脉冲调宽伺服放大器设计1

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: _______________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________ __________ _成绩(五级记分制):______ __________教师签名:_________________________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)一、设计任务书1、设计时间：2010.7.5～2010.7.92、地点：逸夫科技大楼电子电工实验室I4043、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设计原理框图图12.2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。

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22.3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（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：o 2121o 211U R R R U R R R U ++++＝ ①则此时U+也为高电平。

但当z 1o U U +＝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0==-+U U 时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使z 1o U U -＝，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0==-+U U 时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使z 1o U U +＝,同时U+也跳变为一个正值。

然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压1o U 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1o U 发生跳变时，锯齿波输出Uo 达到最大值Uom ，而1o U 发生跳变的条件是：0==-+U U ，将条件z 1o U U -＝，0=+U 代入①式，可得：m o 212z 211U R R R U -R R R 0+++）（＝ ②由此可解得锯齿波输出的幅度为：z 21om U R R U ＝ ③要使得幅度可调，由③式可知，改变参数1R 即可，所以实际电路中1R 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。

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。

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83.5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154.2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。

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。