脉冲调宽伺服放大器设计

模拟电子技术课程设计成果

院（系）:_电子信息工程学院_ 班 级: 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位）____ _ ___ 设计题目:______ 脉冲调宽伺服放大器设计_____ 完成日期： 年 月 日

指导教师评语: _______________________________________

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成绩(五级记分制):______ __________

教师签名:_________________________

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目 录

一、设计任务和指标要求……………………………………………………………1 二、设计框图及整机概述……………………………………………………………1 2.1、设计原理框图……………………………………………………………………1 2.2、设计方案…………………………………………………………………………1 2.3、设计框图概述……………………………………………………………………2 三、各单元电路的设计方案及原理说明……………………………………………2 3.1、总设计电路图……………………………………………………………………2 3.2、锯齿波发生器……………………………………………………………………3 3.3、桥式整流器………………………………………………………………………5 3.4、电压比较器………………………………………………………………………6 3.5、功率放大器………………………………………………………………………8 四、仿真调试过程及结果分析………………………………………………………9 4.1、实验现象描述或实验数据记录…………………………………………………9 4.2、实验调试排故等描述…………………………………………………………12 五、设计、安装及调试中的体会……………………………………………………13 六、对本次课程设计的意见及建议…………………………………………………14七、参考资料…………………………………………………………………………14八、附录………………………………………………………………………………15附件1 整机逻辑电路图…………………………………………………………15 附件2 元器件清单………………………………………………………………16

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一、设计任务书

1、设计时间：2010.7.5～2010.7.9

2、地点：逸夫科技大楼电子电工实验室I404 3、课程设计题目：脉冲调宽伺服放大器设计 4、设计内容及要求： 1）设计要求

设计一脉冲调宽伺服放大器，驱动直流伺服电机工作。并实现电机的调速控制。

2）脉冲调宽伺服放大器的主要技术指标：

①伺服电机额定电压为6V，额定电流为300mA； ②可实现电机无级可逆调速，调速范围为0∽额定值; ③伺服放大器输出脉冲频率为1KHz。

二、设计框图及整机概述

2.1设计原理框图

锯齿波发生器 桥式整流 VREF VI VA 电压比较器 V1 功率放大器 V0 直流伺服电机 图1

2.2设计方案 （1）设计思路

①根据直流伺服电机的特点，在其他参量一定时，电机的转速与加在其电枢两端的电压成正比。电枢两端的电压越高，转速越大，改变电机电枢两端的电压值可以实现转速的调整控制。而且由于调速时，伺服电机的机械硬度不变，所以能够实现电机的平滑调速，这就是利用电枢电压调速的优点。

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②脉宽调速。采用矩形脉冲信号作用于直流伺服电机的电枢上，当脉冲信号平率一定时，改变脉冲宽度则可改变电枢两端的直流电压（电压的平均值），从而改变电机的转速，实现脉宽调速。

③可逆调速。对于直流电机，除要求对转速能连续可调外，有时还需要使其转向可变，即实现正转和反转的控制调节。改变加在电机电枢上电压的极性，可实现改变电机的转向，这种工作情况称为双极性工作。采用正负双电源供电，可使电机双极性工作。其工作原理和波形如图2。

图2

2.3设计框图概述

设计首先通过锯齿波发生器产生锯齿波，信号波传送到桥式整流器上进行整流，得到直流信号。电压比较器是为了实现调速而设计的，通过它我们根据设计要求和技术指标设计调速电路。然后将信号传入功率放大器，功率放大器的作用是实现放大电流的作用，然后得到我们要求的得到的电流电压。得到正确电压后，驱动直流伺服电机工作，并实现电机的调速控制。

三、各单元电路的设计方案及原理说明

3.1总设计电路图

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图3 脉冲调宽型伺服放大器设计电路图

3.2锯齿波发生器：

（1）如图4所示为一个锯齿波发生电路。图中集成运放A1组成滞回比较器；二极管VD1、VD2和电位器Rw，使积分电路的充放电回路分开，故A2组成充放电时间常数不等的积分电路。调节电位器Rw滑动端的位置，使Rw1远小于Rw2，则电容放电的时间常数将比充电的时间常数小得多，于是放电过程很快，而充电过程很慢，即可得锯齿波。滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端，而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在A2的输出端得到周期性的锯齿波。

图4 锯齿波发生器整体电路

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（2）工作原理

假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo有关，根据叠加原理，可得：

U＝R1R2Uo1UoR1R2R1R2 ①

则此时U+也为高电平。但当

Uo1＝Uz时，积分电路的输出电压Uo将随着时间

往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至UU0时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使

Uo1＝Uz，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输

出电压将随着时间往正方向线性增长，U+也随之增大，当增大至UU0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使

Uo1＝Uz,同时U+也跳变为一个正值。

Uo1然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压为矩形波，而由于积分

电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo为锯齿波。如图5所示：

图5 锯齿波发生电路的波形图

由上图可知，当

Uo1发生跳变时，锯齿波输出Uo达到最大值Uom，而

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Uo1发

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生跳变的条件是：

UU0，将条件Uo1＝Uz，U0代入①式，可得：

0＝R1R2（-Uz）UomR1R2R1R2 ②

RUom＝1UzR2由此可解得锯齿波输出的幅度为： ③

要使得幅度可调，由③式可知，改变参数R1即可，所以实际电路中R1采用滑动变阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。 3.3桥式整流器：

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。以上两种工作状态分别如图6（a）和（b）所示。

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图6 桥式整流电路的工作原理示意图

如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。 桥式整流电路的整流效率和直流输出与全波整流电路相同，变压器的利用率最高。现在常用的全桥整流，不用单独的四只二极管而用一只全桥，其中包括四只二极管，但是要标清符号，有交流符号的两端接变压器输出，+、-两端接入整流电路。 3.4电压比较器

图7(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则

Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图7(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。

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图7（a）

图7（b）

从图8中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

同相放大器电路如图8所示。如果图7中RF=∞，R1=0时，它就变成与图7(b)一样的比较器电路了。

图8

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3.5功率放大器

（1）电路组成:

互补对称电路如图9所示。

图9 两个射级输出器组成的互补对称电路

该电路是由两个射极输出器组成的。图中,T1和T2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。

（2）工作原理:

① 乙类放大电路:由于该电路无基极偏置，所以VBE1 =VBE2 = Vi 。当Vi =0时，T1、T2均处于截止状态，所以该电路为乙类放大电路。

② 互补电路:考虑到BJT发射结处于正向偏置时才导电，因此当信号处于正半周时，VBE1 =VBE2 >0 ，则T2截止，T1承担放大任务，有电流通过负载RL；

这样，一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，两个管子互补对方的不足，从而在负载上得到一个完整的波形，称为互补电路。互补电路解决了乙类放大电路中效率与失真的矛盾。

③互补对称电路: 为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。双电源乙类互补对称电路又称为OCL电路。

图10 乙类互补对称功放的工作原理

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四、仿真调试过程及结果分析

4.1、实验现象描述或实验数据记录

当锯齿波发生电路输出的8V锯齿波经过桥式整流器后，整流电路将正负幅值的锯齿波变成正向幅值的锯齿波，由于桥式整流器的压降，锯齿波降为7.418V。 如图11所示。

图11

通过调节滑动变阻器R3的阻值来调节门限电压，通过调节门限电压的大小改变输出波形的占空比，得到脉宽可调的矩形脉冲信号V1。当VI为零时，由于VREF=4V，VA与VREF作用，比较器的输出V1为占空比的50%的矩形波信号；当

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VI>0时，正波时间t1大于负波时间t2,占空比大于50%；当VI<0时，正波时间小于负波时间，占空比小于50%。以下是调试出来后的几个波形：

图12

图13

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图14

从电压比较器输出的信号再经过双电源乙类互补对称电路，最终实现电机无级可逆调速，如图15所示。

图15

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4.2实验调试排故等描述

在实验调试过程中遇到输出信号失真、电机电流和转速没有达到额定值等问题。关于输出信号失真情况应该采取改变电阻阻值的大小来调节，使调节后输出的信号不失真，使整个电路完整正确。对于电机电流和转速没有达到额定值，解决办法是在电机线路前加个滑动变阻器，通过滑动变阻来使电机的转速和电流达到额定值。

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五、设计、安装及调试中的体会

《模拟电子技术课程设计》是本科自动化等专业的一门必修非实验课，是在学习完模拟电子技术基础之后一个重要的实践教学环节，是对学生学习模拟电子技术基础后的综合设计性训练，是在教师的指导下由学生独立完成的某一选定课题。通过本次实习，我不但了解一般电子产品的生产过程，还设计出应用性、目的性较强的综合设计性实验电路，并应用multisim仿真软件实现了设计电路的仿真。在电路设计和仿真过程中，我们都遇到了很多的困难和问题，比如在电路设计过程中要选择各种元器件的参数和规格，在仿真过程中出现输出信号失真、电机电流和转速没有达到额定值等。通过老师的指导和查阅相关资料，我们克服解决了所有的困难和问题，最终成功的完成了本次课程设计。

在课程设计过程中，从课程设计的任务出发，通过设计工作的各个环节,我的收获很多：

（1）巩固和加深了我对电子电路基本知识的理解，提高了我综合运用本课程所学知识的能力；

（2）通过查阅手册、图表和文献资料等培养了我的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，提高了我独立分析问题和解决问题的能力；

（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件，我初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

（4）在实习过程中，培养了我严肃、认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，使我逐步建立了正确的生产观点、经济观点和全局观点。

作为一名本科自动化专业的学生，我深知《模拟电子技术课程设计》的重要性，虽然一周的课程设计已经结束，但在设计过程中培养和提高了我的创新思维，为后续的专业课程和实际工作需要作好了铺垫。

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六、对本次课程设计的意见及建议

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,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。本次课程设计是学完《模拟电子技术》和《电子线路计算机辅助设计》等课程之后，让学生综合应用模拟电子技术知识，进行实际模拟电子电路的设计、安装和调试，以加深对模拟电子电路基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践技能。

通过本次课程设计，我不但了解了一般电子产品的生产过程，还设计出应用性、目的性较强的综合设计性实验电路，并应用multisim仿真软件实现了设计电路的仿真，做到了理论联系实际，提高了自己的动手操作能力，按时的完成了课程设计任务。

课程设计是学生实践的重要形式之一，希望学校能够增设课程设计课程，让学生得到更多实践的机会。

七、参考资料

[1]康华光． 电子技术基础模拟部分[M]．北京：高等教育出版社，2003． [2] 任国燕. 模拟电子技术实验指导书[M] 重庆： 重庆科技学院 2008 [3]彭介华． 电子技术课程设计[M]．北京：高等教育出版社，1999． [4] 高嵩. 电子技术[M]. 北京：高等教育出版社，2006

[5] 刘芸. 电路与电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社,2006

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八、附录

附录1、整机逻辑电路图

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附录2、元器件清单

元件 集成运算放大器 二极管 桥式整流器 稳压二极管 三极管 直流电机 电阻 滑动变阻器 电容 电源 型号 741、LM307P 1N4007 MDA990-4 1N4496 2N2102、2N2097A 数量 2、1 2 1 2 各一个 1 5 3 1 9

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