項目實(shí)施過程中通過查閱資料、討論、老師的指導(dǎo),使得學(xué)生能夠在實(shí)踐中強(qiáng)化對理論知識的理解、掌握和拓展。 3.學(xué)生的工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力得到很大提高。因?yàn)檫x擇的項目都是實(shí)際工程項目,所以項目的實(shí)施完成對于提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力起著很大的作用,同時因?yàn)轫椖康拈_放性特點(diǎn),可以鍛煉和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力,學(xué)生畢業(yè)后無需進(jìn)行崗前培訓(xùn)即可直接上崗?fù)瓿砷_發(fā)任務(wù)。另外,通過項目的實(shí)施,學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神、綜合運(yùn)用知識的能力等都會得到培養(yǎng)。

(二)存在的問題及對策。盡管在模擬電子技術(shù)中進(jìn)行了項目驅(qū)動教學(xué)法的嘗試,并取得了較好的效果。但是要將項目驅(qū)動教學(xué)法全面推廣,最大限度地發(fā)揮其功效,還存在一些問題需要解決。

1.項目驅(qū)動教學(xué)要求老師有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),而教師隊伍中具備這種能力人的比例還不高。針對這個狀況,可以從兩方面開展工作,其一是較強(qiáng)校企科研和項目合作,可以派遣在職教師到企業(yè)掛職,為企業(yè)解決實(shí)際問題的同時鍛煉自己的工程經(jīng)驗(yàn);其二是可以聘請企業(yè)中的資深工程師到學(xué)校擔(dān)任兼職教師。

2.項目選擇的問題。任課教師參與開發(fā)過的項目數(shù)量是有限的,不一定是“有意義”的項目,而且不一定適合教學(xué)。針對這個問題,除了要加強(qiáng)校企合作,多培養(yǎng)雙師型人才,還要按項目選擇的原則認(rèn)真篩選、規(guī)范定題,不斷積累,提高項目的數(shù)量和質(zhì)量。

3.組織能力和協(xié)作精神的培養(yǎng)問題。項目的實(shí)施可以鍛煉項目小組組長的組織能力,培養(yǎng)組員的協(xié)作精神,但如果組長在項目實(shí)施過程中只由一個人承擔(dān),其他組員的組織能力就得不到鍛煉,有可能引發(fā)矛盾,更談不上相互協(xié)作了。針對這個問題,可以采用組員輪流值班的方法解決,即在每個模塊的設(shè)計和實(shí)施過程中由不同組員擔(dān)任組長,可有效地解決組織能力和協(xié)作精神的培養(yǎng)問題。

第6篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

關(guān)鍵詞： 電子技術(shù)教學(xué) EWB軟件 教學(xué)應(yīng)用

電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩部分內(nèi)容，該課程具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，學(xué)習(xí)難度大。尤其高職高專學(xué)生本身學(xué)習(xí)底子薄，往往感到課程內(nèi)容抽象，難學(xué)、難懂。隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來越多的仿真軟件應(yīng)用在電子技術(shù)教學(xué)中，比如EWB、Multisim、Orcad、Proteus等，可以把抽象的概念和理論用具體的圖形和聲音表現(xiàn)出來。上課時利用軟件進(jìn)行仿真演示，可以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，同時掌握各種儀器的使用和電路參數(shù)的測試方法，使課堂的教與學(xué)形成良好互動，有助于強(qiáng)化教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生分析問題、解決問題、創(chuàng)新的能力。

一、EWB仿真軟件

EWB（Electronic Workbench）軟件是專門用于電子電路仿真的“虛擬電子工作平臺”軟件。EWB功能強(qiáng)大，擁有豐富的元件庫和儀器庫。該軟件采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路，而且軟件中的虛擬儀器控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似并可實(shí)時顯示測量結(jié)果。它還能提供多種電路分析方法幫助使用者便捷地分析電路。利用EWB可以將電路的設(shè)計和測試合二為一，極大地提高效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，目前已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中。

二、EWB軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的輔助作用

目前，高職院校正在進(jìn)行“教學(xué)做”一體化的項目教學(xué)法，電子技術(shù)也不例外。在整個項目教學(xué)過程中，以學(xué)生為主體，項目作為載體，教師為主導(dǎo)，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，由簡單到復(fù)雜，由新手到專家，學(xué)習(xí)電路的設(shè)計、制作、調(diào)試和故障排除。

在講解必備的知識點(diǎn)時，教師可以在多媒體教室中分析電路的特性，講解輸入信號或者參數(shù)改變對電路輸出信號的影響，學(xué)生能夠直觀形象地觀察電路的工作情況，了解不同形式電路的功能。使用軟件輔助教學(xué)可將一些不易理解的內(nèi)容在課堂上形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，做到化繁為簡，變抽象為直觀，讓學(xué)生增加感性認(rèn)識，加深對理論知識的理解。

在設(shè)計電路時，由于EWB軟件元件連線簡單，任何一種設(shè)計方案都可以嘗試，學(xué)生的設(shè)計就能真正做到隨心所欲。在設(shè)計過程中，每個學(xué)生都能親自動手接觸電路，利用EWB軟件可以隨意更換元件或設(shè)定參數(shù)，邊連線，邊測試，邊修改，邊分析，直到仿真出滿意的結(jié)果。在項目教學(xué)過程中，利用仿真環(huán)節(jié)，節(jié)省實(shí)訓(xùn)材料、實(shí)訓(xùn)設(shè)備、測試儀器，大大降低實(shí)訓(xùn)成本。

三、EWB軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

EWB軟件仿真的基本步驟為：利用電子平臺搭建電路設(shè)定各元器件的參數(shù)選項選用虛擬儀器儀表設(shè)定仿真分析方法啟動EWB仿真分析仿真結(jié)果。下面通過實(shí)例分析EWB在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用。

1.運(yùn)用EWB軟件實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的仿真

圖1直流穩(wěn)壓電源是模擬電子技術(shù)部分典型項目。大多數(shù)電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源供電，如筆記本電腦、手機(jī)電池等。但市電電網(wǎng)供給的是交流電，這樣就存在一個怎樣將交流電變換為直流電的問題。對于小功率的直流電源，它一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成。圖1中輸入Ui（220V/50HZ）交流電經(jīng)過電源變壓器降壓后得到符合電路需要的交流電壓U■，然后由整流電路變換成方向不變，大小隨時間變化的脈動電壓U■，再用濾波器濾去其交流分量，就可以得到比較平直的直流電壓Uo。在項目教學(xué)過程中，教師提出題目要求，講解必備知識點(diǎn)，然后逐步引導(dǎo)學(xué)生利用EWB軟件實(shí)現(xiàn)整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。

圖1 直流穩(wěn)壓電路

圖2為橋式全波整流電路圖，下面對其進(jìn)行仿真。（1）在EWB元件庫里找到相應(yīng)的電子元器件，移動到工作區(qū)并畫電路圖。（2）對每個元器件設(shè)定型號和參數(shù)值，將示波器兩個測試端分別與變壓器輸出端和硅整流橋電路輸出端相連。設(shè)置示波器的參數(shù)：將時基控制（Time base）設(shè)置為5ms，信號源頻率50Hz。觸發(fā)方式（Trigger）設(shè)置為上跳沿變，A、B兩個通道（channel）幅度值都設(shè)置為10V，就能方便比較整流前后波形變化，雙擊示波器觀察A、B兩個通道波形如圖3所示?？梢姌蚴饺ㄕ麟娐返恼也ㄗ兂煞较騿我坏拿}動直流波形，周期為原理的半個周期。繼續(xù)在電路的基礎(chǔ)上加入濾波電容、穩(wěn)壓電路，最后得到直流穩(wěn)壓電源的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖2 橋式全波整流電路圖

圖3 橋式全波整流電路仿真結(jié)果

圖4 直流穩(wěn)壓電源的仿真

2.運(yùn)用EWB軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字競賽搶答器的仿真

數(shù)字競賽搶答器項目是數(shù)字電子技術(shù)一個很好的實(shí)例，結(jié)合了數(shù)字電子最重要的知識點(diǎn)，包括編碼器、譯碼器、脈沖發(fā)生器、觸發(fā)器、顯示器、按鍵電路等內(nèi)容。上課時，首先給出該項目的內(nèi)容要求，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動，然后教師講解必要的知識點(diǎn)，學(xué)生收集相關(guān)資料，并進(jìn)行分組討論，把相關(guān)的知識點(diǎn)序化，搭建一個基礎(chǔ)模型。教師引導(dǎo)學(xué)生先用EWB軟件設(shè)計簡易的搶答器，然后加入時鐘信號，最后加入編碼器、譯碼器等電路，由易到難地逐步設(shè)計出競賽搶答器，在設(shè)計過程中學(xué)生可以根據(jù)需要自行選擇不同芯片完成設(shè)計任務(wù)。

圖5為74LS175構(gòu)成的簡易四路搶答器，搶答開始時，主持人按下復(fù)位開關(guān)M，74LS175輸出端1Q～4Q全部輸出為零，所有指示燈滅，M接高電平，搶答開始。圖中4號搶答者按下按鍵，4D接收高電平信號，時鐘到來4Q輸出高電平，對應(yīng)4號指示燈亮，表示4號搶答成功，同時4■為低電平“0”，通過邏輯門送出信號鎖住外界時鐘CLK，緊隨其后的其他人由于無時鐘信號按鍵再被按下均無效，指示燈仍保持4號按鍵按下時所對應(yīng)的狀態(tài)不變，直到主持人再次清除信號為止。

圖5 簡易四路搶答器仿真電路

圖6為555定時器構(gòu)成時鐘產(chǎn)生電路，圖5中利用的是仿真軟件自帶的時鐘源，仿真時完全能夠滿足需求，但是在制作具體電路時需要電路本身具有時鐘。在這里利用555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C1充電，以及C1通過R2向555定時器7腳放電使電路產(chǎn)生振蕩，從而得到時鐘信號如圖7所示，輸出的時鐘周期由R1、R2、C這三個參數(shù)決定，周期T=0.7（R1+2R2）C，可以根據(jù)具體需要修改參數(shù)，圖6中設(shè)定周期約為1s。

圖6 555定時器構(gòu)成時鐘產(chǎn)生電路

圖7 時鐘信號仿真

在后續(xù)的電路設(shè)計中，利用編碼器74148對74175的輸出編碼，譯碼器7447對編碼后結(jié)果譯碼，最后利用7段數(shù)碼管顯示出數(shù)字搶答結(jié)果如圖8所示。

圖8 競賽搶答器結(jié)果仿真

四、結(jié)語

EWB軟件非常適合電子技術(shù)教學(xué)。通過EWB搭建電路，學(xué)生能熟悉常用儀器儀表的使用，基本指標(biāo)的測量與調(diào)試方法。使用EWB仿真，各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會像實(shí)際操作那樣多次把元件焊下而損壞器件和印刷電路板，節(jié)省設(shè)計費(fèi)用、制作樣品的費(fèi)用，電路調(diào)試變得快捷方便，學(xué)生通過EWB學(xué)習(xí)電子技術(shù)，不論是在理論上還是在實(shí)踐上都得到很大的提高，不僅拓展思維空間，增強(qiáng)主動性，而且節(jié)省精力，提高效率。

參考文獻(xiàn)：

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[4]趙玉菊.電子技術(shù)仿真與應(yīng)用[M]北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[6]劉金華.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

第7篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

【關(guān)鍵詞】電子電路；抗干擾；研究

干擾是影響電子電路正常工作的一個重要因素之一，如何最優(yōu)提高抗干擾能力是電子電路技術(shù)研究人員必須面臨的問題。

一、電子電路的干擾類型

電子電路的干擾是指影響電子電路正常工作的內(nèi)因和外因，其既可能來自于電子系統(tǒng)內(nèi)部，也可能來自于電子系統(tǒng)外部。按照干擾傳播通道可以將干擾分為四種：來自信息通道的干擾；來自電網(wǎng)的干擾；來自雜散電磁輻射的干擾；來自地線的干擾。

二、電子電路的抗干擾措施

1.提高敏感器件抗干擾性能

常用措施有：對于單片機(jī)閑置的I/O口不要進(jìn)行懸空放置，要通過接電源或接地；其他閑置端要在不改變系統(tǒng)邏輯的條件下進(jìn)行接電源或接地；要盡可能降低單片機(jī)的晶振頻率；選用低速數(shù)字電路；布線過程中選用粗的地線和電源線；盡可能降低偶和噪聲。

2.干擾源抑制

（1）抑制雜散電磁干擾源

當(dāng)雜散電磁場分布在放大電路周圍時，不穩(wěn)定的磁場和電廠會對放大電路的重要元器件和輸入電路形成電壓干擾。當(dāng)放大器和干擾源的輸入電路間出現(xiàn)了雜散電容時，就會形成較強(qiáng)的干擾電流回路。干擾電流經(jīng)過放大器的輸入電阻就會形成干擾電壓。當(dāng)干擾電場較大時，強(qiáng)烈的干擾電壓就會影響放大器的安全運(yùn)行。

其抗干擾技術(shù)有：

①屏蔽?？刹捎么牌帘魏挽o電屏蔽兩種屏蔽方法來降低外界干擾。屏蔽結(jié)構(gòu)可采用屏蔽罩對受干擾元件或干擾源進(jìn)行屏蔽，并注意采用金屬套屏蔽線對多級放大器的第一級輸入線進(jìn)行屏蔽，同時要做好屏蔽線外套的接地。

②恰當(dāng)布線。要分開布置交流電源線和放大器的輸入線與輸出線，盡量避免采用平行走線。另外要控制輸入走線長度，輸入走線的長度越短，其受到干擾的可能性就越小。[1]

③布局合理。在進(jìn)行放大器的結(jié)構(gòu)布線時，要注意將電源變壓器尤其是某些含有強(qiáng)漏散磁場的鐵磁穩(wěn)壓器盡可能與放大器的一級輸入電路進(jìn)行遠(yuǎn)距離隔離。在變壓器安裝過程中要注意對安裝位置的選擇，盡量選擇不易對放大器產(chǎn)生干擾的位置。如果安裝含有輸入變壓器的放大器，安裝時應(yīng)當(dāng)保證輸入變壓器的線圈垂直于干擾磁場，以使感應(yīng)干擾電壓盡可能減小。

（2）抑制地線干擾源

信號地是指邏輯電路、控制電路和信號電路的地線。通常為了防止各級電流在通過地線時相互之間形成干擾，尤其是數(shù)字電流對模擬電流形成干擾和末級電流對一級電流形成反饋干擾，會運(yùn)用地線割裂法對地線回路進(jìn)行設(shè)置。

①多點(diǎn)接地。其一般采用寬銅皮鍍銀作為接地母線，為了盡可能降低阻抗影響，會將全部電路的地線都連接到與之相近的接地母線上。此種接入方式在數(shù)字電路中比較常用。其系統(tǒng)一般會有多塊印制板構(gòu)成，利用機(jī)架上的接地母線將所有的地線連接在一起，然后將接地母線一端直接與直流電源連接，從而形成工作接地點(diǎn)。[2]

②單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地一般會將所有電路的地線都接入到一個點(diǎn)上，此種方法的顯著優(yōu)勢是無地環(huán)流，且接地點(diǎn)只受到該電路的地阻抗和地電流的影響。其工作原理是當(dāng)各電路擁有較小的電流時，地線中的電壓也會相對較小，而相鄰兩電路利用單點(diǎn)接地方式，由于地線短、電位差小，因此線路會受到較小的干擾。

③數(shù)字接地和模擬接地。通常情況下電子電路中會同時包含模擬信號和數(shù)字信號兩種，而數(shù)字電路在開關(guān)狀態(tài)工作中會形成較大的電流波動起伏，如果仍運(yùn)用電耦合的方式進(jìn)行信號之間的耦合，就會引起地線之間的干擾，使模數(shù)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)故障。若要避免此種干擾，應(yīng)當(dāng)采用兩種整流電路分別對數(shù)字信號和模擬信號進(jìn)行供給，并通過光耦合器對倆信號進(jìn)行耦合，如此可以實(shí)現(xiàn)地線間的隔離。

④串聯(lián)接地。將所有電路都接在一條公共地線上，各電路的電流之和即為公共地線的電流。如電路2、電路3…電路n的電流和即為電路1和電路2的電線電路。所以各電路的地線電位都受到其他電位的影響，噪聲會經(jīng)過公共地線進(jìn)行耦合。此種連接方法從避免噪聲和干擾的角度來看是不恰當(dāng)?shù)?，然而其接線方式簡單方便，因此也被經(jīng)常采用。尤其在印刷電路設(shè)計上比較常用。[3]

3.抑制傳播通道干擾

（1）抑制電網(wǎng)干擾

通常大部分的電子電路直流電源都是利用變壓器對電網(wǎng)交流電源進(jìn)行變壓、整流濾波、穩(wěn)壓等過程以形成相應(yīng)的直流電壓。如果交流電網(wǎng)的負(fù)載出現(xiàn)突然變化時，地線和交流電源線將會形成高頻段的干擾電壓，其生成的高頻電流會通過放大電路、穩(wěn)壓電源等由地線流回到電網(wǎng)。高頻電路不僅會順著導(dǎo)線進(jìn)行流動，還會通過分布電容的通路進(jìn)行流動，而受干擾最嚴(yán)重的部分便是變壓器的分布電容處。其抗干擾措施有：

①采用“浮地”接線方式，即隔離直流地線和交流地線，且僅將交流地線接入到大地中，此種方式能夠有效降低交流干擾對公共地線串的影響；

②利用雙T濾波器，其主要特點(diǎn)是能夠防止多固定頻率的干擾信號侵入到電子電路中，主要用在整流電路的后部；

③利用0.01～0.2UF無極性電容，并分別在集成塊的電源引腳和直流穩(wěn)壓電源的輸入端和輸出端接入，從而將高頻干擾過濾掉；

④穩(wěn)壓電源中通過將屏蔽層添加到電源變壓器中，并對屏蔽層進(jìn)行良好接地，這樣可以使分布電容值降低，從而防止高頻信號進(jìn)入到電源變壓器中形成干擾。

（2）抑制信號通道干擾

在較遠(yuǎn)距離的通信、控制和測量中，如果使用了較長的電子系統(tǒng)的輸入線和輸出線，且線間距離較短，那么信號在傳輸過程中就極可能受到干擾，從而引起信號的失?；蚧儯璧K電子電路的正常運(yùn)行。長線信號傳輸過程中可能受到的干擾有：長線信號地線干擾、附近空間磁場引起的感應(yīng)干擾等。

其抗干擾技術(shù)有：

（1）使用光電耦合傳輸；

（2）使用雙絞線傳輸。此兩種方式都能夠很好的防止信號地線干擾和空間電磁干擾。

三、結(jié)束語

抗干擾設(shè)計是電子電路設(shè)計中的重要組成部分，良好抗干擾性能能夠大幅度提高電子電路工作效率。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)抗干擾技術(shù)的分析，綜合考慮電子電路的布線、工作原理等內(nèi)容，不斷改進(jìn)電子電路抗干擾技術(shù)，以提高電子電路工作的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]毛倩.電子電路抗干擾措施的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010，13（14）：74-75.

第8篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

我們知道，常見的衛(wèi)視接收機(jī)普遍采用的是開關(guān)電源，其設(shè)計輸出的電壓一般有以下幾組：

a. 3.3V@3A (供主芯片、SDRAM及FLASH MEMORY等)

b. 5V@1.5A(供TUNER、前面板及音頻DAC等)

c. 12V@0.5A(供音頻LPF運(yùn)放及0/12V切換輸出等)

d. 21V@0.5A(供LNB 13/18V切換輸出)

e. 30V@0.01A(TUNER容變二極管調(diào)諧)

(注：少部分機(jī)型有-12V電源，供音頻LPF運(yùn)放。在有PVR功能的接收機(jī)中，5V/12V電源需供硬盤電源)。

雖然我們可以使用常見的逆變器將12V或24V直流電源變換成220V交流電源供給接收機(jī)使用，但電源經(jīng)DCACDC多次轉(zhuǎn)換，其能源利用效率大為降低。而且很多低價格逆變器的輸出交流波形并不是正弦波。更有甚者，有的逆變器就直接用方波激勵逆變器逆變管，使輸出的交流中包含有大量的高次諧波。這種高次諧波會干擾其它電器，同時影響衛(wèi)視接收機(jī)的音視頻放送質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)蓴_衛(wèi)視接收機(jī)，造成死機(jī)等故障發(fā)生。同時，沉重、落后的逆變器不便攜帶。

當(dāng)然我們可以用線性三端穩(wěn)壓器件來滿足接收機(jī)所需要的幾組電源，但線性穩(wěn)壓電源有一個共同的特點(diǎn)，就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管的電壓降來穩(wěn)定輸出。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調(diào)整工作方式在工作中會有大量的“熱損失”，其熱損值為P=V(調(diào)整管壓降)×I(負(fù)載電流)，工作效率僅為30%～50%。由于調(diào)整管靜態(tài)功率損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。衛(wèi)視接收機(jī)系統(tǒng)一般都需要幾組穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，這樣就需要好幾個線性穩(wěn)壓器才能滿足要求，并且在相當(dāng)多的接收機(jī)中都需要有33V電源供Tuner作為調(diào)諧電壓，因此采用線性穩(wěn)壓電源方式時，其輸入電源電壓就要大于33V。同時線性電源較低的效率也會使大量的輸入電能變成熱能而白白消耗掉，在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性上都不能達(dá)到朋友的要求，而且高達(dá)30多伏的輸入電源在戶外環(huán)境或移動情況下難以實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源是與線性穩(wěn)壓電源不同的另一類穩(wěn)壓電源，它和線性電源的根本區(qū)別在于它是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功率器件調(diào)整管是工作在飽和及截止區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)電源因此而得名。開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，工作時要么是大電流流過低導(dǎo)通電壓降的開關(guān)管，要么是完全截止無電流流過，因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70%～90%。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”，這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源就可以大大減少散熱片體積和PCB板的面積，在大多數(shù)情況下甚至不需要加裝散熱片。此外，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源“熱損失”的減少，設(shè)計時還可以提高穩(wěn)壓電源的輸入電壓，使其可以在較大的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，這有助于提高抗輸入電壓跌落干擾的能力和可以適應(yīng)更多的輸入電源種類。

較高的輸出電壓紋波（一般大于30mV）是開關(guān)穩(wěn)壓電源不可回避的問題，在一些對電源紋波電壓有特殊要求的場合（如MCU內(nèi)部PLL、Tuner內(nèi)的高精度A/D轉(zhuǎn)換器等），常采用線性穩(wěn)壓電源來降低穩(wěn)壓電源輸出的紋波電壓。因此，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相結(jié)合的形式為有特殊要求的器件供電提供了一種更好的方法。線性穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不需要元件。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2V-3V以上，否則不能正常工作，5V到3.3V的電壓差只有1.7V，所以78xx系列已經(jīng)不能滿足3.3V或2.5V的電源設(shè)計要求。 面對這類需求，許多電源芯片公司推出了Low Dropout Regulator,即：低壓差線形穩(wěn)壓器，簡稱LDO。這種電源芯片的壓差只有1.3-0.2伏，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V/2.5V，3.3V轉(zhuǎn)2.5V/1.8V等要求。同時，較低的穩(wěn)壓壓降，可維持較低的LDO自身功耗。

設(shè)計構(gòu)思與工作原理

在對線性穩(wěn)壓集成電路與開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的應(yīng)用特性進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，我們的選擇設(shè)計了DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓和LDO的組合電源。它是由AC/DC電源適配器或直流電池組提供一個直流輸入電壓，經(jīng)DC/DC及LDO變換以后在輸出端獲得接收機(jī)所需的幾組直流電壓。我們只要將衛(wèi)視接收機(jī)內(nèi)的開關(guān)電源板替換成這種組合電源，就可以在移動環(huán)境下實(shí)現(xiàn)接收衛(wèi)視信號的目的。

由前述的接收機(jī)幾組電源參數(shù)可知，衛(wèi)視接收機(jī)主要的功率消耗在3.3V和5V兩組電源上。筆者設(shè)計了這款12V電壓輸入的衛(wèi)視接收機(jī)電源板，其電原理圖見圖一。

電源板基本技術(shù)參數(shù)：

輸入電壓 ：DC 9V～19V（推薦電壓：DC12V）

輸出電壓：

1.8V(或2.8V可選)/Max1000mA 一路

3.3V/ Max 3200mA 二路

5.0V/ Max 2500mA 二路

12V/ Max 500mA一路

21V/ Max 500mA一路

33V/ Max 20mA 一路

在這款電源設(shè)計中使用了兩類穩(wěn)壓電源器件：LDO (低壓差穩(wěn)壓器)和DC/DC開關(guān)式降壓器(升壓器)。DC/DC開關(guān)式降(升)壓器：轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95%，屬于開關(guān)電源的一類。對于LDO，由于其為線性降壓元件，故供電效率完全取決于其輸入/輸出電壓差和輸出電流的大小。

LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V， 可調(diào)版本可以輸出小于40V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計，我們選用固定型LM2596-5。

LM2585開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是升壓單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，開關(guān)頻率100 KHz。有4 種不同的輸出電壓版本：固定3.3V/ 5.0V/12V 和可調(diào)整型。我們選用可調(diào)整型LM2585-ADJ。

LT1117是三端的LDO器件，能夠輸出0.8A的驅(qū)動電流，有4 種不同的輸出電壓版本：固定3.3V/ 2.5V/1.8V 和可調(diào)整型。我們選用固定型LT1117-3.3及LT1117-2.5(1.8)。

12V直流電壓輸入的衛(wèi)視接收機(jī)用的電源板工作原理：

12V電源電壓送入由U1(LM2596-5)構(gòu)成的DC-DC開關(guān)式降壓器輸出+5V；同時LM2596的開關(guān)脈沖進(jìn)入由D1、D2和D14三個雙二極管構(gòu)成的倍壓整流電路升至約40V直流電壓經(jīng)齊納穩(wěn)壓管D4穩(wěn)壓輸出+33V供Tuner調(diào)諧變?nèi)荻O器作調(diào)諧電壓；另一路12V進(jìn)入由U2(LM2585-Adj)構(gòu)成的DC-DC升壓開關(guān)穩(wěn)壓器輸出+21V供接收機(jī)LNB 13/18V極化切換；+3.3V由U1(LM2596-5)輸出的+5V經(jīng)U3(LT1117-3.3) LDO降壓取得。在有些衛(wèi)視接收機(jī)中還需+2.5V(或+1.8V)供CPU，在設(shè)計中增加了另一路LDO降壓，裝上U4(LT-1117-2.5/LT1117-1.8)可輸出+2.5V(或1.8V)，對于不需要+2.5V(或1.8V)的接收機(jī)，可不裝U4 LDO及其濾波感容元件。

關(guān)鍵的元器件選擇：

電路中的輸入電容C7、C21一般應(yīng)大于或等于100μF，安裝時要求盡量靠近LM2596或LM2585的輸入引腳，其耐壓值應(yīng)與最大輸入電壓值相匹配。LM2596輸出端電容C12的值取470uF；LM2585輸出端電容C24一般應(yīng)大于或等于220uF； 輸出電容C12、C24的耐壓值應(yīng)大于額定輸出電壓的1.5～2倍。對于5V電壓輸出而言，推薦使用耐壓值大于16V的電容器。同時輸出電容的ESR會影響到調(diào)整器控制回路的穩(wěn)定性，所以電容的ESR是影響輸出波紋的一個因素，絕大多數(shù)小電容有較高的ESR，導(dǎo)致高的開關(guān)波紋，最好選用OS-CON高頻電容。

L3的取值為：47uH，L6的取值為：82uH。儲能電感是影響DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵器件，主要考慮的參數(shù)有電感量、飽和電流和直流電阻以及鐵氧體材料磁芯的開關(guān)工作頻率，在體積和成本允許的情況下應(yīng)選用飽和電流比較大的電感，因?yàn)楫?dāng)磁芯接近飽和時損耗增大，會降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應(yīng)大于負(fù)載的峰值電流，電感的直流電阻會消耗一定的功率，在體積和成本許可的情況下應(yīng)盡量選用直流電阻小的電感。另外，為降低電源的EMI，最好選用具有閉合磁芯的電感。

二極管VD3的額定電流值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，考慮到負(fù)載短路的情況，二極管的額定電流值應(yīng)大于LM2596的最大電流限制，二極管的反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍，推薦使用1N582x系列的肖特基二極管。二極管D5的額定電流值也應(yīng)大于最大負(fù)載電流的1.2倍，反向電壓應(yīng)大于最大輸入電壓的4倍。

U2的采樣電阻R3、R4和R5應(yīng)使用1%精度的電阻，它們的值與輸出電壓有以下關(guān)系：

VOUT = VREF〔 1 +（R4+R5）/R3〕

其中VOUT是輸出電壓、VREF是參考電壓(VREF =1.23V)

圖二為該電源板的雙面PCB板，圖三為安裝好的成品電源板，圖四為配套的220V/12V電源適配器。

這款電源板采用了雙面印刷電路設(shè)計，其PCB板尺寸僅為：9.6cm×7.4cm，小容量阻容元件選用貼片元件，電解電容一律使用耐高溫為105°C的，功率電感采用閉合磁芯的電感，防反插大功率專用電源插座。整個電源板裝好后一般不需調(diào)試，檢測輸出電壓正常后即可上機(jī)使用。

應(yīng)用實(shí)例及性能測試

了解了這塊電源板的設(shè)計特點(diǎn)和原理后，我們再來看看它的各種性能和測試結(jié)果。

A：海克威2000H接收機(jī)應(yīng)用實(shí)例及性能測試

?？送?000H接收機(jī)后面板的標(biāo)貼處實(shí)際是一個為安裝12V控制的方形沖孔，用環(huán)氧敷銅板在此處打孔并固定，把電源板12V輸入插座焊下對孔固定。圖五是直流12V輸入插座安裝實(shí)體圖（左為揭開標(biāo)簽后的后面板，中為插頭安裝后示意圖，右為插座固定示意圖），“SKEW”孔正好安裝一只3.5直插插座，將兩插座并聯(lián)，可以方便的使用其他類型插頭電源的輸入。

圖六為電源板安裝在?？送?000H接收機(jī)中的實(shí)體圖。

安裝完畢，檢查連接無誤后接通220V/12V適配器電源，與原機(jī)開關(guān)電源使用220V市電一樣，熟悉的開機(jī)畫面和啟動過程無任何異樣，其聲畫俱佳。

配用220V/12V電源適配器在機(jī)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

測量儀表：DT890數(shù)字萬用表（DC：10A檔）

在接收機(jī)進(jìn)入“增加節(jié)目”狀態(tài)后，其電流值顯示比在接收節(jié)目狀態(tài)時均略下降5-10mA。

B：百勝P-3800接收機(jī)應(yīng)用實(shí)例及性能測試

拆除原機(jī)開關(guān)電源板及AC220V電源線,在原AC220V電源線安裝孔裝上12V電源插座，主板各組電源與電源板一一對應(yīng)相聯(lián)，檢查無誤后通電，接收機(jī)啟動正常。

注：本機(jī)改裝了DAC及運(yùn)放模擬音頻部分電路，同時增加一電源模塊，將原機(jī)模擬音頻部分電路由單12V供電改成正負(fù)雙12V供電。并拆除了TV RF調(diào)制器。外接12V供電電流有所增加。圖七為在百勝P－3800接收機(jī)上的安裝實(shí)體圖。

配用220V/12V電源適配器在機(jī)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

測量儀表：DT-8888數(shù)字萬用表（20A檔）

收視衛(wèi)星：113°E帕拉帕C2，高頻頭：嘉頓（9750/10600MHz）

C：航科CDXT430接收機(jī)應(yīng)用實(shí)例及性能測試

拆除原機(jī)開關(guān)電源板及AC220V電源插座。將電源板在原機(jī)開關(guān)電源板處安裝，將主板各組電源與電源板一一對應(yīng)相聯(lián)，檢查無誤后通電。接收機(jī)啟動正常。

圖八：為在航料430接收機(jī)上的安裝實(shí)體圖。

航科430機(jī)接收系統(tǒng)：一個0.45米的碟形衛(wèi)星接收天線一鍋138°E、146°E雙頭雙星，一個0.6米的碟形衛(wèi)星接收天線一鍋113°E帕拉帕C2、105.5°E 3S(Ku)雙頭雙星至一22K中頻切換開關(guān)，上述各星信號饋線接至DiSEqC四切一中頻開關(guān)再接至航科430衛(wèi)視接收機(jī)。航科430系統(tǒng)軟件第一系統(tǒng)：中文南瓜，第二系統(tǒng)：英文V+V。其中138°E數(shù)碼天空、113°E真世界兩直播平臺使用CV12網(wǎng)絡(luò)共享解密系統(tǒng)，146°E馬步海夢幻直播平臺使用ATMEGA8芯片黑色D卡解密。

配用220V/12V電源適配器在機(jī)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

測量儀表：DT-8888數(shù)字萬用表（20A檔）

D：應(yīng)用鎳氫可充電池作電源供應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

采用市場上常見到的鎳氫電池，作為直流電源，看看它的表現(xiàn)如何！

圖九為郵購價3元一只的5號鎳氫電池。電池容量標(biāo)注1600mAH，標(biāo)稱電壓1.2V。

10節(jié)鎳氫電池經(jīng)過20小時的首次充電后，串聯(lián)后測空載電壓為14V，接入已安裝在?？送?000H接收機(jī)的12V電源板的電源輸入端。

測量儀表：MF47萬用表（DC：50V檔）、DT890數(shù)字萬用表（DC 10A檔）。

環(huán)境溫度：18°C

10節(jié)鎳氫電池組在連續(xù)工作1小時10分鐘后，電壓跌落加快，在跌落到5V時接收機(jī)停止工作，在電池組電壓跌落到5V的過程中，接收機(jī)始終穩(wěn)定在選定的鳳凰咨詢臺直至停止工作，未發(fā)生節(jié)目偏移現(xiàn)象。

再次對鎳氫電池充電，充滿放置4個小時后，采取間斷供電的方式，每供電20分鐘停止10分鐘，然后重復(fù)此過程，在電池組電壓跌落到10V時停止供電（此時為電池放電的保護(hù)截至電壓），累計實(shí)際供電時間為1小時20分鐘（編者注：為了增加供電時間，可選擇較大AH的電池)。

E：輸入電壓的變化對輸出穩(wěn)壓性能影響的測試

在?？送?000H接收機(jī)上，以12V電源板的最高輸出電壓32V為例，用MF47型萬用表觀察其輸出電壓相應(yīng)的跌落變化。在充電電池組電壓逐步下降的過程中，從開始的最高值逐漸跌落到10V時，其電源板輸出的32V電壓保持不變，電池組電壓跌落到9.5V時，32V電壓跌落到31V，在電池組電壓跌落到7.6V時，32V電壓跌落到25V，在電池組電壓跌落到5V以下時，32V電壓隨之迅速跌落，整個電源板停止工作。

在上述實(shí)驗(yàn)中，本電源板的各電壓轉(zhuǎn)換集成電路在沒有另加散熱器的情況下只有溫?zé)岣校瑴囟茸罡叩氖荓M2596穩(wěn)壓塊，估計表面溫度低于60°C。

注：雖然本電源板的輸入電壓設(shè)計適應(yīng)范圍為：DC 9～19V，但在用高于12V的直流輸入電源時請務(wù)必注意：

1、查看接收機(jī)原電源板輸出的12V電壓是否是只提供給接收機(jī)的音頻低放部分，并且音頻低放單元的最高承受電壓要大于本電源板的輸入電壓！

2、如果第一項是肯定的，將接收機(jī)主板中原12V電源通路的濾波電容全部更換為等于或高于25V耐壓值的電容！

3、如果接收機(jī)原電源板輸出的12V電壓同時還供給其它電路，應(yīng)檢查相應(yīng)的單元電路最高耐受電壓是否高于本電源板的輸入電壓，并且確定在此電壓下是否能可靠和正常工作。

4、選用其他直流輸入電源時，要注意其空載時的輸出電壓是否符合上述要求！

F：220V/12V電源適配器輸出電壓測試數(shù)據(jù)

測量儀表：：MF47萬用表（DC：50V檔），DT890數(shù)字表（DC：10A檔）

G：12V輸入電源的接收機(jī)用電源板轉(zhuǎn)換效率的測試

使用?？送?000H接收機(jī)，在相同的收視參數(shù)條件下，分別測試12V電源板的輸入電壓、電流以及其輸出的各路電壓、電流。

測量儀表：DT9205M數(shù)字萬用表。測試數(shù)據(jù)如下表：

其工作效率η=輸出總功率Pout/輸入總功率Pin=0.701

結(jié)論

第9篇：直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計范文

關(guān)鍵詞： 透射電子顯微鏡； 照相機(jī)； CCD； 驅(qū)動電路； CPLD

中圖分類號： TN16?34； TP212  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；  ；文章編號： 1004?373X（2014）23?0142?04

Design of array CCD driving circuit based on CPLD

SUN Mao?duo， DONG Quan?lin， ZHAO Wei?xia， DANG Yu?jie， YANG Ya?jiao

（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： In design of a TEM camera with CCD ICX285AL as the image sensor， an array CCD driving circuit based on CPLD was designed. Altera′s EPM570T100 is used as a time?sequence generator to generate CCD driving signal and CDS?control signal. A driver circuit and DC bias circuit were designed to provide voltage transformation， and to generate DC source and bias voltage. Verilog HDL is adopted to compile program under Quartus II 13.1 to implement logic circuits in CPLD. Simulations were conducted in the ModelSim 10.1. Experiment results indicate that the designed driving circuit can generate the driving pulse and bias voltage which meet the demands of CCD， and can steadily output CCD video signal.

Keywords： TEM； camera； CCD； driving circuit； CPLD

0  ；引  ；言

電荷耦合器件（CCD）是一種可應(yīng)用于圖像傳感、信號處理、數(shù)字存儲的半導(dǎo)體光電傳感器，與傳統(tǒng)攝像器件相比，不僅具有靈敏度高、速度快、動態(tài)范圍寬、量子轉(zhuǎn)換效率高、輸出噪聲低、控制方便、實(shí)時傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，而且還具有很高的空間分辨率[1]，因此廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡微光成像、遙感成像、衛(wèi)星監(jiān)測等領(lǐng)域[2]。

在透射電子顯微鏡（TEM）中，成像依賴于電子轟擊閃爍體發(fā)光，亮度較低，且光譜集中在500～600 nm之間[3]。針對TEM的成像特點(diǎn)，選擇ICX285AL作為圖像傳感器，設(shè)計了一款基于CPLD的面陣CCD驅(qū)動電路，以提供滿足ICX285AL工作要求的直流偏置電壓和驅(qū)動脈沖，在有限狀態(tài)機(jī)的控制下，以12.5 MHz的頻率不間斷輸出圖像信號，且曝光時間可調(diào)，滿足了實(shí)用要求，為TEM CCD相機(jī)的后續(xù)設(shè)計和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

1  ；目標(biāo)CCD特性

ICX285AL是SONY公司的一款行間轉(zhuǎn)移科學(xué)級單色面陣CCD圖像傳感器，像元尺寸為6.45 μm×6.45 μm，總像元數(shù)為1 434（H）×1 050（V），由于采用EXview HAD CCD技術(shù)，在500～600 nm之間的量子效率達(dá)到60%以上[4]，非常適合拍攝透射電子顯微鏡閃爍體的熒光圖像，因此選擇ICX285AL作為TEM CCD相機(jī)的圖像傳感器。

ICX285AL內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含感光單元、垂直移位寄存器、水平移位寄存器三個部分。在積分時間結(jié)束后，感光單元電荷轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直移位寄存器中，在垂直轉(zhuǎn)移脈沖VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4共同作用下一行一行地轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，在水平轉(zhuǎn)移脈沖HФ1，HФ2和復(fù)位時鐘RG的共同作用下經(jīng)放大器讀出。

2  ；CCD驅(qū)動電路設(shè)計

CCD驅(qū)動電路為ICX285AL提供了驅(qū)動脈沖和直流偏置電壓，其組成框圖如圖2所示，主要包括控制電路、偏壓電路、驅(qū)動器電路等（CCD的輸出信號通過相關(guān)雙采樣電路采集，這里只涉及采樣控制信號的產(chǎn)生方法）。下面分別介紹這幾個部分。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t1.tif>；

圖1 ICX285AL內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t2.tif>；

圖2 驅(qū)動電路系統(tǒng)示意圖

2.1  ；偏壓電路

偏置電壓電路向CCD以及驅(qū)動器電路提供直流偏置電壓，并為器件提供3.3 V電源。

ICX285AL所需垂直轉(zhuǎn)移信號的電壓為-7 V，0 V，15 V三個級次，水平移位信號和復(fù)位信號電壓為5 V，基底信號電壓為22 V，CPLD電源電壓為3.3 V，驅(qū)動器芯片電源電壓為5 V。

設(shè)計外接5 V直流穩(wěn)壓電源，選用LT1129產(chǎn)生3.3 V電壓，選用LT1935產(chǎn)生15 V偏壓，選用LT1964產(chǎn)生-7 V偏壓。圖3中由下至上分別是LT1935和LT1964偏壓產(chǎn)生電路設(shè)計。

2.1.1  ；LT1935偏壓電路設(shè)計

LT1935是開關(guān)頻率1.2 MHz的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源[5]。輸出電壓值由[R7]和[R11]設(shè)定：

[VOUT=1.265?1+R7R11]  ；  ；（1）

式中：1.265 V是反饋引腳FB的參考電壓；取[R7，][R11]分別為110 kΩ，10.13 kΩ（10 kΩ與130 Ω串聯(lián)），預(yù)計輸出的電壓15 V。

2.1.2  ；LT1964偏壓電路設(shè)計

LT1964是低噪聲負(fù)壓線性穩(wěn)壓電源[6]。它的-15 V直流輸入是通過反向電荷泵由LT1935的開關(guān)引腳（SW）得到的。輸出電壓由[R6]和[R10]設(shè)定：

[VOUT=-1.22?（1+R10R6）-IADJ?R2] （2）

式中：[VADJ]=-1.22 V，為調(diào)整端口ADJ的參考電壓；[IADJ]=-39 nA（25 ℃時），為ADJ端口的偏置電流。設(shè)計取[R10，][R6]分別為48.7 kΩ，10.27 kΩ（10 kΩ與270 Ω串聯(lián)），預(yù)計輸出的電壓為-7 V。

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圖3 偏置電壓產(chǎn)生電路

2.1.3  ；電源濾波

在電源輸出端采用并聯(lián)電容、串聯(lián)磁珠的方式濾除高頻噪聲。設(shè)計采用低等效串聯(lián)阻抗X5R型陶瓷電容并聯(lián)在電源輸出端與地之間，采用大容值并聯(lián)小容值、大封裝并聯(lián)小封裝的方式，展寬了輸出端與地之間的低阻抗帶寬，更好地濾除高頻噪聲，同時提升了電源輸出瞬態(tài)響應(yīng)性能[7]。

2.2  ；驅(qū)動器電路

常用的可編程邏輯器件的輸出電平多為1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V幾種規(guī)格，不符合CCD驅(qū)動脈沖的要求，除了3.3 V電平的復(fù)位信號RG信號可直接驅(qū)動CCD，其余8路時序信號必須經(jīng)過電平變換以提高驅(qū)動能力。驅(qū)動器電路采用一片CXD3400N和一片74ACT04芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示（圖中括號內(nèi)的值為電壓范圍）。

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圖4 電平轉(zhuǎn)換示意圖

CXD3400N是6通道CCD垂直驅(qū)動器，支持2.7～5.5 V的邏輯輸入，可提供4路三級電平垂直驅(qū)動、2路二級電平垂直驅(qū)動、1路二級電平基底時鐘驅(qū)動[8]，其輸出脈沖的高級和低級電平分別等于外接的正、負(fù)偏置電壓，中間級電平等于地平面[8]。一片CXD3400N即可提供全部垂直驅(qū)動信號以及基底時鐘。應(yīng)當(dāng)注意的是，兩路三級電平脈沖信號[Vφ2A，][Vφ2B]是由XSG1，XSG2和XV2轉(zhuǎn)換來的。

74ACT04是一款高速6通道反相器，可以將3.3 V信號轉(zhuǎn)換成5 V信號[9]，采用一片以提供水平驅(qū)動信號。

2.3  ；控制電路

2.3.1  ；電路實(shí)現(xiàn)

CPLD具有ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)勢，同時設(shè)計周期短且靈活性好，可通過JTAG實(shí)現(xiàn)在線編程[10]，是設(shè)計高速數(shù)字硬件的理想選擇。設(shè)計采用Altera公司MAX Ⅱ系列的EPM570T100作為時序產(chǎn)生器。

設(shè)計采用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)時序邏輯電路。Verilog HDL作為一種硬件描述語言，其編程結(jié)構(gòu)類似于計算機(jī)中的C語言，在描述復(fù)雜邏輯設(shè)計時非常簡潔，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真能力，是當(dāng)前系統(tǒng)硬件設(shè)計語言的主流[11]。在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境下，采用自頂向下的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯的設(shè)計，并采用有限狀態(tài)機(jī)控制時序的產(chǎn)生過程。在其頂層模塊實(shí)例化各功能模塊，然后采用Verilog HDL語言對各功能模塊詳細(xì)描述[12]。

2.3.2  ；有限狀態(tài)機(jī)

根據(jù)ICX285AL的工作過程，借助Quartus Ⅱ中集成的狀態(tài)機(jī)生成向?qū)В⊿tate Machine Wizard）設(shè)計三段式狀態(tài)機(jī)，將“次態(tài)邏輯”、“狀態(tài)寄存器”和“輸出邏輯”分別放在不同的always進(jìn)程中描述，以消除出現(xiàn)競爭冒險現(xiàn)象的可能，去除信號毛刺[13]，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

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圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

為充分利用CCD的動態(tài)范圍[14]，對應(yīng)不同的光照條件，狀態(tài)機(jī)包含了長積分和短積分兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)移模式。

2.3.3  ；時序產(chǎn)生

設(shè)計使ICX285AL工作在逐行掃描模式，需要9路驅(qū)動脈沖，垂直轉(zhuǎn)移脈沖VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4，水平轉(zhuǎn)移脈沖HФ1，HФ2，復(fù)位時鐘RG以及控制曝光的基底時鐘ФSUB。

CCD一幀圖像的工作周期包括感光階段和轉(zhuǎn)移階段，轉(zhuǎn)移階段又分為幀轉(zhuǎn)移、垂直轉(zhuǎn)移、水平轉(zhuǎn)移。在感光階段，給基底提供低電平，CCD感光單元開始收集光電荷，存儲電荷的多少取決于光照強(qiáng)度和曝光時間。幀轉(zhuǎn)移階段，垂直轉(zhuǎn)移脈沖VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4輸出一組三級電平信號，此時感光結(jié)束，成像單元中的電荷以電荷包的形式轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直移位寄存器中。在垂直轉(zhuǎn)移階段，包含1 050個循環(huán)，每一次循環(huán)VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4都會輸出一組二級電平信號，使電荷沿垂直移位寄存器移動一行，最后一行進(jìn)入水平移位寄存器，然后在HФ1，HФ2和RG的作用下完成1 434個循環(huán)，每次循環(huán)讀出一個像素信息。RG用于將浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電荷清除掉，以便能夠準(zhǔn)確測量下一個電荷包。

通過計數(shù)器可以方便地規(guī)定時序信號的占空比和相位關(guān)系。設(shè)基礎(chǔ)時鐘周期[t，]設(shè)計CCD的像素讀出周期為[T=8t。]編寫邏輯cnt_clk和cnt_pixel對[t]和[T]分別計數(shù)，利用cnt_clk的值規(guī)定水平轉(zhuǎn)移、復(fù)位和采樣控制時序信號，利用cnt_pixel的值規(guī)定垂直轉(zhuǎn)移、基底時序信號，兩個計數(shù)器在狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時均被重置。

2.3.4  ；時序仿真

完成Verilog HDL語言的編譯、綜合后，在Quartus Ⅱ中編寫仿真腳本（Test Bench），在ModelSim 10.1中進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）顯示了垂直驅(qū)動時序信號。圖6（b）顯示了水平轉(zhuǎn)移、復(fù)位以及采樣信號。

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圖6 時序信號仿真圖

3  ；實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將Verilog HDL程序下載到CPLD中，利用示波器檢查偏置電壓和驅(qū)動波形無誤后，將CCD安裝在驅(qū)動電路上。

利用光源使CCD輸出信號飽和，用示波器測試CCD的輸出信號，結(jié)果如圖7所示。

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圖7 CCD輸出信號

測得像素讀出速率為12.5 MHz，與設(shè)計一致，輸出信號清晰顯示出了每個像素周期包括的復(fù)位電平、參考電平、信號電平三部分，其中參考電平和信號電平電位差約為1 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ICX285AL在驅(qū)動電路的驅(qū)動下正常工作。

4  ；結(jié)  ；語

設(shè)計并加工了一款用于TEM CCD相機(jī)的CCD驅(qū)動電路，采用CPLD作為時序發(fā)生器，通過狀態(tài)機(jī)實(shí)施過程控制，在不改變硬件的情況下，可以方便地更改曝光時間和相機(jī)工作模式，同時保證圖像的連續(xù)采集。使用CXD3400N和74ACT04作為驅(qū)動器，能夠輸出高質(zhì)量的驅(qū)動脈沖。

通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了ICX285AL在該驅(qū)動電路的驅(qū)動下能夠連續(xù)、穩(wěn)定地輸出視頻信號，證明該設(shè)計滿足實(shí)用要求，為TEM CCD相機(jī)的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為董全林。

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