電子電路設計與調試

1、第1章電子電路設計與調試綜述 11 電子電路系統(tǒng)設計綜述 111 電子電路系統(tǒng)設計的基本原則 1滿足系統(tǒng)功能和性能要求 電子電路系統(tǒng)設計、研制過程自始至終是設計者滿足適應設計任務書中規(guī)定的系統(tǒng)功能和性能要求的過程。好的設計必須完全滿足設計要求的功能特性和技術指標。 2電路簡單、成本低、體積小 在滿足功能和性能要求的前提下，電路越簡單、元器件越少、失效率越低、可靠性越高，越經(jīng)濟。必須指出，設計過程中采用系統(tǒng)集成技術是簡化系統(tǒng)電路最好的方法。 3電磁兼容性好 符合國際、國家電磁兼容性標準，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品尤其是高速、高頻電子產(chǎn)品和電子系統(tǒng)鑒定定型的必備條件。產(chǎn)品要經(jīng)過電磁兼容性認證。所以一個電子系統(tǒng)

2、應具有良好的電磁兼容特性，要進行電磁兼容性及抗干擾設計。實際設計時，設計結果必須滿足給定電磁兼容條件，以確保系統(tǒng)正常工作。如設計任務中未給出，應查國家電磁兼容性標準，按國家標準設計。 4可靠性高 電子電路系統(tǒng)的町靠性要求與系統(tǒng)的實際用途、使用環(huán)境等因素有關。一般情況下，大型電子系統(tǒng)必須進行可靠性設計。軍品尤其如此，并專設可靠性設計師崗位從事可靠性設計、測試等工作。 任何一種工業(yè)系統(tǒng)的可靠性計算都是以概率統(tǒng)計為基礎的，因此電子電路系統(tǒng)的可靠性是一種定性估算，所得到的結果也只是具有統(tǒng)計意義的數(shù)值。實際卜，電子電路系統(tǒng)可靠性的汁算方法和計算結果與設計人員的實踐經(jīng)驗有相當大的關系。所以設計人員應當注意

3、積累總結經(jīng)驗，提高可靠性設計水平。 可靠性設計的基本知識、系統(tǒng)可靠性設計、電路可靠性設計、可靠性預計及可維修性設計基本原理受篇幅限制，本書不能一一介紹。可靠性設計有不少專著，請讀者查閱。 5系統(tǒng)集成度高 高集成度的電子系統(tǒng)，必定具有電磁兼容性好、，可靠性高、制造工藝簡單、體積小、質量容易控制及性能價格比高等一系列優(yōu)點，所以在設計電子系統(tǒng)時，應最大限度地提高集成度，這是設計電子系統(tǒng)必須遵循的重要原則。 6調試簡便 也就是在電子電路設計時，必須同時考慮電路的調試問題。若一個電路系統(tǒng)，電子電第1頁路調試繁瑣、困難或調試點過多，該系統(tǒng)質量難以保證，無法達到設計要求。 7生產(chǎn)工藝簡單 生產(chǎn)工藝簡單意味著

4、以簡單方式生產(chǎn)，成本低，質量易于控制。生產(chǎn)工藝是電子電路系統(tǒng)設計者應考慮的重要問題，無論是批量生產(chǎn)還是試制的樣品，簡單的生產(chǎn)工藝會對電路制作和調試帶來很大的方便。 8操作簡便 操作簡單方便是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)的重要特征，只有操作簡便的電子產(chǎn)品才有生命力，才有市場。 9節(jié)能 要求電子電路和電子系統(tǒng)效率高、耗電小。 10性能價格比高 通常我們希望所設計的電子電路能同時符合上述各項要求，但有時會出現(xiàn)互相矛盾的情況。例如設計中有時會遇到這樣的情況：如果要使耗電最小或體積最小，則成本升高，或可靠性差，或操作復雜。在遇到矛盾的情況下，應視具體情況抓住主要矛盾來解決問題。例如對于用市電即交流電網(wǎng)供電的電子設備

5、，在電路的總功耗不大的情況下，功耗大小不是主要矛盾。而對于用微型電池供電的航天電子儀器而言，功耗大小則是主要矛盾之一。 在設計過程中應注意運用“代價交換”原則。所謂“代價交換”是指犧牲一種次要性能為代價換取另一種必備性能的提高。最普通和最容易理解的例子是研制經(jīng)費與設備性能之間的交換。費用也是設備的性能，但不是技術性能，它和許多性能之間都有矛盾，犧牲一些次要性能或功能以降低價格，或者不惜代價取得必要的高性能。 112 電子系統(tǒng)設計、研制過程 一個電子系統(tǒng)、電子設備的設計沒有特定的程式可循。隨著計算機科技發(fā)展，傳統(tǒng)的設計方法與電子沒計自動化共存，一個電子產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)過程有很大差別。但凡產(chǎn)品設計

6、，一般應先下設計任務書，根據(jù)任務書進行設計。對于一個電子系統(tǒng)、電子產(chǎn)品設計研制一般的過程如圖111所示。 1 .技術調研 技術調研的目的是了解同類系統(tǒng)產(chǎn)品的國內、國際的水平，現(xiàn)有系統(tǒng)或產(chǎn)品的主要優(yōu)缺點，主要關鍵技術、技術難點及其解決途徑，關鍵元器件和材料供應情況，擬趕超的技術等。同時搜集技術資料。調研方法可外出調研，也可在互聯(lián)網(wǎng)上調研。 2可行性論證 可行性論證分為市場需求論證、經(jīng)濟可行性論證、技術可行性論證。第2章分立元件放大電路設計與調試 一個分立元件放大電路必須由輸入信號源、半導體器件、輸出負載、直流電源和相應的偏置電路組成。其中，輸入信號源通常是將非電量變換為電量的換能器，它們可用圖

7、211所示的等效電路表示，es為信號源電動勢，Rs為信號源的等效內阻。 實際放大電路可以接成多種形式，有共發(fā)射極組態(tài)的放大電路、共基極組態(tài)的放大電路、共集電極組態(tài)的放大電路。 21 共射放大電路設計 共射放大器的輸入端為基極和發(fā)射極，輸出端為集電極和發(fā)射極，發(fā)射極是公共端。在晶體管參數(shù)和元件值相同的條什下，共射放大器的電壓、電流放大倍數(shù)均較大，因而功率放大倍數(shù)最大，其輸入、輸出電阻適中，故使用最廣泛。 211 放大電路的偏置電路、穩(wěn)定度、組成原則和晶體三極管的選用 1偏置電路 分立元件放大電路必須設置偏置電路，設置偏置電路的目的是提供合適的靜態(tài)工作點(Q點)，二是在外界條件變化時，提供的靜態(tài)工

8、作點應保持穩(wěn)定。 偏置電路所提供的靜態(tài)工作點是否合適，牽涉到各方面的要求。其中最基本的要求是所提供的靜態(tài)工作點必須處在晶體三極管的放大區(qū)；進一步的要求是，當輸入信號電壓較大而使基極信號電流也有較大的變化時，晶體三極管仍能工作在放大區(qū)，否則就會使輸出電壓波形失真，靜態(tài)工作點偏低時易出現(xiàn)截止失真，靜態(tài)工作點偏高時易出現(xiàn)飽和失真。 當工作點取定后，飽和失真和截止失真均與輸入信號電壓的大小有關。輸入信號電壓越大，飽和和截止失真就越大。從獲得不產(chǎn)生飽和失真或截止失真的最大輸出信號電壓(或者說，獲得最大的輸出電壓動態(tài)范圍)的觀點來看，靜態(tài)工作點應取在交流負載線的中點附近。 當輸入信號電壓足夠小，放大器工作

9、在小信號時，即使靜態(tài)工作點取在飽和區(qū)或截止區(qū)的附近，放大器也不會產(chǎn)生明顯的飽和失真或截止失真，這時，靜態(tài)丁作點取得是否合適，主要不是從出現(xiàn)飽和或截止失真來評價，而是山增益、輸入電阻、噪聲等性能進行綜合的評價。第13頁2溫度對靜態(tài)工作點的影響 在基本共射放大電路中，電源電壓變化，元器件老化引起參數(shù)的變化，晶體管特性隨溫度的變化，都將使Q點產(chǎn)生變化。若采用高穩(wěn)定度電源和在使用前對元件進行老化工藝處理可以基本消除前兩方面因素對Q點影，所以牛導體器件對溫度的敏感性成為Q點不穩(wěn)定的主要因素。 當溫度升高時，晶體三極管的穿透電流ICEO增大，在B-E間電壓不變的情況下，IBO增大，增大。當溫度增加1c時，

10、ICEO增加68；溫度增加10t時，ICEO大約增加2倍。即使在常溫時，同類晶體管的ICEO也是不一致的。對于硅晶體管，人Eo也隨溫度變化，但是當電極面積相同時，硅晶體管ICEO的變化僅為鍺晶體管的1100以下。這些變化集中表現(xiàn)為集電極電流Ico明顯增大，因而管壓降UCEO明顯減小。Q點將沿直流負載線上移，嚴重時會導致電路產(chǎn)生飽和失真，甚至Q點移到飽和區(qū)。UBE隨溫度的變化硅管、鍺管大體相同，約為-25mV。在常溫情況下Ic為1mA左右時，鍺管的UBE約為015V，硅管的UBE約為065V；隨溫度每升高1，其相對值增加051。 3穩(wěn)定系數(shù) 隨著ICEO的變化，調好的集電極電流Ic也隨著變化，其

11、變化程度用穩(wěn)定系數(shù)5表示，即 如果s值太大，ICEO的變化對Ic的影響就大，工作不穩(wěn)定，從這點考慮希望s值要小，但是若5值太小，則電路的直流損耗增大；同時增益減小。所以一般規(guī)定s值約為515。 4放大電路的組成原則 (1)必須有直流電源，而且電源的設置應使晶體三極管的發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，保證晶體三極管工作在放大狀態(tài)。放大時，硅管UaE=07V，鍺管UBE=02V，UcE>IV。若硅管Urx=03V，鍺管Ucx=01V時，三極管處于飽和狀態(tài)。 (2)元件的安排要保證信號的傳輸，即信號能夠從放大電路的輸入端加到晶體三極管上(由信號輸入回路)，經(jīng)過放大后又能從輸出端輸出(由信號輸出

12、回路)。 (3)元件參數(shù)的選擇要保證信號能不失真地放大，并滿足放大電路的性能指標要求。 判斷一個電子電路是否具有放大使用，主要根據(jù)2PJI,條原則。 5分立元件放大電路晶體三極管的選用條件 根據(jù)晶體三極管主要參數(shù)進行選用，選用時，應盡量滿足以下條件： (1)特征頻率人要高，一般人要比工作頻率高3倍以上。 (2)"值不能過大，一般取40-80。值過高，容易引起自激振蕩。 (3)集電極反向電流要小，一般應小于10A。 (4)在音響電路中，晶體三極管的集電結電容cc要小，以提高頻率高端的靈敏度。 (5)在音響設備的變頻電路中，晶體三極管的高頻噪聲系數(shù)NF應盡可能小，以提高音響設備的相對靈敏

13、度。第3章集成運放應用電路設計與調試 運算放大器是模擬電路中的特殊放大器，只要適當選取外部元件，就能構成各種運算電路，如放大、加法、減法、微分和積分等，并因此而得名。自20世紀60年代集成運放問世以來，運放各個系列產(chǎn)品層出不窮，以價格低、性能優(yōu)得到廣泛應用，現(xiàn)已持續(xù)不斷地滲透到模擬和混合模擬一數(shù)字電子學的各個領域。集成運放應用范圍十分廣泛，本章僅介紹基本放大電路、比較器電路、簡單濾波器電路的設計與調試。正弦波、三角波、矩形波等波形產(chǎn)生電路在第四章介紹，其他應用電路，因篇幅所限，不予介紹，請參閱有關參考文獻。在介紹運放組成相應電路的同時，也介紹一些典型的專用集成電路如集成測量放大器、單片有源濾波

14、器、單片集成比較器及其應用電路等。 31 集成運放放大電路設計 311 集成運放放大電路設計綜述 集成運放組成放大電路根據(jù)輸入組態(tài)的不同，分為反相輸入放大器、同相輸入放大器和差動輸入放大器。由于運放組成放大電路應用在不同的場合，對運放的各個參數(shù)的選擇有很大的區(qū)別。除通用運放外，有多種特殊運放可供選擇。在設計時應根據(jù)設計任務的不同，合理選用芯片，然后設計外接元器件，使之達到設計要求。我們在分析運放電路，研究輸出輸入關系時將運放視為理想運放，使運放的選用和外接元器件設計計算變得簡單。但在設計和應用時應注意以下五個問題。 1集成運放外接電阻選取 (1)平衡電阻的選取 平衡電阻的選取是為了保證運放“零

15、輸入零輸出”，使之兩輸入端對地等效電阻相等。具體選擇方法在設計中加以說明。如在圖311電路中RRP=Rf/R1。 (2)外接電阻選取 一般集成運放最大輸出電流Iom為310mA，在組成放大電路時，應使運放處于負反饋組態(tài)。反饋電阻跨接在輸出端和輸入端之間。輸出電壓一般為伏級，在空載的情況下，應使運放輸出電流不超過Iom。以圖311所示反相輸入組態(tài)的反相比例放大器為例，if應滿足下式第35頁所以RF至少要取千歐數(shù)量級，若置Rf和R1取值太小，會增加信號源負載。 外接電阻亦不能取得過大，如選用M級亦不合適。其原因有二：電阻值是有誤差的，阻值越大，絕對誤差值越大。如2M的電阻E1：系列電阻誤差值為：1

16、0，其阻值(2218)M范圍均是允許的，即使選E4s系列的電阻(誤差為：2)阻值范圍在(204196)M之內；且電阻值會隨溫度和時間的變化而產(chǎn)生時效誤差，使阻值不穩(wěn)定，影響運算精度；運放的微小失調電流會在外接高阻值電阻上引起較大的誤差信號。 所以運放外接電阻值盡可能選用幾千歐至幾百千歐之間。 2正確選用集成運放的型號 集成運放種類和型號繁多，依據(jù)其性能參數(shù)的不同分為通用型和專用型兩大類。專用型運放有：高輸入阻抗型；低漂移型；高速型；低功耗型；高壓型；大功率型；電壓比較器等。在進行電路設計時選用何種類型和型號，應根據(jù)系統(tǒng)對電路的要求加以確定。在通用型町滿足要求時，應盡量選用通用型，因其價格低、易

17、于購買。專用型運放是某一項性能指標較高的運放，它的其他性能指標不一定高，有時甚至可能比通用型運放還低，選用時應充分注意。此外，選用時除滿足主要技術性能參數(shù)外，還應考慮性能價格比。性能指標高的運放，價格也會較高。在選用時無特殊要求，應優(yōu)先選用通用型和多運放型的芯片。 儀用放大器(測量放大器)因其內部電阻經(jīng)激光修正、內部電路對稱性好、具有極好的動態(tài)響應和精度，選用它們可簡化外接電路、提高系統(tǒng)可靠性、提高精度。 3性能參數(shù)的正確使用 運放的各種性能參數(shù)都是在一定的環(huán)境條件下測定的，當外部環(huán)境或條件發(fā)生變化時，性能參數(shù)會發(fā)生變化。在設汁選用時，應注意性能參數(shù)的測試條件，尤其是對環(huán)境條件敏感的參數(shù)如輸入

18、失調電壓Uio、輸入失調電流Iio、溫漂dUiodT、dliodT等。 根據(jù)運放的特性不同，手冊中給出的側重點也有所不同。高速運放的許多參數(shù)都與頻率有關。不少參數(shù)與直流供電電壓有關，且有較大變化，如單位增益帶寬、開環(huán)增益、輸入失調電壓、輸入失調電流等。例如高速JFET運放AD825A，在電源電壓為+15V時，單位增益帶寬最小值為23MHz，典型值為26MHz；開環(huán)增益最小值為72dB，典型值為74dB；輸入失調電流典型值為20pA，最大值30pA。而在+5V時，單位增益帶寬最小值為18MHz，典型值為21MHz；開環(huán)增益最小值為64dB，典型值為66dB；輸入失調電流典型值為15pA，最大值2

19、5pA。不少運放直流供電電源允許在一定范圍內選擇，而手冊僅給出典型供電電源電壓下的參數(shù)值，因此在選用運放時，應根據(jù)運放實際電源電壓對參數(shù)留有一定裕量。 集成運放的諸多參數(shù)中，最重要的是增益帶寬積GBW、轉換速率和最大共模輸入電壓Uicm三個參數(shù)。下面分別介紹在設計運放電路時對這三個參數(shù)運用應注意的問題。第4章波形的產(chǎn)生、轉換電路設計與調試 各種電器設備要正常工作，常常需要各種波形信號的支持。電器設備中常用的信號有正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波等。在電器設備中，這些信號是由波形產(chǎn)生和變換電路來提供的。波形產(chǎn)生電路是一種不需外加激勵信號就能將直流能源轉化成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量

20、輸出電路，又稱為振蕩器或波形發(fā)生器。通過與波形變換電路相結合，它能產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波和階梯波等各種波形，能滿足現(xiàn)代測量、通信、自動控制和熱加工、音視頻設備及數(shù)字系統(tǒng)等對各種信號源的需求。 眾所周知，振蕩電路即波形產(chǎn)生電路，不需外加輸入信號就有穩(wěn)定輸出信號，故又稱自激振蕩電路。要使電路產(chǎn)生自激振蕩必須滿足 41 LC振蕩電路組成與設計 比振蕩電路因其選頻網(wǎng)絡采用LC諧振電路而得名，主要用來產(chǎn)生高頻振蕩信號，其振蕩頻率一般在幾兆赫茲-幾百兆赫茲之間，被廣泛應用于短波至甚高頻頻段通信設備電路中。 411 LC振蕩電路組成 常用的LC振蕩電路可分為互感耦合、電感反饋三端式、電容反饋三端式三大類

21、。 1互感耦合振蕩器 互感耦合振蕩器有三種形式：調集電路、調基電路和調發(fā)電路。這是根據(jù)ic振蕩回第80頁第5章功放電路設計與調試 51 分立元件OCL、OTL電路設計 511 分立元件OCL實用電路設計 1分立元件OCL實用電路 分立元件OCL實用電路如圖511所示。 OCL實用電路為雙電源互補對稱功放電路。輸出級的功率管分別為NPN管和PNP管，且要求兩管參數(shù)相等。在要求輸出功率較大的情況下，要選一對互補的且參數(shù)相等的大功率管較困難，可采用圖示的復合管作為大功率管。v1、 V3可選小功率管，V2、V4選大功率管。V1與V3、V2與V4參數(shù)要各自相等或復合管的等效值相等。 圖中R1、只2、RR

22、p、VDl、VD2組成功放復合管的靜態(tài)偏置電路，VD，、VD，正偏導通。靜態(tài)時使復合管處于微導通狀態(tài)，使輸出級工作于甲乙類狀態(tài)，以克服交越失真。靜態(tài)調試時，將輸入端對地短接，調節(jié)RRp使UA=0。然后輸入1kHz正弦交流信號，觀察負載波形，調節(jié)Rm,，輸出波形應無交越失真。 圖中R7、R8組成電流串聯(lián)負反饋電路，提高電路的穩(wěn)定性，減小非線性失真。該電阻一般為o，5歐至幾歐。選得過大，會降低電路效率。 R4、月為復合管穿透電流分流電阻，用以減小復合管的總穿透電流。其值太大會降低輸出功率，使效率降低，太小影響復合管的穩(wěn)定性。 R3、R5為平衡電阻。因V1為NPN管，V3為PNP管，其導電形式不同，

23、信號輸出接法亦不同，V，射極輸出組態(tài)，Au=1；V3集電極輸出，Au>1，且輸入阻抗亦不相等，致使加至V1、V3基極的信號不對稱。加入兩個相等的電阻R3R5，使輸出信號正半周、負半周對稱。 2分立元件OCL功放電路設計 (1)確定電源電壓 根據(jù)OCL電路最大輸出功率計算公式可知第114頁第6章常用光電子器件應用 電路設計與調試 常用光器件較多，如：光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管、光耦合器等，本章僅介紹發(fā)光二極管、光敏三極管、光耦合器應用電路設計與調試。 61 發(fā)光二極管應用電路設計與調試 611 發(fā)光二極管分類 發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是最

24、常見的電光轉換器件。 按發(fā)光顏色分，發(fā)光二極管分為紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。另外有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)摻或不摻散射劑、有色還是無色，又可分為有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管常用來做指示燈。 按發(fā)光管出光面特征分，分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。其中，圓形燈按直徑分為2mm、44mm、5mm、8mm、10mm及20mm等，且外形尺寸以3mm、5mm最為常見。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作T1；把5mill的記作T1(34)；把44mm的記作T1(14)。 按發(fā)光強度和工作電流分有普通

25、亮度的LED(發(fā)光強度10mcd)；超高亮度的LED(發(fā)光強度，lOOmed)；高亮度的LED(發(fā)光強度10-100mcd)。 一般LED的工作電流在十幾毫安至幾十毫安，但低電流LED的丁作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同)。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。 612 發(fā)光二極管特性及使用注意事項 1發(fā)光二極管特性 發(fā)光二極管的外形封裝、圖形符號、伏安特性曲線如圖611所示。它與普通二極管的伏安特性曲線十分相似，只是在開啟電壓和正向特性的上升速率亡略有差異，當所施加正向電壓(UF)未達開啟電壓時，正向電流If幾乎為零，但電壓一旦超過開啟電壓，電流急劇上升，電流、電

26、壓幾乎成線性關系，即發(fā)光二極管呈歐姆導通特性。發(fā)光二極管的開啟電壓通常稱作正向電壓，它大小取決于制作材料。例如GaAsP紅色的LED約為17V，而GaP綠色的LED則約為23V。制造LED用的基本半導體材料有Gap、GaAsP、GalAs第135頁等。不同的半導體材料及工藝使發(fā)光二極管的顏色、波長、亮度、正向管壓降、光功率均不相同。LED的反向擊穿電壓一般大于5V，為使LED安全可靠地工作，安全使用電壓選擇在5V以下。國產(chǎn)BT系列高亮度發(fā)光二極管的極限功率PM75mW，最大工作電流IFM=30mA，最高反向電壓URM=5V，當正向電流IF=20mA時，發(fā)光二極管正向管壓降UF25V，發(fā)光強度I

27、v=1560mcd，發(fā)光光譜的峰值波長P=565630nm。 2發(fā)光二極管使用注意事項 (1)對于全塑形封裝的LED，正、負極引腳靠環(huán)氧樹脂固定。為避免管芯受熱損壞和因環(huán)氧樹脂受熱軟化致使引腳移動時內引線斷開，裝配焊接時要注意：第一，印制電路板上LED安裝孔應與管子兩引腳間距相同，使引腳與環(huán)氧樹脂管帽不產(chǎn)生應力；第二，焊接所用電烙鐵應選25W以下，焊接點應離管帽4mm以上；第三，焊接時電烙鐵接觸時間不要超過4s，最好用鑷子夾住管腳進行散熱。 (2)要合理選擇LED的驅動電流，不能超過允許值，以免PN結結溫過高，縮短管子壽命。 (3)限流電阻只對保證LED正常工作起決定作用。一旦R值選定，電源V

28、cc值就不能改變，否則將會造成LED發(fā)光強度的變化，嚴重時會損壞LED。 613 發(fā)光二極管驅動電路設計 要使發(fā)光器件發(fā)光，就必須對其施加一定的驅動電壓。發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的。發(fā)光二極管是一種電流控制器件，因此，對發(fā)光二極管來說，不管供電電源如何，在正向偏置的情況下，只要流過發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內，就能發(fā)光。 1直流電源驅動 發(fā)光二極管LED的直流電源驅動電路如圖612(a)所示，流過LED的正向工作電流IF由電源電壓Vcc經(jīng)限流電阻只獲得，選擇合適的電源電壓Vcc和限流電阻R，滿足正向工第7章電源電路設計與調試 71 電源電路設計概述 711

29、電源技術指標及其分析 電源主要性能指標分為輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、電磁兼容性能指標和其他標準等4類，它們是電源選擇和設計制造的依據(jù)。 1輸入?yún)?shù) (1)輸入電壓 國內應用的民用交流三相電源電壓為380V，單相為220V。目前開關電源多采用國際通用電壓范圍，即單相交流85265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓。 直流輸入電壓情況較復雜，從24600V均有可能。 輸入電壓變化范圍過寬，在設計開關電源過程中必須留下較大裕量而造成浪費，變化范圍應在滿足實際要求的前提下盡可能小。 (2)輸入頻率 我國市電頻率為50Hz。航空、航天及船舶用電源常采用400Hz，它們的輸入電壓通常為單相或三相

30、115V。它們整流后的脈動頻率遠離工頻，因而整流后所接濾波電容的電容量可減小很多。 (3)輸入相數(shù) 三相輸入的情況下，整流后直流電壓約為單相輸人時的17倍，當電源功率大于5kW時，應選三相輸人，以避免引起電網(wǎng)三相間的不平衡，同時可減小主電路的電流，以降低損耗。功率為3-5kW時可選單相輸入，以降低主電路電壓等級，以降低成本。 (4)輸入功率因數(shù)和諧波 為保護電網(wǎng)環(huán)境、降低諧波污染、提高電能效率，許多國家和地區(qū)已出臺相應的更高的標準要求(lEC 610003系列)，對用電裝置的輸入諧波電流和功率因數(shù)做出較嚴格的規(guī)定。因而，輸入諧波和功率因數(shù)成為開關電源的一個重要指標，也成為設計、應用電源產(chǎn)品的一

31、個重點。但減小諧波電流和提高功率因數(shù)會增大電路的復雜程度，增加成本，可靠性也會隨著元器件的增加而下降。因此，應根據(jù)實際需要和有關標準來制定指標。 目前開關電源的單相有源功率因數(shù)校正(PFC)技術已基本成熟，附加成本也較低，可很容易地使輸入功率因數(shù)達到099以上，輸入總諧波電流小于5。三相PFC技術還不成熟，若要使功率因數(shù)達到較高值(如高于099)，則需要6開關PWM整流電路，且其成本很可能會高于后級DCDC變換器成本。在不允許成本提高很多的情況下，則只能采用單開關三相PFC技術或無源PFC技術。如果采用單開關三相PFC技術，功率因數(shù)只第166頁能達到095左右，且具體電路有些問題尚未徹底解決。

32、如果采用無源PFC技術，功率因數(shù)只能達到09左右。 2輸出參數(shù) (1)輸出電壓 輸出電壓通常給出額定值和調節(jié)范圍兩項內容。輸出電壓上限關系到變壓器設計中電壓比的計算，過高的電壓上限會導致過大的設計裕量，使額定點特性變差，因此在滿足實際要求的前提下，上限應盡可能靠近額定點。相對而言，下限的限制較寬松。 (2)輸出電流 輸出電流通常給出額定值和一定條件下的過載倍數(shù)，有穩(wěn)流要求的電源還會指定調節(jié)范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。 (3)穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度 通常以正負誤差帶的形式給出穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度。影響電源穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度的因素很多，主要是輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化及器件老化等。通常精

33、度可分三個項目考核：輸入電壓調整率；負載調整率；時效偏差。在設計制造電源過程中同精度相關的因素為基準源精度、檢測元件精度、控制電路中運算放大器精度等。 1)輸入電壓調整率S。S。用輸入電壓變化U1時引起輸出電壓相對變化來表示，即指在負載電流、環(huán)境溫度不變的情況下，輸入電壓U1變化+10時引起的輸出電壓u。的相對變化量，即 (4)電源輸出特性 用特性曲線描繪電源的輸出電壓電流特性。 (5)紋波 電源的輸出電壓紋波成分較復雜，典型紋波如圖712所示。 按頻帶劃分可分為三類：高頻噪聲紋波，即圖712中頻率遠高于開關頻率人的尖刺部分；開關頻率紋波，指開關頻率人附近的頻率成分，即圖711中鋸齒成分；紋波

34、，指頻率低于fs的成分，即低頻波動。紋波電壓的頻譜如圖712所示。 電源紋波有多種量化方法，常用的有： 1)紋波系數(shù) 紋波系數(shù)為輸出電壓中交流成分有效值與直流成分的比值。第8章數(shù)字電路設計與調試 81 組合邏輯電路設計 811 組合邏輯電路一般設計方法 組合邏輯電路的設計是根據(jù)設計的命題要求，設計一個經(jīng)濟、合理和實用的邏輯電路。設計時由于采用小規(guī)模或中、大規(guī)模集成電路，而在小規(guī)模中采用不同功能的門電路的不同級數(shù)等都要有不同的考慮。這里只介紹組合邏輯電路的一般設計方法，組合邏輯電路設計步驟如下。 1分析設計任務 (1)分析事件的因果關系，確定輸人變量與輸出變量。通常把事件的原因定為輸入變量，把事

35、件的結果作為輸出變量。 (2)定義邏輯狀態(tài)的含義(邏輯賦值)，以二值邏輯的0、1兩種狀態(tài)分別表示輸人變量和輸出變量的兩種不同邏輯狀態(tài)。 (3)按輸入變量與輸出變量之間的邏輯關系列出真值表。 2寫出邏輯函數(shù)式 從已得到的真值表中寫出邏輯函數(shù)表達式。 3將邏輯函數(shù)進行化簡或變換 如果使用SSI(小規(guī)模)設計，須將函數(shù)式化簡為最簡形式，使電路中所用門的個數(shù)最少。 如果使用MSI(中規(guī)模)設計，則應將函數(shù)式變換成與選用的MSI的函數(shù)式類似的形式，并使用最少的MSI實現(xiàn)這個邏輯電路。 4畫出邏輯電路圖 根據(jù)使用場合和技術要求等多方面因素，如對電路的速度、功耗、成本、可靠性、邏輯功能的靈活性等，按照化簡或

36、變換后的邏輯函數(shù)表達式合理地選擇元器件，畫出邏輯電路的連接圖。 整個設計過程如圖811中的框圖所示。第217頁812 組合邏輯電路設計及其示例 1全加器的設計 全加器是一種考慮低位進位實現(xiàn)兩個相同位二進制數(shù)相加的數(shù)字邏輯器件。它的邏輯符號如圖812所示。 其中Ai為被加數(shù)、Bi為加數(shù)、Ci-1表示相鄰低位送來的進位，si為本位和，Ci為送往相鄰高位的進位數(shù)。 按照二進制加法的運算規(guī)則，可列出全加器的真值表如表811所示。第9章單片機應用電路設計與調試 單片機也叫微處理器(MicroController)，它是專門為工業(yè)控制和智能化儀器而設計的一種集成度很高的微型計算機。它的生產(chǎn)廠家和型號很多，如GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilog公司、Motorola公司、NEC公司等世界上幾大計算機公司紛紛推出了自己的單片機系列。目前已經(jīng)出現(xiàn)了4位、8位、16位甚至32位超大規(guī)模集成電路單片機。本章以現(xiàn)在市場占有率最大的Intel公司的單片機MCS51系列中的8031為例，介紹