占空比可调方波变换电路

1、沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 占空比可调的方波变换电路 系 别 自控控制工程系 班级 测控本082 学生姓名 张 国 辉 学号 2008310225 指导教师 黄硕/张玉梅 职称 讲师/讲师 起止日期：2010年5月24日起至2010年 5月28日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 占空比可调的方波变换电路 系 别 自动控制工程系 班级 测控本082 学生姓名 张 国 辉 学号 2008310225 指导教师 黄硕/张玉梅 职称 讲师/讲师 课程设计进行地点： 实训F203 任 务 下 达 时 间： 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 日批准占空比可调的方波变换电路1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：（1）掌握比较器、PWM（占空比调制）电路的构成、原理与设计方法；（2）熟悉模拟元件的选择、使用方法。1.2 基本要求（1）含有输入隔离级；（2）输入方波信号，幅度3V，频率1kHz；（3）占空比可线性调整；（4）输出调制占空比的方波频率要求频率1kHz。1.3 发挥部分自主方波产生电路；（2）其他。2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、实际接线图

3、各一份；（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，文字中的小图需打印。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A3，附录中的大图可以手绘，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算（重要）、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12010.5.24讲解主要设计内容，学

4、生根据任务书做出原始框图打分22010.5.25检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分32010.5.26检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解接线图绘制及报告书写打分42010.5.27继续修正逻辑图，指导接线图绘制方法，布置答辩打分52010.5.28答辩、写报告打分2010.5.28沈 阳 工 程 学 院 模拟电子技术 课程设计成绩评定表系（部）： 自动控制工程系 班级： 测控本082 学生姓名： 张国辉 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律

5、，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，

6、符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要脉宽调制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形

7、式可将噪声影响降到最小。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。我设计的电路主要包括、积分电路、隔离级、比较器。采用由上至下的方式，分别设计每个模块，都调试成功后再将各个模块组合到一起。首先是自主产生方波，然后通过积分电路将方波变换成三角波；最后再将三角波与输入波形通过比较器比较产生方波。比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到方波的变换电路主要由比较器来完成。通过改

8、变输入电压的方式改变输入波形，而输入电压可以采用滑动变阻器分压来实现，使用方便关键词 方波，积分电路，占空比，比较器III目 录课程设计任务书.I课程设计成绩评定表.中文摘要.1 设计任务描述11.1设计题目 占空比可调的方波控制电路11.2设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路23 设计方框图34.各部分电路设计及参数计算44.1 积分电路44.1.1 选择电路形式44.1.2 确定时间常数 =RC54.1.3 选择电路元件54.1.4 积分电路图64.2 电压比较器64.3 隔离级75工作过程分析86元器件清单117主要元器件介绍127.1

9、 集成运放LM324AD127.1.1 LM324AD简介127.1.2原理图、引脚图127.1.3 数据单137.2 集成运放 LM324AD137.2.1 LM393AD简介137.2.2 引脚图、内部结构图147.2.3数据单157.3 电阻电容材料的选择167.3.1 电阻材料的选择167.3.2 电容材料的选择16小结17致谢18参考文献19附录20A1逻辑电路图 .20A2实际接线图.21占空比可调的方波变换电路1 设计任务描述1.1设计题目 占空比可调的方波控制电1.2设计要求 1.2.1 设计目的： (1)掌握比较器、PWM（占空比调制）电路的构成、原理与设计方 法； (2)熟

10、悉模拟元件的选择、使用方法。 1.2.2 基本要求： (1)含有输入隔离级； (2)输入方波信号，幅度3V，频率1kHz； (3)占空比可线性调整； (4)输出调制占空比的方波频率要求频率1kHz。 1.2.3 发挥部分： (1)自主方波产生电路； (2)其他。2 设计思路 根据设计要求，首先想到应将输入的方波信号先转换为三角波，再将三角波作为输入信号输入电压比较器。对本课设要求我采用由上而下的设计思路，将电路拆成三个模块，分别是：积分电路、隔离级、电压比较器积分电路：由功率放大器和电容及电阻组成，输入信号由功率放大器的反相端输入， 为补偿偏置电流所产生的失调，在同相端与地之间接一电阻；为了防

11、止积 分漂移所造成的饱和或截止现象，在积分电容的两端并联一个隔离级 ：起隔离缓冲的作用，若直接连接作用信号会衰减，而加跟随器隔离后， 信号能不衰减的传输到负载，其原理是跟随器的输入阻抗特别大，而输 出阻抗特别小。隔离级为简单的电压跟随器，应考虑运放器的市场价格 ，减小成本比较器 ：当电压比较器的参考信号大于给定三角波信号时输出最大值VCC；反之， 若参考信号的大小小于三角波信号，则输出最小值VEE,所以经比较器输出 的便是方波。 因为题目要求输出的方波占空比可调，故我采用改变电压比较器参考信号的方法，为了改变参考信号，可在输入信号前加一个滑动变阻器来分压，通过滑动变阻器，就可以改变参考信号的大

12、小，进而很方便的调节输出方波的占空比。3 设计方框图参考电压 正弦波信号 积分电路 隔离级电压比较器4.各部分电路设计及参数计算4.1 积分电路 4.1.1 选择电路形式 开始时以为积分是个很容易的环节， 只需要一个电阻一个电容在加上一 个集成运放便可以，便设计了一个 简单的电路如右图4-1 图4-1 但是经过multisim仿真却得不到想 要的结果，multisim仿真图只是一 条直线，而不是方波，multisim输 出如右图4-2 图4-2 所以这个电路图只在理论上成立， 试验中根本无法实现，经过查阅 资料这是积分漂移所造成的现象， 为了解决这个问题，对电容并联 一个积分漂流泄露电阻，防止

13、积 分漂移造成的饱和或截止。原理 图如右图4-3 图4-3 4.1.2 确定时间常数 =RC 的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压Uomax 为有限值（通常Uomax=10V左右），因此，若的值太小， 则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波 形会严重失真。所以的值必须满足： （E为阶跃信号的幅值）另外，选择值时，还应考虑信号频率的高低，对于正选波信号，积分电路的输出电压为： 由于的最大值为1。所以要求： 即 因此，当输入信号为正弦波时，的值不仅受运算放大器最大输出 电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信 号，频率的值应该越大 4.1.3

14、 选择电路元件 1） 当时间常数=RC确定后，就可以选择R和C的值，由于反相积分 电路的输入电阻,因此希望R的值大一些。在R的值满足输入 电阻的条件下，一般选择较大的C值，而且C的值不能大于1。 我设计的电路经不断的调整最后选择R=10K,C=220nF 2） 确定 为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取 3） 确定 在实际电路中，通常在积分电容的两端并联一个电阻，是积分漂流泄露电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象,选择大小为10K 4） 集成运放我选择LM324AD，因为LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，其性能完全符合本段

15、电路的要求。4.1.4 积分电路图 最后的积分电路图如图4-4 图4-44.2 电压比较器 由运放LM393构成的比较电路如图4-5 所示。此电路为同相比较器，即当输入信号的值2端电压大于3端参考电压的值时，运放输出电压接近于正电源电压+VCC,当2端电压小于3端参考电压时，运放的输出接近于负电压-VCC。集成运放器参考材料选择LM393AD 图4-5电压比较器4.3 隔离级 选用电压跟随器作为隔离级。将输入信号与比较器进行隔离如图4-6 图4-65工作过程分析 首先，在运放LM324AD的反相端接输入信号，输入信号设置如图5-1， 图5-1 输入的方波 经计算可得经过积分电路后LM324AD

16、的输出电压为： 仿真波形下图5-2 图5-2 积分环节仿真结果将此三角波作为电压比较器LM393AD的输入信号输入同相端，而在LM393AD的反相端接参考电压，由于LM393AD的同相端和反相端之间能承受的电压很小，故在反相端并联一个起分压作用的滑动变阻器，该滑动变阻器同时起调节输出方波占空比的作用。当输入信号大于反相端电压时，LM393AD输出的为高电平,当输入信号小于反相端时LM393AD的输出为低电平0V，仿真波形如图5-3（图中上面的波为输出的占空比可调方波，下面的为输入波形），此时滑动变阻器调至10%。 （输入波形） （输出波形） 图5-3若要改变输出方波的占空比，只需改变反相端参考

17、电压的大小，即改变滑动变阻器接入电路中的电阻，滑动变阻器接入电路的电阻越大，则接入反相端的电压越大，进而方波的占空比越小，当接入为总电阻的90%时，输出的方波波形如图5-4 （输入波形） （输出波形） 图5-4仿真结果显示的输出方波占空比明显不同，当滑动变阻器接入电路的电阻小时占空比小，当输入电路的电阻大时，输出方波的占空比也大，实现了本课程设计的要求。6元器件清单 表6-1 原器件清单 序号元件名称规格数量1集成运放器LM324AD22集成运放器LM393AD13电阻R10K54电容C220nF15滑动变阻器R61K16电源V15V17主要元器件介绍7.1 集成运放LM324AD7.1.1

18、LM324AD简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图7-1所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图7-1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324AD引脚图见图7-2，热敏电阻连接： 88.00热敏电阻状况： 0.00功耗： 1.26 降值

19、拐点： 0.00最低工作温度： 0.00最高工作温度： 70.00静电放电： 250.007.1.2原理图、引脚图 图7-1原理图 图7-2 引脚图 7.1.3 数据单 表7-1 LM324AD的数据单 7.2 集成运放 LM324AD 7.2.1 LM393AD简介LM393 是双电压比较器集成电路。是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K 将减小反馈信号,而且增加甚

20、至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要.该电路的特点如下：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:118V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装

21、（SOP8） 热敏电阻连接： 0.00热敏电阻状况： 0.00功耗： 0.00 降值拐点： 0.00最低工作温度： 0.00最高工作温度： 70.00静电放电： 0.007.2.2 引脚图、内部结构图 A LM393AD 引脚图 图7-3 LM393引脚功能排列表 B LM393AD 内部结构图 图7-4 LM393AD内部结构图 7.2.3数据单 表7-2 LM393AD主要参数 表7-3 LM393AD电特性 7.3 电阻电容材料的选择 7.3.1 电阻材料的选择本实验的电阻我均选择碳膜电阻，碳膜电阻器是膜式电阻器的一种，它是用碳氢化合物在高温真空下热分解的结晶碳，使其在陶瓷骨架上沉积一层

22、碳膜而形成的电阻器。通过控制碳膜厚度和对膜刻槽来控制阻值的大小。碳膜电阻有以下特点： 1具有良好的稳定性，电压的改变对阻值的影响极小，且具有负温度系数。 2高频特性好，可制成高频电阻器和超高频电阻器。 3固有噪声电动势小，在1OHV/V以下。 4阻值范围宽，一般为2.1-1OM。 5额定功率有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、1OW等。 6精度高，通过对膜切割螺纹可调整阻值，制成精密电阻器。 7脉冲负荷稳定，对脉冲的适应性好。 8制作容易，生产成本低，价格便宜，小体积可节省安装空间 9应用范围非常广泛，有散装和编带包装形式，适用于交流、直流和脉 冲电路 7.3.2 电容材料的选择

23、电容我选择的是钽电解电容，钽电解电容性能优异，是电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。适应目前电子技术自动化和小型化发展的。它属于电解电容的一种，使用金属钽做介质， 钽电容的特点是寿命长、耐高温、准确度高、滤高频改波性能极好。在钽电解电容器工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。 固体钽电容器电性能优良，工作温度范围宽，而且形式多样，体积效率优异小结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实际能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异,当今模拟电子应用在生活中可以说是无处不在.因此作为二十一世纪的确大学