基于Multisim的调频通信系统仿真--电气工程及其自动化业设计.doc

1 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 基于 Multisim 的调频通信系统仿真 专业年级专业年级 电气工程及其自动化 2013 级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 评评 阅阅 人人 20172017 年年 3 3 月月 中国中国 马鞍山马鞍山 郑郑 重重 声声 明明 本人呈交的毕业设计（论文） ，是在指导老师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他 人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文） 的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日期： 河海大学文天学院本科毕业论文 2 摘摘 要要 调制和解调是通信技术的核心。鉴于 Multisim 分析高频电路的优点,在深入 分析双边带幅度调制和解调的基础上,本文在 Multisim 环境下建立了一个通信系 统模型。通信系统模型利用磁场感应,采用变压器模块实现天线的收发功能;采用 放大器对解调信号进行放大,实现对输入信号的再现;利用 Multisim 提供的示波 器模块和频谱分析模块,分别对调幅波和解调波进行了波形和频谱分析。实验结 果表明,Multisim 在高频电路仿真中具有快速、准确、灵活等优点。 关键词关键词： Multisim; 调制; 解调; 频谱分析; 河海大学文天学院本科毕业论文 3 ABSTRACT the modulation and demodulation is the core of the communication technology. Given Multisim analysis of the advantages of high frequency circuit, in the thorough analysis on the basis of double sideband amplitude modulation and demodulation, this paper established a communication system in Multisim environment model. Communication system model using magnetic field induction, antenna is realized by using transformer module to send and receive function; Using the demodulation signal amplifier amplification, realize to the representation of the input signal; Using the Multisim provide oscilloscope and spectrum analysis module, respectively for amplitude modulation and demodulation wave waveform and spectrum analysis. The experimental results show that the Multisim in high frequency circuit simulation has the advantages of rapid, accurate and flexible. Key words: : Modulation; Demodulation; Spectrum analysis 河海大学文天学院本科毕业论文 4 目录目录 摘要摘要I ABSTRACT.II 目目 录录.III 第一章第一章 概论概论 4 4 1.1 研究背景4 1.2 调频通信发展历史及现状4 第二章第二章 调频通信的原理介绍调频通信的原理介绍 5 5 2.1 调频通信的基本工作原理5 2.1.1 调频通信的电路原理框图5 2.1.2 调频通信的基本原理.5 2.2. 调频通信的问题解决方案6 2.3. 开发平台简介7 第三章振幅调制电路仿真第三章振幅调制电路仿真 1111 3.1 模拟乘法器普通调幅（AM）仿真.11 3.2 反馈电路的基本类型与选择 12 3.2.1 浪涌电流的抑制.12 3.2.2 热敏电阻技术分析.13 3.3 控制电路的选择.17 3.3.1 单片机控制电路分析.17 3.3.2 芯片控制电路分析.17 3.4 电流工作模式的方案选择18 3.4.1 电流连续模式分析.18 3.4.3 倍压整流技术.19 第四章第四章 硬件结构设计及实现硬件结构设计及实现 2020 4.1 采用 EMI.20 4.1.1 EMI 电源滤波器基本原理.20 4.2 输入滤波、整流电路原理.21 4.3 高频变压器的设计.21 4.3.1 磁芯材料的选择22 4.3.2 磁芯结构的选择23 4.3.3 变压器线圈参数的计算.25 4.4 5V/4A 稳压输出的设计29 4.5 12V/1A 集成电路的输出设计.29 4.6 反馈电路设计.29 第五章结论与展望第五章结论与展望 3737 河海大学文天学院本科毕业论文 5 致谢致谢 3838 河海大学文天学院本科毕业论文 6 第一章第一章 概论概论 1.1 研究背景 “频率调制”，英文名称：frequency modulation。是一种使载波的瞬时频率按 照所需传递信号的变化规律而变化的调制方法。 实现这种调制方法的电路称调频器，广泛用于调频广播、电视伴音、微波 通信、锁相电路和扫频仪等方面。对调频器的基本要求是调频频移大、调频特性 好、寄生调幅小。由调频方法产生的无线电波叫调频波，其基本特征是载波的振 荡幅度保持不变，振荡频率随调制信号而变。 在平时，干扰信号总是叠加在信号上，改变信号的幅值。调频波在受到干 扰后幅度上也会有改变，在接收端也可以用限幅器将信号幅度上的改变抹去，因 此调频波的抗干扰性特别好，所以一般用收音机接收调频广播，基本上听不到什 么杂音。已调波频率变化的大小取决于调制信号的大小，变化的周期取决于调制 信号的频率；但是已调波的振幅却保持不变。可以把调频波的波形比作是一个被 压缩得不均匀的弹簧，载波的瞬时频率根据调制信号的变化而变，但不变的是振 幅的调制方式。载波经过调频后变成调频波。用调频波传输信号能够避免幅度干 扰的影响从而提高通信质量。 1.2 发展历史及现状 Edwin H. Armstrong 是无线广播技术的发展先驱之一，他在 1918 和 1933 年发明了超外差无线接收机（Superheterodyne radio receiver）和调频技术 （frequency modulation） ，这两项发明和他在 1912 年的再生电路技术已成为当 河海大学文天学院本科毕业论文 7 代无线电子的知识基础。美国的调频电台广播频率为 88-108MHz ，频道带宽 200kHz。调频收音机在 1940 年问世时仅支持单声道。立体声则到 1960 年才出现， 内容包括 MPX 多路信号以及立体/单声道混合 (stereo-mono blending )与软静 音 (soft mute )等噪声消除技术。 频率调制（FM）在当时的电子音乐合成技术中，是最有效的合成技术之一， 频率调制是最早由美国斯坦福大学约翰.卓宁（JohnChowning）提出。在 20 世纪 60 年代，约翰.卓宁在大学里开始尝试各种不同的颤音，一天他发现当调制信号 的频率增加并超过某个点的时候，颤音效果居然在调制过的声音里消失了，出现 了一个新的且更复杂的声音。 FM 电台在 1933 年获得专利，近一个世纪中录制和分享人类社会发展中的一 个个重要瞬间。 FM 最常用于广播和电视。事实上工作在 88MHZ 到 108MHZ 的 FM 广播就是使 用 FM 调制方式传播音频型号。每个广播电台可以使用宽度为 38KHZ 的频带进行 音频广播。模拟电视也使用的 FM 调制。0-72 频道的电视台使用了 54MHZ 到 825MHZ 的不同频带。这些频带将用于各种技术，其中也包括 FM 广播。 Radio.no 网站报道称数字音频广播将为挪威听众提供与过去相比更富有多样 性的电台节目。在挪威，全国性数字音频广播频道已经有 22 个，相比之下，全 国性 FM 电台只有 5 个。着名调查机构盖洛普进行的一项调查发现 56%的挪威听众 每天收听数字电台播放的节目。挪威是世界上第一个制定 FM 电台停播时间表的 国家，欧洲和东南亚国家也正向数字音频广播过渡。 然而属于频率调制的时代正在走向没落。2015 年 4 月，挪威宣布 2017 年将 彻底关闭 FM 广播，挪威将成为全世界第一个全面切换到数字广播的国家。 河海大学文天学院本科毕业论文 8 第二章：调频通信的原理介绍第二章：调频通信的原理介绍 2.1 调频的基本工作原理 2.1.1 无线通信系统的基本组成 2.1.2 调频通信的基本原理 调频的基本工作原理：音频信号的改变往往是周期性的，一个最容易理解 音频调制技术的范例是小提琴和揉弦，揉弦通过手指和手腕在琴弦上快速颤动， 使琴弦的长度发生快速变化，从而最终影响小提琴声音的柔和度。与“FM 无线电 波”相同， “FM 合成理论”同样也有着发音体（载体）和调制体两个元素。发音 体或称载波体，是实际发出声音的频率振荡器；调制体或称调制器，负责调整变 化载波所产生出来的声音。载波频率、调制体频率以及调制数值大小，是影响 FM 合成理论的重要因素。 未加调制信号电压时调频波频率等于载波频率 f0，f0称调频波的中心频率或 平均频率。当调制信号处于正半周时，调频波的频率随调制信号瞬时值的增大而 成正比增加，其频率大于 f0。调制信号电压达到正峰值时，调频波的瞬时频率达 话筒 音频 放大器 解调器变频器 激励 放大器 输出功 率放大 扬声 器 音频 放大器 解调器 中频放 大与滤 波 混频器 高频小信 号放大 载波 振荡器 本地 振荡器 天线开关 河海大学文天学院本科毕业论文 9 到最大值 fmax，fmax与 f0的差值 f 叫调频波的频偏或频移。调制信号处于负半 周时，调频波的瞬时频率小于 f0。调频波是一种瞬时频率与调制信号电压的瞬时 值成正比变化的等幅波，频偏仅与调制信号电压的振幅成正比关系，而与调制信 号的频率无关。调频波的图像类似于一个疏密不匀的弹簧，其疏密程度与调制信 号的幅度成正比，疏密变化的速度则与调制信号的频率成正比。 因此，在频率调制过程中，我们可以发现： 1.调制体的频率影响载波体的频率的速度变化。 2.调制体的振幅影响载波频率的深度变化。 3.调制体的波形（或音色）影响载波频率的波形变化。 4.载波体的振幅在频率调制过程中保持不变。 2.1.2. 调频通信的问题解决方案 为了解决无线通信系统中存在的问题，发射机和接收机借助线性和非线性电 子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。 . 调制：由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数，使该参数按照电 信号的规律而变化。 调制信号：携有信息的电信号。 载波信号：未调制的高频振荡信号。 已调波：经过调制后的高频振荡信号。 调幅、调角（调频、调相） 。 2. 解调：调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。 3. 调制的作用： （1）显著减小天线的尺寸；(声音 30 3000 Hz，天线要几百 km)；如果天线 河海大学文天学院本科毕业论文 10 高度为辐射信号波长的四分之一，更便于发挥天线的辐射能力。于是分配民用广 播的频段为 535-1605 KHz（中频段） ，对应波长为 187-560 m，天线需要几十米 到上百米；而移动通信手机天线只不过 10cm，它使用了 900 MHz 频段。这些广播 与移动通信都必须进行某种调制，而将话音或编码基带频谱搬移到应用频段。 （2）将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特 定电台的信息而抑制其它电台发送的信息和各种干扰。 在无线通信系统中，发射机组成包括以下几个部分： （1）振荡器：产生 fosc 的高频振荡信号，几十 kHz 以上。 （2）高频放大器（倍频器）：一或多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使 频率倍增至 fc，并提供足够大的载波功率。 （3）低频放大器：多级放大器组成，前几级为小信号放大器，用于放大微音器 的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。 （4）高频功放及调幅器：实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为 所需的调幅波信号，并加到天线上。 2.3开发平台简介 随着电子信息产业的飞速发展，计算机技术在电子电路设计 中发挥着越来 越大的作用。电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设 计（CAD）逐步被 EDA（Electronic Design Automation）技术所取代。EDA 技术 主要包括电路设计，电路仿真和系统分析三个方面的内容，其设计过程的大部分 工作都是由计算机完成的。这种先进的方法已经成为当前学习电子技术的重要辅 助手段，更代表着现在电子系统设计的时代潮流。 EDA 就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领 域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电 河海大学文天学院本科毕业论文 11 子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB 版图、单片机程序、 机内结构、FPGA 的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物 理级设计，再到 PCB 钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生 产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA 技术借助计算机存储量大、运行速度 快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和 数据处理等工作。 2012 年 3 月，美国 NI 公司又推出了最新的 NI Circuit Design Suite 12 软 件，Multisim 12.0 专业版基于工业化标准 SPICE 仿真，以获得最优化的利用。 使用 Multisim 仿真工具，工程师可以将发生错误和原型返工的概率最小化，从 而提高性能以适合他们的应用。 同时，Multisim 12 与 LabVIEW 前所未有的紧密集成可实现模拟和数字协同 仿真并增强了可用性，其数量众多的元器件数据库，标准化的仿真仪器，直观的 捕获界面，更加简洁明了的操作，强大的分析测试能力，可信的测试结果，将虚 拟仪器技术的灵活性扩展到电子设计者的工作平台上，弥补了测试与功能之间的 缺口，缩短了产品研发周期，提高了电子实验教学和电路设计的效率。 Multisim 12 是一种较新的，基于 Spice 的电路仿真软件，该软件采用图形 操作界面虚拟仿真了一个与实际情况非常相似的电子电路试验工作台，人机界面 友好 ，易于使用和操作，具有显著优势，几乎可以完成在实验室进行的所以的 电子线路实验。并且 Multisim 12 设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验， 直观易学，使用方便，成本低，速度快,效率高,有利于综合应用能力和创新能力 的培养，已经被广泛应用于国内外的教育界和电子技术界以及电子线路分析，设 计，仿真等工作，是世界上最为流行的 EDA 软件之一。Multisim 虚拟仿真软件作 为电路设计验证和辅助调试的有效工具以及先进的电化教学方法已成为电子课程 教学环节和生产技术中不可或缺的一种先进工具和手段。 河海大学文天学院本科毕业论文 12 第三章第三章 振幅调制电路仿真振幅调制电路仿真 调制，解调还有混频电路是通信设备中比较重要的组成部分。调制电路，顾 名思义就是用待传输的低频信号控制高频载波参数的电路。总共有振幅调制和角 度调制两大类，而解调是调制的逆过程，所以解调电路就是从高频已调信号中还 原出原调制信号的电路，也被称为检波电路，还有一种是混频电路，原理是将已 调信号的载频变成另外一种载频的电路。调制，解调还有混频电路都是用以对输 入信号进行频谱变换的电路，这三种都需要采用具有频率变换功能的电路。频谱 变换电路又有两种，一种是频谱搬移电路，第二种是频谱非线性变换电路，调制 电路，解调电路和混频电路都属于第一种，频谱搬移电路，角度调制和解调电路 等都属于第二种，频谱非线性变换电路。 3.1 模拟乘法器普通调幅（AM）仿真 振幅调制简称调幅，调幅一般有基本的普通调幅（我们用 AM 表示） ，还有在 此基础上演变出来的用来抑制载波的双边带调幅（我们用 DDS 表示） ，单边带调 幅（我们用 SSB 表示）等。 当我们从电源库的控制器件库（Control Function Blocks）中找出模拟乘 法器（Multiple） ，然后搭建一个单频调制的普通调幅仿真电路。 图（a）单频调制的普通调幅仿真电路 河海大学文天学院本科毕业论文 13 从图中我们发现，理想的模拟乘法器 A1 有两个电压输入端和，同时还 有一个电压输出端（） ，它的默认系数，端载波信号 （） ，端接（）和稳定的直流电压。假设： 载波信号（）（） 调制信号（）（）（） 根据理论分析可以得出： （）（） （） （） 输出载波电压振幅： 而调幅系数： 通常，在本图中， 、，/， ， 从上面的公式可以看出，输出调幅波（）是一种高频信号，它的 角频率是 ，而振幅在载波振幅的上，下按照调制信号的规律变化，我 们将调幅波振幅变化规律，也就是（） 称为调幅波的包 络，当调制信号的幅值越大，调幅系数（也叫调幅度）就越大，导致调 幅波幅度的变化也就越大。我们为了防止出现调幅失真，一般都会要求 。在本次仿真中，.。 点击“SimulateAnalysesFourier Analyses”选项，设置其基本频率 （Frequency resolution）为 10000HZ，我们需要分析的谐波个数（Number of harmonics）为 20，在这个仿真中，频率步进量为 10KHZ，而载频为 100KHZ，所 以采样点必须大于等于 11，否则将没有办法看到整个频谱图的全貌，我们为了让 显示的频谱图对称且整齐，所以取 20.仿真结果显示为柱形图及曲线图，频谱的 纵轴刻度为线性，在“output 输出”按钮中选择电路的输出电压节点 V4 为待分 析的输出电路节点，点击“simulate 仿真”按钮，便可以得到图（a）所示单频 调制普通调幅电路输出调幅波信号的频谱图，如图（c） 河海大学文天学院本科毕业论文 14 （b）示波器检测的信号电压波形和数据 （c）输出信号频谱分析 对照图所示的仿真电路、示波器检测波形和傅里叶分析频谱图，可以的得出： （1） 仿真检测的调制信号频率与输出调幅波的包络信号频率大部分相同， 而且与理论分析数值基本一致；载波信号的振幅根据调制信号的 变化规律变化而形成的调幅波带着调制信号的信息，所以调幅波 的包络线和相应的调制信号相同。 （2） 调幅波的上边频分量频率是载波频率 fc和调制信号频率 f的合频， 下边频分量频率是载波频率 fc和调制信号频率 f的差值，这和理 河海大学文天学院本科毕业论文 15 论分析的数值大致相同；调幅过程其实是一种频率搬移过程，就 是经过调幅后，调制信号的频谱被对称的转移到载频的两边；上 下边频的振幅相同（都=ma Vcm /2） ，本次仿真中约为 248mv，这和 理论分析值（=0.51v/2=250mv）差不多；在调幅波中载波并不 会含有任何的有用信息，要传输的信息只包含在边频分量中，边 频的振幅代表了调制信号幅度的大小，而边频的频率表示了调频 信号频率的高低。 （3） 调幅波的频谱宽度（我们又叫带宽）BWAM大约为调制信号 f的两倍 约为 19,9KHZ，这和理论分析值 20KHZ 基本一致。 3.2 反馈电路的基本类型与选择 3.2.13.2.1 浪涌电流的抑制浪涌电流的抑制 隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流，相关人员必须在电源的 输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。滤波 电容充电是引起浪涌电流的主要原因，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈 现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的 ESR 值。如果不采取任何保护措施， 浪涌电流可接近几百安培。通常广泛采用的措施有两种，一种方法是：利用电阻 双向可控硅并联网络；另一种方法是：采用负温度系数(NTC)的热敏电阻。 用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值。 电阻双向可控硅技术：采用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输 入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以 把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条 件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控硅的 参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。 3.2.23.2.2 热敏电阻技术分析热敏电阻技术分析 这种方法是把 NTC(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经 过桥式整流后的直流线上。图 3.1 中的 RT1 和 RT2。用了 RTC 热敏电阻的电阻 河海大学文天学院本科毕业论文 16 温度特性和温度系数的关系如图 3.1 所示。 图 3.1 热敏电阻的温度系数 在图 3.1 中，是 RTC 热敏电阻的温度系数，用每度百分比(c)表示。 当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样，由于阻值较 大，它就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对 其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降， 如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值应该是最小。这 样，就不会影响整个开关电源的效率。 输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在 一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引 起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。 在一般情况下，交流电网上的电压为 115v 或 230v 左右，但有时也会有高压的尖 峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象都会使上述情况 产生。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达 5kv。另一方面，电感性开关 产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： (3.1) 2 2 1 LIW 公式中,L 是电感器的漏感，I 是通过线圈的电流。 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电 河海大学文天学院本科毕业论文 17 源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免 单片开关电源的反馈电路有 4 种基本类型：基本反馈电路；改进型基本反馈 电路；配 TL431 的光耦反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路。它们的简化电路如 图所示。 图 3.2 (a) 基本反馈电路 河海大学文天学院本科毕业论文 18 图 3.3（b）改进型基本反馈电路 图 3.4(C) 配 TL431 的光耦反馈电路 河海大学文天学院本科毕业论文 19 图 3.5(d) 配稳压管的光耦反馈电路 (a) 基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开 关电源；其缺点是稳压性能较差，电压调整率 SU=1.5%2%；负载调整率 SI=- 4%+4%。 (b) 改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管 VDZ 和电阻 R1，即可使负载调整 率达到-2%+2% 。VDZ 的稳定电压一般为 22V，为了获得较高的反馈电压 UFB， 可以相应增加反馈绕组的匝数，来满足电路的需要。 (c) 配 TL431 的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。这里用 TL431 型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对 Uo 作精 细调整。这种反馈电路适于构成精密开关电源。 (d) 配稳压管的光耦反馈电路，由 VDZ 提供参考电压 UZ，当 Uo 发生波动时，在 LED 上可获得误差电压。因此，该电路相当于给增加一个外部误差放大器，再与 内部误差放大器配合使用，即可对 Uo 进行调整。 由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作，所以选择配 TL431 的 光耦反馈电路 河海大学文天学院本科毕业论文 20 3.3 控制电路的选择 3.3.13.3.1 单片机控制电路分析单片机控制电路分析 采用单片机或 DSP 控制产生 PWM 波,控制开关的导通与截止。想要使输出电 压稳定在设定值，就需要根据 A/D 后的反馈电压程控改变占空比。负载电流在康 铜丝上的取样经 A/D 后输入单片机， ，过流保护形成于当该电压达到一定值时关 闭开关管时。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳 定性不好，如果想实现自动恢复，实现起来比较复杂。 3.3.23.3.2 芯片控制电路分析芯片控制电路分析 采用 8 脚脉宽调制控制器 UC3842，这个芯片的输出频率即为振荡频率，最大 占空比可达 100%，通常多用于单端反激式变换器，输出功率限于 100W 以下。 UC3842 芯片内部有一个误差比较器 EA，一个振荡器 OSC 和一个电流比较器，一 个 PWM 锁存器和 PWM 逻辑单元，一个互补功率放大输出单元，一个欠压保护电路， 一个标准参考 5V 电压和其它一些辅助电路。电流比较器可用于过流保护，电压 比较器可设置为闭环控制，调整速度快，用这种芯片作为低功率开关电源的 PWM 的控制是很方便的它可以直接驱动双极管，MOSFET 和 IGBT，具有管脚少（8 只引 脚）外围电路简单、安装与调试方便、性能优良、价格合适等优点。采用这种芯 片控制所需元件也应用广泛，特别适于构成无工频变压器的开关电源。 河海大学文天学院本科毕业论文 21 图 3.6 UC3842 内部结构图 3.4 电流工作模式的方案选择 3.4.13.4.1 电流连续模式分析电流连续模式分析 电流连续模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未 减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电 压小。 3.4.23.4.2 电流断续模式分析电流断续模式分析 电流断续模式。断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容 能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非 常高，二极管的损耗非常大，断续输出的电流输出中交流成分比较大，会使输出 电容上的损耗增加。在相同功率输出的情况下，断续工作模式的峰值电流要高很 多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。但是这种模式工作设计不复杂。 鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式 河海大学文天学院本科毕业论文 22 3.4.33.4.3 倍压整流技术倍压整流技术 为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图 3.7 所示。 在图 3.4.3 中，两种输入交流电压的转换由开关 S1 来完成，此外，本电路中的 压敏电阻 RV 和可控硅 VS 具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。 电路工作过程如下：当开关 S1 闭合时电路在 115V 交流输入电压下作用。在交 流电的正半周，通过二极管 VD1 和电容器 C1 被充电到交流电压的峰值。即 115v1414160v，在交流电的负半周，电容器 C2 通过二极管 VD4 也被充电 到 160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器 C1 和 C2 上充电电压之和即 160V 十 160V320V。当开关 S1 打开时，极管 ValVD4 组成了全桥式整流电路， 对输入的交流 230V 进行整流，也同样产生 320V 的直流电压。 图 3.7 倍压整流电路图 河海大学文天学院本科毕业论文 23 第四章第四章 硬件结构设计及实现硬件结构设计及实现 4.1 采用 EMI 4.1.14.1.1 EMIEMI 电源滤波器基本原理电源滤波器基本原理 传导干扰根据传播方向的不同，可分为两种：一种是从电源进线引入的外界 干扰，另一种是由电子设备产生并经由电源线传导出去的噪声干扰。所以，电子 设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从干扰电流的流动途径来看，传 导干扰又分为共模干扰和差模干扰，共模干扰是两条电源线对大地（简称线对地） 的噪声，大小方向一致，主要由电源线对地的杂散电容引起；差模干扰是两条电 源线之间(简称线对线)的噪声，大小一致，方向相反。 通常共模干扰和差模干扰是同时存在的，而且因为线路阻抗不平衡等原因， 共模干扰和差模干扰会互相转化，情况十分复杂。 抑制传导干扰的方法中应用最广泛的是在电源输入端加 EMI 滤波器。EMI 滤 波器对共模和差模干扰都要起作用。所以，实际设计中就要区分两种不同干扰， 分别加以有效的控制，以满足电磁兼容的标准。 图 4.1 EMI 滤波器结构 差模抑制电容，：0.1uF0.47uF； 1X C 2X C 差模抑制电感 L1，L2：100uH130uH； 共模抑制电容， ：(U0-1) /If，R1 需大于 8。又 1/R11mA，故 R1 选择 200的限流电阻。在 TL431 并接一 个 0.1F 的电容，起到频率补偿的作用。 4.5 12V/1A 集成电路的输出设计 该电路采用 7812 和 7912 集成电路构成。首先是用 1N4002 进行全桥整流， 再经过 1000F/50V 电解电容及 0.1F 的电容进行滤波。然后输入 7812,7912 集成 芯片作为稳压控制。最后再通过 100F，0.1F 电容整流滤波输出。 4.6 反馈电路设计 变压器反馈绕组输出后，选择 1N4148 进行整流，选择 0.1F 的电容进行滤 波。与 top223y 以及光耦进行连接。当输出电压波动，与 TL431 进行比较后形成 阴极误差电压，在光耦中产生相应的电流变化，反馈至 TOP223y，改变其控制端 的电流大小，进而实现占空比的调节。根据光耦的电流放大率，此处选择 PC871。 河海大学文天学院本科毕业论文 33 图 4.3 综合结构电路图 河海大学文天学院本科毕业论文 34 第五章第五章 输入保护器件保护设计输入保护器件保护设计 保护电路的设计，无疑是电源设计中一个非常重要的环节，它对于提高电源 工作的安全可靠性、延长电源的使用寿命都起着十分重要的作用。在设计保护电 路时，一方面要保证其功能完善，工作稳定可靠；另一方面应力求简单明了，避 免繁复。 5.1 整流电路的谐波干扰 开关电源中，工频交流电流经过整流桥后，不再是单一频率的电流，而是单 向脉动电流，其波形如图 5.1 所示，除了一直流分量之外，还包含一系列高频谐 波的交流分量这些高频谐波会沿着传输电路产生传导干扰和辐射干扰，一方面， 它使前端电源线上的电流发生畸变，另一方面，通过电源线，产生射频干扰，使 接收机产生干扰。 图 5.1 单向脉动电流 5.2 高频变压器造成的干扰 高频变压器是开关电源中完成电压变换、电气隔离、能量存储的重要部件， 河海大学文天学院本科毕业论文 35 与此同时它的漏感也是形成尖峰干扰的重要原因理想的 MOSFET 的波形是方波 (不考虑变压器的漏感和开关管的上升和下降时间)，本身就含有大量的高次谐波， 实际工作中，由于变压器漏感的作用还会产生电压关断尖峰，如图 5.2 所示当 开关管从转换到的瞬间，一部分能量没有从一次绕组传输 N-次绕组，而 ON T OFF T 是储存在漏感中这部分能量释放形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上， 形成关断电压尖峰这种瞬变是一种传导型电磁干扰，它既影响变压器初级，还 会使传导干扰返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，从而影响其他设备的安全 和经济运行。 图 5.2 MOSFET 关断波形 5.3 输出整流二极管的尖峰干扰 一般的二极管就是一个 PN 结(肖特基二极管除外)，二极管导通时，在 P 区 和 N 区分别有电子和空穴两种少数载流子存储，当突然反加电压时，存储电荷在 反向电场的作用下将被复合掉或者回到己方区域，这样便形成了反向恢复电流， 其波形如图 5.3，其中，一 0 是反向最大恢复电流， 是二极管的反向恢复电 压由于引线电感、次级漏感以及二极管的结电容，在关断电压上叠加了一个衰 减振荡电压，从而形成了关断电压尖峰。 河海大学文天学院本科毕业论文 36 图 5.3 反向恢复电流 5.4 过流保护电路的设计 过流包括电源负载超出规定值和电源输出线路出现零负载（即短路） 。当出 现负载短路、过载或控制电路失效等意外情况时，流过开关电源中功率开关管的 电 而截止，自动切断电路电流。过流保护电路图如图 5.4 所示。 河海大学文天学院本科毕业论文 37 图 5.4 过流保护电路图 过流保护电路是利用 TL494 内部的控制放大器进行闭环负反馈控制的。控制放大 器反相输入端第 15 脚的参考电平是由 TL494 内部产生的+5V 基准电压与+36V 直 流输出电压经 R16 和 R17 分压得到的，这点电平的高低实际上反映了+36V 直流输 出电压与标准的+5V 基准电压的差值。控制放大器同相输入端第 16 脚的输入信号， 取自+36V 直流输出电路中由 R14 和 R15 组成的电阻分压网络的中点。当+36V 直 流输出过流时，取样电阻 R14 的电压降必然增大。这样将造成控制放大器的同相 端电平比反相端电平上升得更高。馈送到控制放大器两个输入端的输入信号的变 化将导致 TL494 输出控制脉冲的宽度变窄。如果过流严重，会使它输出的脉冲宽 度变为零。结果，当然使+36V 输出端电压下降或变为零，从而实现自动保护的功 能。 5.5 过压保护电路的设计 过压保护是开关电源用得最多的一种保护方式。过压大多发生在以下情况： 检测线路断开，控制电路损坏，或者供电电源突然发生电压变化。过电压发生时， 首要任务是保护负载，其次是保护功率开关管。 输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。常用的方法是晶闸管短路 保护。当输出电压过高时，稳压管被击穿，触发晶闸管导通，把输出端短路造成 过电流，通过保险丝或电路保护器将输入切断，保护负载。响应时间相当于晶闸 管的开通时间，约为 510s。它的缺点是动作电压是固定的,温度系数大，动 河海大学文天学院本科毕业论文 38 作点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各 不相同,给调试带来了困难。但由于其简单，成本较低，应用很广泛。过压保护 电路图如图 5.4 所示。 图 5.5 过压保护电路图 该过压保护电路是由稳压二极管 D11、电阻 R18 与 R19、电容 C10、晶闸管 SCR 以及晶体管 Q6 组成的。当直流输出端的输出电压超过规定值 44.4V 时，稳压 二极管 D11 击穿而处于导通状态。此时 R19 及 C10 两端的压降等于直流输出端的 实际输出电压与 D11 的稳压值之差，SCR 的门极在此电压触发下将由原来的阻断 状态转为导通状态。一旦导通，与之相连的三极管 Q6 的基极电位下降至零伏左 右，Q6 进入饱和导通状态。因而，TL494 的死区电平控制端第 4 脚的电平将上升 至+5V 左右，结果将使 TL494 的第 9 脚和第 10 脚输出的调制脉冲宽度变为零，功 率开关管 Q2 处于截止状态，所有的输出都为零，从而达到过压自动保护的功能 5.6 欠压电路的设计 输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关电源内部或输出负载发 生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关电源的输出电压 跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设置欠电 压保护。欠压保护电路图 5.6 所示。 河海大学文天学院本科毕业论文 39 图 5.6 欠压保护电路图 该欠压保护电路是由普通二极管 D12 和 D14、稳压二极管 D13、电容 C11、电 阻 R23 以及晶体管 Q6 组成的。在供电电压正常时，输入电压控制信号幅值大， 足以使 D13 处于导通状态，D14 处于反向偏置状态。这时的欠压保护电路对整个 电路无影响。反之，当供电电压低于规定值时，来自输入电路的欠压保护信号的 幅值已小到不能使 D13 处于导通状态。一旦 D13 截止，D13 的负端电平将下降到 零，结果导致 Q6 导通，TL494 的死区电平控制端第 4 脚的电平上升到+5V 左右， TL494 输出的驱动脉冲的宽度为零，功率开关截止，从而使整个电路输出为零。 这样就实现了欠压自动保护的功能。 河海大学文天学院本科毕业论文 40 第六章第六章 结论与展望结论与展望 本次设计采用以性能优良的脉宽调制控制器 TL494 作为开关电源的控制核心， 采用正激的方式，实现 AC 到 DC 的转换，其中整流部分采用单相桥式不可控整流。 直流变换采用降压式变压器耦合 DC/DC