模电课程设计

1、模电课程设计 课程名称：模电课程设计 学 院：电气信息工程学院姓 名： 学 号： 2013年1月8日绪论 移相器的作用是将信号的相位移动一个角度。运用移相器规约敏感联络线的潮流，保障电压稳定性不因联络线连锁跳闸、相继退出而遭到破坏，可以明显提高电压稳定极限。其工作原理根据不同的构成而存在差异。如晶体管电路，可在输入端加入一个控制信号来控制移相大小；在有些电路中则利用阻容电路的延时达到移相；在单片机控制系统还可利用内部定时器达到移相的目的。 当系统负荷较重、并且有持续快速攀升趋势时，需要进行电压紧急态势分，注视运行工况将可能通过何种途径逼近电网负荷供应能力的临界点。负荷在高位快速攀升时，电源如何

2、分担负荷增量，可以从运行模式的调峰特征去寻找预估线索。主力调峰电源与负荷中心之间，各联络线在潮流上涨逼近限值方面，往往步调上有差异，线路潮流骤增时，对可能首先跳闸的联络线，应该给予特殊的关注，因为其保护跳闸势必引起功率转移，使其它联络线相继跳闸，产生恶性连锁反应，可能导致系统解列。移相器在国外广泛用来进行潮流调控。灵活交流输电系统(FACTS)装置家族中的“静止移相器”(SPS)，由于电力电子技术的采用，在调控性能上有了长足进步，免除了任何机械操作，在安全稳定控制方面具有良好的应用前景，肯定了SPS可用来提高暂态稳定性、阻尼次同步振荡、缓和区域间振荡、减轻轴系暂态扭矩以及稳态环流控制。目录一、

3、系统方案.1二、电路设计.2三、数学计算.4四、硬件电路设计.7五、软件程序设计.9六、测试方案与测试结果.9七、心得体会.10一、 系统方案： 图（1）（1） ：此次外加的正弦信号源频率为1MHZ，峰峰值为2V；（2） ：移相电路组为0，45，90，180的移相组合，同时在示波器上显示其李萨茹波形；（3） ：2分频电路采用数字电路中的D触发器进行2分频，产生500KHZ的方波，然后再进行滤波，将高次谐波分量滤去；（4） ：使用继电器实现程控移相；方案比较： （一）运放的选择：根据本次设计需要，确定放大器进行传输的信号带宽。所以，选择闭环带宽稍高于信号最大频率的放大器甚好。于是，普通运放就不能

4、达到要求，基于此，OP890或者TL082符合需求。这两款放大器无论是在带宽或者是其他的动态性能指标上，都是优于普通的运算放大器的。 （二）开关元件的选择：为了实现程控移相，就必选在电路当中加上开关元件，在这个基础上，有两种方案供选择。1.CD4051模拟电子开关，这款芯片使用方便，灵活。反应速度快，功耗小。但是经过测试，对于本次要求的1MHZ来说，其漏阻抗是不容忽视的，漏阻抗的存在，使得输入、输出的波形都有很大的失真。所以，此方案不可行。2.同样，经过试验，使用继电器的时候就可以避免上述的麻烦。但同样，其也有功耗大，占地面积大的缺点。但是，综合考虑，最终选择了继电器。 （三）处理器的选择：此

5、次以模拟电路为主，数字处理为辅。所以，在选择微处理器的时候，并没有什么特别的要求，结合相关情况，选择了MSP430F169做为此次的处理器。 （四）电源的选择：因为开关元件选择为继电器，所以整个电路的功耗就会大大增加，基于此，选择使用电源箱为整个系统供电，以满足系统对供电的要求。 二、电路设计： 根据上面的方案与分析，得到电路设计分为三个部分：移相电路组、二分频电路、程控电路。（1）移相电路组：在设计的过程中，使用最多的是运算放大器（本次为OPA890和TL082）。通常，在高频区域，放大器的增益与频率的关系特性是下降的，而相位与频率的关系特性是滞后的。就是说，模拟电路的增益与相位是成套地进行

6、变化，独立的控制两者是不可能的。但是却存在增益与频率的关系特性是平坦的，仅仅相位随频率而滞后的特别电路。例如下（图2）所示电路。这些电路被称为“移相器（全通滤波器）”。所以针对于本题，选择了移相器来产生45、90的相移。在产生0的相移中，考虑到电压跟随器（见图3）就可以有0的相移而且这个方案可靠，简单，易于调试。所以，进行了优化，利用电压跟随器来获取0的相移。同样的是对于180相移的产生，利用了反相器（见图4）进行移相。与电压跟随器一样，方案简便，可靠，易于调试。在分析优化方案以后，利用multisim电路仿真软件进行了仿真，得到了下面的波形，从而得出，实验方案是可行的。 （图2)（图3）（图

7、4）（2）二分频电路表示图：下面是进行二分频（见图5）仿真的电路图以及仿真结果在示波器上的显示，其中正弦波为1MHZ的信号源输入，矩形波为D触发器分频后的输出。（图5）完成上面的步骤后，下面就是通过四阶的有源滤波器（见图6）对其输出的矩形波进行滤波，从而得到我们所需要的正弦波。其电路图以及仿真结果如下：（图6）（3） 程控电路： 本次程控采用软件与继电器相结合，从而达到预期的效果，具体内容将在软件程序设计中讲解。3、 数学计算：（1） ：对于电压跟随器和反相器的原理是相对较为简单的，所以，本次计算中，着重为全通滤波器移相相位的计算：无源RC网络移相计算 由上述可知，角频率已知，只要合理的选择R

8、C网络中电阻，电容的值，就可以使得信号经过RC网络后的信号相位与原信号相位发生在0到90的变化。可是，从上述分析可得，虽然相位改变了，同时信号也大大的衰减了。所以，计算可得，此方案用于移相，不可行。基于此，使用RC网络加上运算放大器使得既达到改变相位，同时又不使得信号大大衰竭的情况成为可能。移相器经分析，写出其闭环传递函数为： 由频域分析法得到其幅频特性： 由频域分析法得到其相频特性： 所以，综上所以，选择合适的阻容便可以使得既达到相位的要求，又可以使得信号不衰竭的传输到后级。滤波器的设计二阶有源低通滤波器：根据拉普拉斯方程，写出其传递函数：根据其传递函数，写出幅相特性方程（令S=j*w）：并

9、且经过仿真，得到其幅相特性曲线：（上方为幅频特性，下方为相频特性）综上所述，500kHZ以下频率的幅度和相位基本维持不变，而大于500kHZ的频率的幅度跟相位都严重失真，即以此将500KHZ的基波分量滤出来，将高次谐波滤除。四、硬件电路设计：利用altium designer winter 09进行电路板的制作，部分原理图和PCB图示如下： 图（8）：180移相图（9）：分频图（10）：滤波电路图（11）：分频PCB板五、软件程序设计 综合考虑本次设计的需要，在程序设计中，使用的MCU为MSP430F169单片机。此款单片机集合了ADC（模数转换）,DAC（数模转换），定时器，中断等多个外围功

10、能模块。所以完全符合了此次设计的要求。此次的程序设计包括三个部分：(1) MCU通过对继电器控制作用实现移相电路组0，45，90，180的程控功能；(2) 用电阻滚轮采样作为多开关原件，从而手动控制移相。(3)继电器通过三极管驱动，从而控制波形的输出。程序如下： while(1) ADC12CTL0|=ADC12SC; / results=results1; /DAC12_0DAT= (results/2); if(results800) P2OUT|=BIT4; P2OUT&=BIT5; P2OUT&=BIT6; P2OUT&=BIT7; else if(results1600) P2OUT

11、&=BIT4; P2OUT&=BIT5; P2OUT|=BIT7; P2OUT&=BIT6; else if(results2400) P2OUT&=BIT4; P2OUT|=BIT5; P2OUT&=BIT6; P2OUT&=BIT7; else if(results=Num) results = sum/Num;/可以使用冒泡排序法，本次采样中无需 index=0; sum=0; ADC12CTL0&=ADC12SC;六、测试方案与测试结果测试方案： 在本次测试过程中，我们使用的是功能强大的安捷伦示波器。我们的测试分为两个个阶段： 第一阶段：利用提供的信号发生源检测焊接、安装好的移相器，电

12、压跟随器，反相器的输出波形变化，并且不断优化，调整。最终初步完成题目的要求。 第二阶段：编写测试程序并且配合模拟电路来测试程控移相电路的工作状态。记录数据，并且进行分析，以此不断优化，从而提高精度。第一阶段测试结果如下表：定值相位电路名称移相后输出值0电压跟随器0.00245移相器44.50390移相器89.003180反相器179.905 第二阶段测试结果如下：分频系数实现概况二分频成功二阶滤波波形不失真，频率为500.1KHZ七、心得体会这次的课程设计是对我们刚刚学习完的模电的一次综合检验，也是自己对所学知识灵活运用的一次肯定，把理论的知识用于实践，在实践中检验真理是对自身能力的一种提高；

13、而且理论联系实践是最有效率的一种学习方法，所以这次的课程设计让我收获良多。 这次课程设计要求我们综合运用模拟电子技术课程中所学到的理论知识，结合课程设计任务要求适当自学某些新知识，独立完成一个课题的理论设计；掌握模拟电路的安装、测量与调试的基本技能，熟悉电子仪器的正确使用方法，能独立分析实验中出现不正常现象(数据处理)，独立解决调试中所遇到的问题。在设计的过程中，我们也遇到了许许多多的问题，也查阅的大量的资料，问题最终都得以解决，但这并不是最重要的，因为遇到困难的而且难以解决的时候难免会感到心浮气躁，这时如何调整自己的心态，怎样重新整理好思路，用更加严谨和科学的态度来重新面对，这才是最重要的。

14、设计完成之后的自我反思也是一个非常必要的环节，总结规律，避免再一次犯错，积累工作经验，提高工作效率，增强意识水平，从而达到完善自身条件，为以后的发展会打下坚实的基础。因为这次的课程设计是团队合作的模式，所以如何处理各个成员之间工作协调的问题也是我们面临的挑战之一。我们团队采取的是分工合作的方法，把整个课题分成若干个模块，每个成员根据自己擅长的能力选择相应的模块进行设计和实验，最后再整合到一起完成整个课程设计。这样便出现了一个问题，那就是可能每个成员自己的模块都能够很好的达到预期的目标，但是整合以后就会出现问题，这样便凸显出设计过程中工作交流和相互讨论的重要性。一个好的团队并不是一蹴而就的，而是经过不断的产生矛盾，然后在解决的过程中加以磨合从而达到融洽和默契。显然，我们的团队也经历了这一过程，而且在这过程中学习