杨帅电路报告

杨帅电路 沈阳航空工业学院 (说明书) PWM信号发生电路 班级 / 学号 6407202-063 学 生 姓 名 杨 帅 指 导 教 师 江 秀 红 沈阳航空工业学院 课 程 设 计 任 务 书 课 程 名 称 模拟电子技术课程 院(系) 自动化学院 专业 自动化 班级 6407202 学号 200604072063 姓名 杨帅 课程设计题目 PWM信号发生电路 课程设计时间: 2008 年 06 月 30 日 至 2008 年 07 月 6 日 课程设计的内容及要求: 一、设计说明 PWM(脉宽调制)广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域中， 是一种对模拟信号进行数字编码的方法。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信号是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 二、技术指标 1(模拟信号输入范围为0~5V。 2(PWM频率不少于1kHz。 3(PWM占空比可根据输入信号的变化而变化。 三、设计要求 1.在选择器件时，应考虑成本。 2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件。 3.画出电路原理图(元器件标准化，电路图规范化)。 四、实验要求 1(根据技术指标制定实验;验证所设计的电路。 2(进行实验数据处理和分析。 五、推荐参考资料 1(童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础. [M]北京:高等教育出版社，2006年 2(谭博学主编.集成电路原理与应用([M]北京:电子工业出版社，2003年 3(孙俊人主编. 新编电子电路大全. [M]北京: 中国计量出版社，2001年 六、按照要求撰写课程设计报告 指导教师 年 月 日 负责教师 年 月 日 学生签字 杨帅 2008 年 07 月 6 日 目 录 1. 概述 ..............................................................................................................................1 2. 方案论证 ......................................................................................................................2 3. 电路工作原理及说明 ...................................................................................................2 3.1 方波-三角波振荡电路 ........................................................................................3 3.2电压比较器电路 ..................................................................................................3 4. 电路性能指标的测试 ...................................................................................................4 4.1方波-三角波振荡电路的测试 ..............................................................................4 电路的测试 .................................................................................5 4.2 PWM信号发生 5. 结论 ..............................................................................................................................7 6. 性价比 ..........................................................................................................................7 7(课设体会及合理化建议 ..............................................................................................7 附录? 元器件清单 ........................................................................................................9 附录? 整体电路原理图 .............................................................................................. 10 参考文献 ......................................................................................................................... 11 沈阳航空工业学院课程设计 PWM信号发生电路 PWM信号发生电路 摘要:PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。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。本文先通过方波发生器产生方波再通过积分电路对方波信号进行积分产生三角波信号，之后通过电压比较器与输入的电压进行比较，产生符合要求的方波信号。所设计的电路经软件仿真测试，所得结果符合技术指标的要求。 关键词:PWM;脉宽调制;电压比较器;方波 1. 概述 脉宽调制(PWM)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方法。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信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM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式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 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。 PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。 第1页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为三类，正弦PWM(包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类)，优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等);而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。 技术指标中要求模拟信号的输入范围为0~5V;PWM频率不少于1kHz;PWM占空比可根据输入信号的变化而变化，本文利用集成运放的线性和非线性的特点设计了两种方案。 2. 方案论证 方案一 电路基本组成如图1所示。通过自激振荡产生正弦波信号，要求正弦波的幅值要尽量大一些，可以使输出波形的占空比按照输入电压的变化而呈线性变化，利于调整。通过电压比较器后正弦波信号与输入电压(0~5V)进行比较产生方波信号。由于正弦波的幅值比较大，正弦波近似于斜率比较大的三角波，因此要经过一定的放大后即可得到符合要求的方波信号。 正弦波发生电路 电压比较器 方波信号 电压比较器 放大电路 方波信号 输入0~5V直流电压 图1 PWM信号发生电路的原理框图 方案二 电路基本组成如图2所示。通过方波-三角波发生电路产生一定幅值的三角波信号，因为三角波是直线型的所以可以直接经过电压比较器再经过电压调节就可以得到所需的方波信号。 第2页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 方波-三角波发生电路 电压比较器 方波信号 输入0~5V直流电压 图2 PWM信号发生电路的原理框图 以上两种方案，方案一的电路比较繁琐，而且正弦波是非线性的，控制起来比较繁琐，误差会比较大，而方案二的电路完全没有方案一的缺点。因此选择方案二为设计方案。 3. 电路工作原理及说明 3.1 方波-三角波振荡电路 方波-三角波振荡电路如图3所示，其原理是: 图3 方波-三角波振荡电路 若电阻R2断开，运算放大器A1与R1，R2，及R3，RP1组成电压比较器 V+=R2/(R2+R3+RP1)(+Vcc)+(R3+RP1)/(R2+R3+RP1)Via=0 (1) 将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 Via- = -R2/(R3+RP1)(+Vcc)= -R2/(R3+RP1)Vcc (2) 比较器翻转的上门限电位 Via+ = -R2/(R3+RP1)(-Vee)= R2/(R3+RP1)Vcc (3) 比较器的门限宽度VH为 第3页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 VH= Via+ - Via- =2* R2/(R3+RP1)Vcc (4) 电阻R2断开后，运放A2与R4，RP2，C2及R5组成反向积分器，当积分器的输入波形为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波。 电阻R2连接后，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。 三角波的幅度 Vo2m= R2/(R3+RP1)Vcc (5) 方波-三角波的频率 f=(R3+RP2)/4*R2(R4+RP2)C2 (6) 3.2 电压比较器电路 电压比较器电路如图4所示，其原理与上面介绍的电压比较器相同 图4 电压比较器电路 4. 电路性能指标的测试 4.1方波-三角波振荡电路的测试 振荡电路采用了由集成运算放大器构成的方波-三角波振荡电路，根据理论计算可选择电阻R1=10k，R2=10k，R3=20k，R4=5.1k，R5=10k，RP1=47k，RP2=100k，电容C1=0.01μF，调节RP1与RP2可得到符合要求的幅值和频率。 振荡电路产生的方波和三角波如图5所示 第4页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 图5 方波和三角波波形 4.2 PWM信号发生电路的测试 图6 PWM信号发生电路 根据理论计算，选择电阻R6=1k，R7=10k，稳压管为02DZ4.7 输出的方波有效值电压如下 当输入0V电压时测量直流电压值及波形如图7所示 第5页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 图7 输出三角波和方波波形以及方波的直流电压值 当输入3V电压时测量直流电压值及波形如图8所示 图8 输出三角波和方波波形以及方波的直流电压值 当输入5V电压时测量直流电压值及波形如图9所示 第6页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 图9 输出三角波和方波波形以及方波的直流电压值 5. 结论 实验结果基本符合课程设计题目的要求，当输入0~5V任意电压值时实验电路所产生的方波的平均值都与输入电压的幅值相对应。实验电路简单，易于操作，输出结果比较精确。 6. 性价比 脉宽调制(PWM)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。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小;流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 7(课设体会及合理化建议 通过这次课设，我学会了有关波形的产生和有关波形的转换方面的知识，特别是对电压比较器有了进一步的理解，学会了Multisim软件的基本操作和具体应用，对自己的课设题目有了深刻的理解。通过查找有关的参考文献，能够自行设计电路图， 独立完成课设题目，对自己所学的知识有了一个系统的全面的复习，把自己所学的知识应用到了具体的实践活动中去，同时也锻炼了自己的动手能力。 第7页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 一周的时间虽然有些短暂，但是这期间的学习过程是最重要的，在调试过程中遇到了一些难题，比如调试时波形严重失真或是幅值频率达不到要求，经过反复的调试，将放大器的电压进行调解并对可调变阻器进行调解，对稳压管进行更换，后来终于调试成功了。经过分析发现稳压管的稳压值与电路总体不符，所以波形幅值就会出错。 又如，在设计题目的开始，由于审题的不清及对题目的不了解，在刚刚开始的时候就走了许多弯路，后来经过多次的失败后对自己的题目进行了重新考虑，最终确立了正确的方案，完成了课设题目。 我觉得电路是否成功这个结果并不是最重要的，重要的是学习的过程，在这个过程中我锻炼了自学能力并培养了坚持的信念，而这些恰恰是我日后学习工作所需要的。参加工作后身边没了老师的指导，靠的就是自己的自学与坚持。非常感谢这次的课设，在此向我的指导教师致以深深的谢意，感谢老师的耐心指导。 在课程设计的过程中也可以看到我们的不足，如原理知识掌握不实，曾经学过的知识如今却不会应用，软件的应用也不熟练，希望日后会提供给我们更多的锻炼机会来培养我们的实践能力。 第8页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 附录? 元器件清单 序号 编号 名称 型号 数量 1 R1，R2，R5 电阻 10.0kohm-1% 3 2 R4 电阻 5.1 kohm-5% 1 3 R3 电阻 20.0kohm-1% 1 4 R6 电阻 1.00kohm-1% 1 5 RP1 滑动变阻器 50k-LIN 1 6 RP2 滑动变阻器 100k-LIN 1 7 R7 滑动变阻器 10k-LIN 1 8 U1，U2，U3 运算放大器 OPA117FZ 3 9 C1 电容 10PF 1 10 V1，V2 直流电源 12V 2 11 D1，D2 稳压管 02DZ4.7 2 第9页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 附录? 整体电路原理图 第10页 沈阳航空工业学院课程设计论文 PWM信号发生电路 参考文献 [1] 童诗白，华成英主编. 模拟电子技术基础. [M]北京:高等教育出版社，2006年 [2] 谭博学主编. 集成电路原理与应用. [M]北京:电子工业出版社，2003年 [3] 孙俊人主编. 新编电子电路大全. [M]北京:中国计量出版社，2001年 [4] 戴伏生主编. 基础电子电路设计与实践. [M]北京:国防工业出版社，2002年 [5] 高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. [M]北京:电子工业出版社，2005年 第11页