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高低頻電路設計與制作范文1
關鍵詞電子電路;實踐教學;考核方式;教學效果
1電子電路實踐課程的教學目標
電子電路實踐教學是電子信息工程與通信工程專業的一門重要的實踐性課程，它集電子電路設計、軟件設計、電路仿真與調試于一體，目的是培養學生從事電子技術類工作的職業能力，在課程中體現為電子電路設計與制作的能力。該實踐課程以電子產品為載體，強調以工作過程作為學生的主要學習手段，通過分析、設計、制作和調試實用電子電路，促進學生掌握現代電子技術專業技能，促進電子技術在工程中的應用，培養學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，提高學生電子電路技術的實踐技能，了解開展科學實踐的流程和基本方法，并逐步形成嚴肅、認真、實事求是的科學作風，以滿足社會對高技能人才的要求。
2電子電路實踐課程的教學要求
為了培養學生的良好的學風，充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的綜合能力和創新意識，保證實踐項目順利完成，對學生有下述要求。
2.1實驗前的要求
做實驗前應認真閱讀實驗指導書，明確實驗目的，了解實驗原理、實驗內容，掌握試驗中所用儀器的性能和使用方法，掌握實驗步驟及注意事項。
2.2實驗過程中的要求
進入實驗室要遵守學生守則及實驗室的各項規章制度，按照實驗設計認真接線，合理布局，按照操作流程正確使用制作工具和測試設備。在實驗過程中如果遇到問題，或儀器設備發生故障，應該立即切斷電源并報告老師。在實驗過程中要認真記錄實驗數據并及時保存，離開實驗室時要將實驗物品整理好并關閉電源。2.3實驗后的要求做完實驗后要求認真撰寫實驗總結報告。實驗項目的最終結果需體現在實驗總結報告中，因此實驗總結報告是課程設計非常重要的環節。實驗總結報告內容要齊全，應包括實驗儀器的名稱、型號和編號，實驗所用耗材，實驗電路原理圖，實驗結果，實驗數據的整理，實驗現象的分析、實驗方法、儀器使用、問題分析、討論、改進建議和總結等。實驗總結報告完成后按要求及時交給老師。在整個教學過程中，理論知識的學習伴隨實驗任務的實施，做到融教、學、做為一體。
2.4實驗操作的具體要求
（1）能正確識別、檢測和選用電子元器件（2）能對電子電路進行分析和計算（3）能讀懂電子電路原理圖（4）能按照電路原理圖在面包版上搭接實用電路（5）能按照電路原理圖制作并焊接實用電路（6）熟練使用萬用表、示波器等電子測量儀器進行電路參數的測量（7）能對制作完成的電路進行測量、調試以滿足設計要求（8）能按要求完成實踐課程的總結報告。
3考核方式及成績評定方法
每個項目均要提交電路實物、項目設計報告，并現場進行演示，最終以學生實際任務的完成情況、項目報告撰寫情況和演示情況作為學業評價依據?？偝煽兊臉嫵桑喉椖靠荚u成績占總成績的80%。平時成績占總成績的20%。即總成績=平時成績×20%+項目考評成績×80%?？己藰藴剩海?）良好①正確識別觸發器、計數器、編碼器、譯碼器、數碼管，能檢測其好壞。②能畫出電路圖，正確分析電路的工作原理。③具備較強的實操能力，基本能獨立搭接、調試電路，要求布線清晰、合理。④按時完成項目設計報告，并且報告結構完整、條理清晰，具有較好的表達能力。⑤演示時回答問題正確，表述清楚。（2）優秀在達到良好的基礎上，同時又具備以下條件①理論分析透徹、概念準確，能獨立完成項目設計全部內容。②能客觀地進行自我評價、分析判斷并論證各種信息。（3）合格①對電路工作原理分析基本正確，但條理不夠清楚；②能自主制作電路，但出現問題不能獨立解決；③按時完成項目設計報告，報告結構和內容基本完整。（4）不合格有下列情況之一者為不合格①無故不參加項目設計；②未能按時遞交操作結果或項目設計報告；③抄襲他人項目設計報告；④未達到合格條件。不合格的同學需重做本項目直到合格為止。
4結論
電子電路實踐課程改革歷經兩年的實際檢驗顯示出巨大的效果，學生對實踐課程的興趣有很大提高，能制作出符合實驗要求的產品，提升了學生對項目的想象力，創造力和執行力。這極大提高了學生應對社會發展的信心，提升了學生跟進信息技術發展的能力，證明了電子電路實踐課程教學改革的效果。當然。改革不是一蹴而就的，需要持續不斷的進步和完善，期待將來有更好的教學效果。
參考文獻
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高低頻電路設計與制作范文2
關鍵詞:UWB;無線通信;信號發生器;ECL門電路
中圖分類號:TN788文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2009)19-035-03
Design of UWB Signal Generator Based on ECL Circuit
HUANG Tangsen,LIANG Xiaozhi
(Hunan University of Science and Technology,Yongzhou,425100,China)
Abstract:This paper first introduces the characterristic of UWB technology,then UWB signal form for wireless communications is explained.Based on exixting methods at present,a sort of UWB signal generator is designed,and the signal generator is based on the ECL circuit,at the same time,a principle chart and circuit diagram are given.At last,the testing result of the signal generator is analyzed,and the signal generator has advantages and value.
Keywords:UWB;wireless communication;signal generator;ECL circuit
0 引 言
超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)技術[1]在通信時,不使用載波電路,而是通過發送納秒級脈沖傳輸數據的,因此具有發射和接收電路簡單,功耗低,多徑分辨能力強,穿透力強,隱蔽性好,系統容量大,定位精度高,對現存通信系統影響小,傳輸速率快等優勢[2]。由于UWB技術具有這些優良獨特的技術特性,該技術已普遍受到各國政府的高度重視。
UWB通信系統中必不可少的關鍵之一是如何產生高帶寬信號。由于極窄脈沖含有豐富的頻譜,因而產生足夠窄的脈沖和適于信道傳輸的脈沖形狀是UWB技術的研究熱點和關鍵所在。從國內外對UWB技術的研究來看,目前已有的UWB脈沖信號實現方式基本上可分為兩大類: 一類是利用模擬器件來產生所需的極窄脈沖信號;另一類是利用半導體器件的開關特性實現。利用模擬器件產生的窄脈沖通常需要較高的偏置電壓并且寄生效應較大,脈沖波形不理想,脈沖功率較大,容易對其他的通信系統產生影響[3]。為了克服模擬器件產生窄脈沖的缺陷,并考慮到UWB通信系統的特殊性,利用開關速度極快的ECL門電路產生窄脈沖相比用模擬器件具有諸多優勢,如脈沖波形好,電路簡單,便于產品的集成,調試容易,信號功率譜密度低,不會對別的通信系統產生明顯影響等[4]。
1 UWB信號的發生
1.1 發生信號形式的選擇
沖激無線電超寬帶技術中不使用載波,是直接發送和接收極窄脈沖信號[5]的,所以脈沖信號波形的選擇對于UWB通信系統來說至關重要。不管是采用模擬器件,還是數字器件,最終發生信號的形式必須適合在無線信道中傳輸[6]。UWB技術中最基本的信號單元是高斯脈沖(Gaussian Pulse),其時域表達式為:
Pg1(t)=Ke-(t/τ)2
式中:K表示脈沖信號幅度;t為時間;τ是脈沖持續時間,它不僅決定了脈沖寬度,還決定了信號頻譜的中心頻率和帶寬。與其對應的頻域表達式為:
Pg1(f)=Kτπe-πffc2
式中:f為頻率;fc=1/τ是脈沖的中心頻率。其時域、頻域波形如圖1和圖2所示。
由高斯脈沖的頻譜圖可知,該脈沖含有豐富的低頻和直流分量,不適宜天線輻射。為了有效傳輸,UWB信號應含有盡可能多的高頻分量。高斯脈沖的導數具備把直流和低頻分量轉換成高頻分量的能力[7]。
圖1 高斯脈沖時域波形
圖2 高斯脈沖頻域波形(頻譜)
高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)即一階高斯脈沖,它是由高斯方程的一階倒數得出的,其時域表達式為:
Pg2(t)=K-2tτ2e-tτ2
與上式對應的頻域表達式為:
Pg2(f)=Kτπ(j2πf)e-πffc2
圖3和圖4是高斯單脈沖的時域和頻域波形。
圖3 高斯單脈沖時域波形
圖4 高斯單脈沖頻域波形(頻譜)
由高斯單脈沖的頻域波形可知,該信號波形含有的直流和低頻分量很小,適合在無線信道中傳輸,且中心頻率隨脈沖寬度變窄而升高,帶寬也隨之增加[8]。
1.2 信號發生器的方案研究
基于1.1節的分析,信號發生器的最終輸出信號形式應為高斯單脈沖。為實現該信號,UWB信號發生器設計成數字模擬混合電路[9]。ECL門電路是半導體器件中速度最快的開關電路,也是整個電路的核心,它的主要作用是產生脈沖寬度極窄的高斯脈沖,但ECL門電路直接輸出的信號不適于信道傳輸,因而在其后接上模擬電路,以對ECL門電路的輸出信號進行變換,從而獲得UWB通信所需要的高斯單脈沖。圖5是UWB信號發生器的邏輯原理框圖。
圖5 UWB信號發生器的邏輯原理框圖
該原理框圖由標準時鐘、電平轉換電路、延時器、延時控制電路、ECL門電路、發送濾波器和脈沖功率放大電路組成。標準時鐘產生器產生一定重復周期的矩形脈沖序列。電平轉換電路把時鐘的TTL電平轉換成ECL電平。為了精確延時,延時器采用ECL電平的延時芯片,控制電路控制延時芯片的遲延時間,使兩路信號的延時有一個極短的時間差,這樣有時間差的兩路信號通過ECL門電路之后便可產生一個寬度與時間差相等的極窄脈沖。ECL門電路是ECL電平的異或門或者與門,它們的反應速度要足夠快,通常要求其反應時間不能大于250 ps,且電路和傳輸線都應滿足最佳匹配的要求,否則難以得到寬度極窄的理想脈沖。由于ECL門電路的輸入信號都是矩形脈沖,因而通過ECL門電路產生的窄脈沖也是矩形脈沖,又因為輸出脈沖的低電平為3.2 V,該脈沖必定含有豐富的直流和低頻分量,不適于無線傳輸。為了有效傳輸信號,通過發送濾波器對脈沖形式進行變換,變成需要的高斯單脈沖。由于ECL高低電平的最大差值不過800 mV,通過ECL門電路得來的脈沖功率很小,如果要擴大傳輸距離,則需增大發射功率,這時把已經成形了的高斯單脈沖通過放大電路即可增大發射功率[10]。
1.3 信號發生器的電路設計
UWB信號發生器的實際電路完全按照1.2節中的方案設計。即整體電路主要分為3大部分。
第一部分主要功能是產生極窄脈沖。該部分電路對制作PCB板的要求很高,ECL門電路的兩路輸入信號要盡可能對稱,才會最大程度地減少誤差,也即輸出的脈沖寬度才會接近兩路信號的理論延時差。此外,ECL門電路對輸出阻抗有特殊要求,都是50 Ω的特殊阻抗,因而在設計傳輸線時要用微帶線理論去設計,以保證輸出特性阻抗是50 Ω,這樣才不會出現波形較大的失真。
第二部分主要是對第一部分輸出的脈沖進行成形濾波。該部分需要注意的是,運算放大器的速度要足夠快,才能對極窄脈沖進行較好的成形,同時相應的匹配電路要盡可能精確,此外傳輸線都采用微帶線,以保持輸入輸出阻抗匹配,這里的輸入輸出阻抗都是標準的50 Ω。
第三部分是對成形后的高斯單脈沖進行放大。該部分的核心是MMIC(單片微波集成電路),放大電路是可調的,通過改變VCC達到改變放大電流的目的,傳輸線也都采用微帶線,特性阻抗設計成50 Ω,目的是要和第二部分的輸出阻抗以及發射天線的特性阻抗匹配,最大限度地提高發射效率。圖6是UWB信號發生器的實際電路圖。
圖6 UWB信號發生器的實際電路圖
2 UWB信號的測試
用Agilent 公司的示波器和頻譜儀對與圖6相對應的印刷電路板測試。示波器的采樣率為16 GHz,頻譜儀能掃描10 GHz的頻譜,測試時兩塊延時芯片設置的延時差為960 ps,輸出端接口采用標準50 Ω阻抗的SMA接頭,示波器和頻譜儀也設置為50 Ω輸入阻抗,測試時采用特性阻抗為50 Ω的傳輸線,測得的脈沖波形及其頻譜如圖7,圖8所示。
圖7 電路的最終輸出信號
圖8 最終輸出信號的頻譜圖
3 結 語
從最終輸出的脈沖波形可知,脈沖波形較理想,脈沖寬度為1 ns,略大于預設延時差,這主要是制作PCB板時有誤差所致,因此要想獲得精確的脈寬,在制作工藝上還有待提高。由于延時差是可控的,因而通過該電路可獲得更窄或更寬的脈沖,這是本電路的最大優勢所在。從頻譜圖可知,該信號的中心頻率為1 GHz,-3 dB帶寬高達500 MHz,也即分數帶寬為50%,符合超寬帶信號的要求。此外該信號雖然帶寬很寬,但功率譜密度很低,根本不會對其他通信系統產生任何影響,這利于本電路在實際中的應用。
UWB通信系統在短距離通信中應用越來越廣泛,但如果要擴大傳輸距離,則必須增大發射功率,這樣就會對其他通信系統,甚至對人體造成影響,這是不允許的,因而如何解決這對矛盾是當今面臨的難題。
參考文獻
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高低頻電路設計與制作范文3
關鍵詞：電子設計競賽；電子信息；課外實踐
收稿日期：2013-09-20
作者簡介：陳運軍（1979-），男，四川信息職業技術學院電子工程系講師、工程師，實訓中心主任，研究方向：智能控
制技術。
全國大學生電子設計競賽是教育部倡導的四大學科競賽之一，面向大學生的高參與性的科技活動，目的在于推動全國普通高等學校電子與信息類學科面向2l世紀課程體系和課程內容的改革，推動高等學校實施素質教育，培養大學生的理論聯系實際的能力、創新能力和協作精神。培養學生動手能力和工程實踐素質、提高學生針對實際問題進行電子設計、制作的能力；吸引、鼓勵廣大學生積極踴躍參加課外科技活動，為優秀人才的脫穎而出創造條件[1]。四川信息職業技術學院自2007年組隊參加大學生電子設計競賽以來，已連續5年獲得一等獎。
作為全省唯一一所電子信息類公辦高等職業院校，我院充分發揮電子競賽的引導作用，逐漸將單一的競賽擴展為以創新精神和實踐能力培養為核心的學生課外實踐活動體系，面向應用電子技術、電子信息技術等專業，立足課外科技活動空間，培養學生的創新精神、工程意識和實踐能力。但是在大學生電子設計競賽賽前培訓過程中，發現學生電子信息類知識有一定的不足，表現以下兩個方面：（1）理論知識方面，理論知識構成不完整、不平衡，競賽所需的常用知識掌握不夠；（2）實踐應用方面，運用理論知識解決實際問題的能力不足，系統設計能力薄弱，實踐性較差。
針對以上問題，為更好地適應電子設計競賽的要求，提高電子設計競賽水平，同時真正提高學生各方面的能力，探討了一種基于電子設計競賽構建電子信息類專業課外實踐體系的人才培養模式。
一、課外實踐體系中的人才培養模式
1.課外實踐體系中學生培養模式
大學生電子設計競賽試題具有實用性強、綜合度高、技術水平發揮余地大的特點。歸納起來，主要涵蓋模擬電子電路、數字電子電路、高頻電路、傳感器技術及應用、微機原理、單片機原理與應用、PLC可編程技術、自動控制原理等多門課程[2-4]。針對大學生電子設計競賽的特點，課外實踐體系主要體現對創新型學生的培養，更好提升自身素質，并進一步通過動手實踐使綜合能力得到相應的提高。課外實訓體系充分利用開放實驗室等學院相關資源，長期有指導教師進行指導，開設具有一定應用性及設計性的項目，供學生選做。學生以電子設計競賽模式以2～3人組隊的形式參與項目，團隊需要共同完成資料查閱、方案設計、模塊設計、虛擬仿真、PCB板制作、系統調試、故障排除、撰寫報告、項目驗收、項目答辯等與大學生電子設計競賽相同的環節。內容包括大學生電子設計競賽涉及的無線收發類，數據采集、測量、傳輸與控制類，高低頻信號源類，信號放大類等。指導教師給出參數要求和大致參考方案，具體的設計和實施則通過教師指導、學生自主來完成。對于高職院校參加電子設計競賽的隊員主要是大二的學生。因此，競賽所需的理論知識和實踐能力必須在一年級進行學習并掌握。現有的課程設置在一年級開設了電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等。為了使學生對電子競賽有所認識，依托學院的科技協會，高年級學生與低年級學生進行一對一學習指導，高年級學生帶著低年級學生一起做項目，指導低年級學生學習哪些知識、如何學習，起到傳幫帶的作用，使低年級學生能盡快上手做項目，以項目為主線進行理論知識的學習。
課外實踐體系主要分三個階段來實施：基礎訓練、項目訓練、模擬比賽和選拔。在基礎訓練階段，主要針對電子競賽涉及的幾門骨干課程，如模擬電子基礎、數字電子基礎、單片機原理與應用等進行集中的訓練。結合典型的項目，有針對性地分析和提高，此階段主要讓學生詳細分析各種可能出現的問題產生的原因和解決方法，包括自激振蕩、信號帶寬的考慮和不同廠家的芯片對電路性能的影響等。在單片機原理與應用的訓練中，先依托8051系列單片機制作幾個典型項目，再根據競賽的需要深入到TI公司的MSP430單片機。在項目訓練階段，教師借鑒以往電子競賽的題目，編制出涵蓋電路、單片機等內容，并具備一定應用功能的設計性題目。學生講解其中的大致原理和重點，告訴學生常用的文獻資料檢索方法。學生根據需要查找參考資料，設計出實現方案。經指導教師審核后進行電路設計，在萬能版上焊接出設計的電路，焊接的時候注意焊接質量的判定，并對每個學生的焊接水平進行專門的評估。焊接出來的電路需進行調試，在電子線路和嵌入式系統中，調試和排故是一項難度很高的工作。在很大程度上，最能體現工程師水平的不是電路設計能力，而是對電路故障的分析和解決能力，在學生遇到不能解決的問題時，指導教師需引導學生分析問題產生的原因，提出改進建議，但不具體操作，而是讓學生自己動手解決。在模擬比賽和選拔階段，通過一個競賽模式的比賽，考核學生的理論知識、團隊協作、心理素質等，挖掘人才，為參加競賽儲備人才。
2.課外實踐體系中教師隊伍建設
電子信息類課外實踐體系的建設，需要一支理論基礎扎實、工程實踐經驗豐富、相對穩定且可持續發展的指導教師隊伍。電子信息日新月異，教師只有在學習新知識、新理論、新技術和開展科研活動的過程中，不斷提高自身的素質，才能更好地發揮指導作用[5]。教師的能力和水平，在一定程度上決定了學生的技能水平。而高職學校教師的能力和素質對學生的影響遠遠大于本科教育中教師的影響?？陀^上，由于本科生與高職學生的差異，高職學生需要教師更多的引導和幫助。高校教師只有自身業務素質高，才能推動學生的素質教育；只有自身具有創新精神和創新意識，才能對學生進行啟發式教育。只有自身掌握豐富知識，才能教會學生如何學會學習，研究問題。為了更好地對在課外實踐活動的學生進行輔導，指導教師首先需要具有廣泛的知識結構和豐富的實踐經驗。為此，教師應該通過培訓、自學、參與科研項目等多種方式不斷提升自身能力。而在指導學生的過程中，可以相互學習，共同提高。知識和經驗相互滲透與補充，使得教師的實踐水平得到快速提高。另外，在指導過程中，教師應該起到學習推進者的作用，充分認識學生的個性，把培養學生的實踐能力和提升教師自身素質融合在一起。
二、課外實踐體系中的院級競賽
院級競賽是在緊密結合課堂教學的基礎上，考察學生基本理論知識和解決實際問題能力的科技活動，是增強學生學習及研究的主動性，培養學生團隊協作意識和創新精神的重要途徑[6-8]。
為了提高學生的實踐動手能力，學院定期舉辦“電子技能競賽”、“機器人大賽”、“科技創新大賽”等競賽活動。培養學生的創新意識、實踐動手能力。電子技能競賽主要針對低年級學生，鼓勵學生熟悉各種實驗設備、夯實操作基礎；“機器人大賽”則面向中、高年級學生，考核綜合應用專業知識的能力。競賽多采用校企合作方式，由企業提供競賽經費或器件設備，請企業工程師參與指導與評審，引入企業生產的實際問題，使競賽源自于實踐，服務于實踐，鍛煉學生的工程意識、工程素質以及工程實施能力。
三、課外實踐體系中的激勵機制
學生是創新實踐活動的主體，學院制定了“專業技能競賽管理辦法”，對在市級及以上競賽中獲得名次的學生獎勵學分，成績計入專業任選課或公共任選課中，并在年度獎學金評選中予以優先。這對學生申請獎學金等有很大的好處，能調動學生的積極性。學院對從事電子設計競賽指導的教師，通過年終績效獎、工作量認定、職稱評定、教學獎勵等辦法，鼓勵更多的教師投入課外實踐體系。
四、結 語
以全國大學生電子設計競賽為載體，本院逐步構建起涵蓋電子競賽特色專項培訓、電子類院級競賽以及師生激勵機制的電子信息類課外實踐活動體系。立足第二課堂，以電子競賽的“點”帶動課外實踐體系的“面”。學生在課外實踐活動中感受到知識應用和創造的興趣和樂趣，創新思維、動手能力及知識綜合應用能力得到有效提高，形成了濃厚的課外實踐學習氛圍，給廣大電子信息類學生提供了展示自己能力的舞臺，使優秀學生脫穎而出，教師隊伍自身實踐水平也得到了進一步的提高。而且給電子信息類專業人才培養開創了新的模式，給高校教育提出了更多的發展思路。
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Based on the Electronic Competition Construct Electronic Information Specialty Extracurricular Practice System Discussed
CHEN Yun-jun
高低頻電路設計與制作范文4
關鍵詞:DC-AC MPPT頻率跟蹤相位跟蹤
中圖分類號:TM2文獻標識碼:A文章編號:1007-3973(2010) 08-093-02
隨著社會生產的日益發展,對能源的需求量在不斷增長,全球范圍內的能源危機也日益突出。在一些生物能源開發殆盡的同時,一些新型能源正在受到重視。其中逐步展開對太陽能的開發,一些光伏并網發電系統已經產生。但是對該系統的研制,最重要的是轉變效率的高低。所以,我們可以先設計和制作模擬裝置來測試某種算法以及設計的參數。
光伏并網發電模擬裝置如下:
該裝置核心電路有DC-AC和控制電路,下面對這二者進行方案的選擇與驗證。
1系統方案選擇
1.1控制電路選擇和控制信號生成方案
方案一:由脈寬調制集成電路來產生占空比可變的PWM脈寬調制波形.此類芯片有SG3525A、TL494等。但其產生的SPWM波頻率很難實現實時調節,整體電路控制不是十分靈活,導致整個并網模擬裝置很難達到題目指標要求。
方案二:由TMS320F28027產生SPWM波。其內部具有PWM波產生的功能,可以通過改變其占空比來產生SPWM波,采用電壓型全橋逆變電路,控制全橋逆變電路的兩對開關管交替導通。信號精確,電路簡單,控制靈活。通過反饋來改變輸出SPWM波的占空比,使電路保持穩定。并且能夠很好的完成頻率調節和相位跟蹤等功能。
綜上分析選用方案二。
1.2DC-AC電路設計和開關器件的選擇
方案一:采用絕緣門極雙極晶體管IGBT。IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,它融和了這兩種器件的優點,既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優點,又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優點,在高電壓場合有很多應用。
方案二:采用功率MOSFET作為開關器件。其優點是具有很高的輸入阻抗,對驅動電路要求很低,并且具有很寬的安全工作區而不會產生熱點。具有很高的開關速度,在開關電源領域有廣泛的應用,所以可以比較容易的完成對輸出正弦波失真度的要求。
在本模擬裝置中,使用MOSFET就可以滿足對失真度和其他的參賽要求,所以綜上分析選擇方案二。
2理論分析與論證
隨著經濟的發展,人們對效率的要求越來越高。目前已經有多種提高光伏并網逆變器效率的方法。通過電力電子技術和控制技術實現太陽能光伏發電的最大功率跟蹤(MPPT) ,是提高光伏發電系統的發電量、降低發電成本的有效措施。
2.1MPPT的控制方法與參數計算
如圖1所示,計算消耗在負載 上的功率為:
(1)
然后,式(1)兩邊對要求導可得:(2)
由式(2)可得,當時,, 此時取最大值。
由于模擬光伏電池的內阻以及負載電阻變化,MPPT需要及時準確地采樣當前電壓Ud,與前一時刻的采樣電壓值比較,調節SPWM的占空比,如圖1所示。而使 。
2.2同頻、同相的控制方法與參數計算
采用TMS320F248027事件管理器中的捕獲功能測量并網信號的頻率和并網信號與輸出信號的相位差,從而調節SPWM的周期,進而實現同頻同相。
TIMER0的計數器記錄并網信號的周期,TIMER1的計數器記錄誤差信號的脈沖寬度。由于TIMER0設置低頻時鐘32768Hz,測量的并網信號頻率為32768,相位差為32768。
2.3提高效率的方法
(1)選擇合適的開關頻率
開關損耗是影響逆變器效率的主要因素之一。其開關損耗隨著開關頻率的增加而增加。所以選擇合適的開關頻率是提高系統效率的重要環節。但考慮到題目對失真度的要求,開關頻率也不能過低。結合實際電路的多次測試,選用2.5KHz作為開關頻率。
(2)選擇合適的場效應管作為開關元件
開關元件的導通損耗也是不可忽略的。功率場效應管IRF3205作為開關元件,其導通電阻只有8mΩ,導通壓降很低,損耗較小。而其它功率場效應管如IRF9450的導通電阻為200mΩ,IRFP450的導通電阻為400mΩ。這些場效應管均滿足耐壓條件,故選用IRF3205作為開關元件。
2.4濾波參數計算
根據題目對失真度的要求,選擇輸出濾波器的截止頻率為開關頻率2.5KHz的1/10,即250Hz。這樣可以使開關頻率中的交流分量衰減40dB以上,從而滿足題目對失真度小于5%的要求。傳統的RC濾波器損耗過大,使系統效率降低,故采用單極點LC低通濾波器。輸出濾波器電容器的電容量為:選用兩個10uF/50V電容并聯。輸出濾波器的電感量為:
3電路與程序設計
3.1DC-AC主回路與器件選擇
如圖1所示。由DSP產生的SPWM波等效于用三角波作為載波來調制一個預期得到的正弦波。Q1、Q2的通斷狀態互補,Q3、Q4的通斷狀態互補。主要器件選擇如下。
開關元件的選擇:由于Ud的電壓在30V左右,考慮到開關管在開關的過程中,寄生電感會產生感生電勢并加到開關管上。同時處于安全考慮,開關管的的耐壓要為最高電源電壓的1.5倍,至少為45V。同時應該在滿足耐壓值的條件下盡可能的減小導通電阻,減少導通損耗,以滿足題目中對系統的效率的要求。所以選用功率場效應管IRF3205(VDSS = 55V,RDS(on) = 8.0mΩ,ID = 110A)。
驅動電路的選擇:選用兩片IR2103芯片,驅動電路見DC-AC主體電路圖。內置死區設置時間為520ns,保證了系統的安全運行。省去了專門的死區時間設定電路。芯片自舉二極管采用快恢復二極管IN4007,自舉電容采用4.7uF。
DC-AC主體電路圖
3.2控制程序
(1)SPWM控制程序
本系統的SPWM波的產生主要用TMS320F28027軟件控制產生。采用等面積采樣法,在正弦波的半個周期內采樣32點,將對應的值轉化為對應的高電平時間,由TMS320F28027產生兩路相差180度的SPWM波。
由DSP的EV模塊產生SPWM波的基本思想就是在初始化時將PWM周期值設定,然后定時器定時,每個周期產生一次中斷,調整脈寬,從而得到不斷變化的SPWM波。
在軟件設計中,將TIMER0和TIMER1模塊作為PWM輸出口。首先建立正弦表,在一個完整正弦周期中,采樣64個點,根據等面積法計算出各點的脈寬值,轉換成計時步階,供TIMER0中斷子程序調用。計數器不斷和TIMER0相應的寄存器中的值比較,達到設定值時產生中斷,寄存器重新計時。中斷服務子程序用來修改SPWM信號的占空比。
(2)同頻、同相控制程序
進行同頻控制時,整體思想是測量并網信號的頻率,然后根據測量的頻率改變TIMER0TCR的數值,從而使輸出信號的頻率跟蹤并網信號的頻率。采用TMS320F28027寄存器TIMER1TCR捕獲并網信號的上升沿,并由TIMER0TIM計數器記錄捕獲上升沿的次數。在產生SPWM波的中斷程序中,每經過1s的時間,啟動一次頻率測量功能,測量完畢后,重新計算TIMER0TCR寄存器的值。
進行同相控制時,在并網信號的上升沿時,啟動SPWM波控制寄存器,監測K值,在并網信號的下降沿到來時,判斷K值,如果K值大于32時,增大TIMER0TCR寄存器的值,如果K值小于32時,TIMER0TCR寄存器的值,如果K值等于32時,TIMER0TCR寄存器的值保持不變,并且同時將K值置為1,然后重新開始新一輪的計數。
3.3保護電路
(1)過流保護電路
要求動作電流Io(th)=(1.5±0.2)A,不方便直接測量,控制器將電流取樣,取樣電阻設為2KΩ。后接交流有效值檢測電路,將輸出直流有效值給接比較器LM393的同相端,用R19,R29分壓使反向端設定為1.5V輸入。LM393驅動電流不夠,后接三極管9013進行放大,當過流時驅動繼電器完成電路的關斷。電流正常時,比較器輸出低電平,系統正常工作。
(2)欠壓保護電路
在Ud 輸入端,將R1為7.5MΩ、R2為500KΩ的兩電阻串接在兩端。將R2兩端作為電壓取樣。當欠壓時取樣輸出為1.5V,正常時為1.8V。取樣電壓接比較器LM311的反向輸入端,調節R30的阻值,與R23分壓,使Vref電壓為1.8V。比較器輸出端接三極管。欠壓時,比較器輸入高電平,驅動三極管使繼電器關斷。電壓正常時則比較器輸出低電平,系統正常工作。
4測試方案與測試結果分析
4.1測試方案
(1)測試方法
測試連接圖:
4.2測試結果分析
(1)測試數據與設計指標的比較,結果如表1所示。
表1測試結果與設計指標比較
(2)相位跟蹤測試產生偏差的原因
在實現相位跟蹤功能時,受控制器時鐘的限制以及相應的控制方法的影響,導致相位偏差。
參考文獻:
高低頻電路設計與制作范文5
鐵路轉轍機缺口監測系統是針對上述問題進行研究并開發的，適合于我國目前大量使用的各種轉轍機的新的技術，該項技術也是“鐵路信號微機監測系統”(該系統是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測鐵路信號設備運用質量的重要行車設備)的一項主要內容，對確保鐵路行車的安全、提高鐵路運輸的效率具有極其重要的意義。在鐵路車站，由于被監測對象(轉轍機)一般距離監測主機所在位置即電氣集中車站機械室的平均距離為1.5km左右，并且數量較多，分布無規律，因此監測數據的可靠傳輸一度成為制約本項技術應用的瓶頸。特別是在既有站，站內可用的電纜極為有限且造價高。為節約電纜及提高系統可用性，鐵道部特別要求鐵路轉轍機缺口監測系統采用電力載波擴頻通信技術來實現數據與室外工作電源的共線傳輸，完成室外監測分機與室內主機的通信。
電力線載波通信技術簡介
電力線載波(Power Line Carrier, PLC)通信是利用高壓電力線(在電力載波領域通常指35kV及以上電壓等級)、中壓電力線(指10kV電壓等級)或低壓配電線(380V/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。隨著電力線載波技術的不斷發展和社會的需要，中/低壓電力載波通信的技術開發及應用亦出現了方興未艾的局面，電力線載波在380V/220V用戶配電網上的應用在90年代后期之前，只限于采用調幅或調頻制式的載波電話機實現近距離的撥號通話，也有采用專用的芯片實現近距離數據傳輸。
我國大規模地開展用戶配電網載波應用技術的研究是在2000年左右，目前在自動集抄等系統中采用的載波通信方式有擴頻窄帶調頻或調相。在各種擴頻調制方式中，由于采用正交頻分多路復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調制具有突發模式的多信道傳輸，較高的傳輸速率，更有效的頻譜利用率和較強的抗突發干擾噪聲的能力，再加上前向糾錯交叉糾錯自動重發和信道編碼等技術來保證信息傳輸的穩定可靠，因而成為電力線上應用的主導通信方式。
轉轍機缺口監測系統
系統結構
鐵路轉轍機缺口監測系統主要由由缺口傳感裝置、現場分機、室內主機3部分組成。系統框圖如圖1所示：
室內主機與現場分機向的數據傳輸方式為：使用一對(2芯)信號電纜，進行數據的傳輸，同時該電纜也是室外分機的供電電源線。在數據傳輸協議的選擇上，充分考慮通信的可靠性、實時性和抗干擾性。系統具體工作過程為：室外分機采集來自缺口傳感裝置的缺口變化信息，然后通過低壓電力載波線路將數據實時傳輸到室內主機，主機既可以實現室外各轉轍機缺口信息的存儲、顯示、告警，也可以通過高速CAN總線實現與鐵路既有微機監測系統的并網連接，從而作為微機監測系統的一個子系統運行工作。本系統的特點在于監測數據傳輸方面的多樣性，既有低壓電力載波通信，也有CAN總線的運用，但是也在數據傳輸的可靠性等方面提出了更高的要求。
各功能模塊設計
1.室內監測主機
主要功能為實時分析處理現場分機傳回的數據，并及時按照技術要求進行報警，并提供一定的數據存儲能力。提供與“信號微機監測系統”的CAN總線接口，接口協議應遵照“信號微機監測系統”的規定。室內主機可以安裝在微機監測柜內，也可以安裝在信號組合架上或置于室內工作臺上，通過分線盤將信號電纜連接到采集器后面板的接線端上，其硬件結構圖如圖2所示。
2.室內采集分機
采集分機為安裝在轉轍機附近或內部的現場數據處理裝置。采集分機一般具有向缺口傳感裝置提供需要的電源；接收來自缺口傳感裝置的信號；對傳感裝置的輸出信號進行初級處理；進行向室內通信傳輸數據的處理等功能。其系統結構圖如圖3所示。
3.缺口傳感裝置
其主要功能是準確的檢測到被測缺口的變化。分為連續監測缺口變化和達到額定值輸出開關量變化兩種。連續監測缺口變化可以全程地監測缺口的位置變化，監測的位移變化范圍應在0 mm～4 mm之間。達到額定值輸出開關量變化則為達到額定值報警，即事先設定缺口報警值，當缺口報警裝置監測到缺口達到報警值時，給出一個開關量信號。下面以圖4的ZD型與S700K型轉轍機的缺口位置為例說明其采集原理。
電力線載波通信系統解調方式
與信道特性分析
由于室內室外之間的通信只能采用低壓電力載波通信技術，并且現場信號電纜的絕緣等參數并不統一，有些電纜還可能鋪設在高壓線路附近(電氣化鐵路)，通道特性比較惡劣，而室外所有監測信息的準確性又是本系統正常工作的基礎，因此如何保證通信質量，提高低壓電力載波通信的可靠性是無法避免的問題，也是研制工作的重中之重。
電力線路作為載波通道，各種尖脈沖的干擾較多，是影響數據正確接收的主要因素之一。現有的載波通信技術采用SSB(單邊帶抑制載波)調制技術，FSK(頻移鍵控)調制技術，對尖脈沖的抑制能力有限。因此，近年來國內外許多廠商都在研究采用新的載波通信技術，以抑制尖脈沖的干擾。擴頻調制和OMCM多載波調制技術和OFDM(正交頻分復用)就是其中有代表性的技術，擴頻調制技術是將較低的數據調制到較寬的頻帶上，這樣它對尖脈沖有很好的抑制作用，雖然尖脈沖幅度大，但把它調制較寬的頻帶后，其所占的相對份量較小，在接收端很容易把它濾除掉，擴頻調制方式對尖脈沖有較好的抑制能力，不足的是，電力線路作為載波通道的高頻特性較差，可利用的有效頻帶限制在500kHz以下，這樣數據傳輸速率不可能太高，否則對尖脈沖的抑制能力也要相應減弱。
采用OFDM(正交頻分復用)調制技術。它既能抑制尖脈沖的干擾，又有較高的數據傳輸速率。OFDM系統的基本原理是將高速的串行數據fs轉變為N個并行的低速子數據流，用N個子載波(f0,f1...fN-1)去調制(f0,f1...fN-1)這些低速的子數據流，f0,f1...fN-1是相互正交的。允許子載波的頻譜可以有部分重疊，這樣能有效行的碼元轉成并行的碼元經正交調制后再在通道中并行傳輸，同SSB,FSK等單載波調制系統相比，在相同的傳輸速率fs下，子通道上因為傳輸速率只有fs/N，每個碼元所占時間增大N倍，這樣可以很好地抑制尖脈沖干擾。
因為尖脈沖雖然幅度大，但其所占頻譜寬，單位頻帶內所占有的能量少，相對于每個子信道f0,f1...fN-1其所具有的能量減小，這樣也就減小對解調輸出的影響；對窄帶脈沖干擾，它只能影響f0,f1...fN-1中的幾個子信道，不足以影響全部子信道，系統可以在這些受干擾的子通道上降低傳輸速率，或者暫時關閉這些子信道，可以克服窄帶脈沖干擾的影響。同擴頻調制相比，OFDM同樣具有抗尖脈沖及窄帶脈沖干擾的能力，并且在相同的傳輸速率下，OFDM所占用的帶寬比擴頻調制要窄，這對頻帶資源只有500kHz的電力線載波通道而言是十分可貴的。但是OFDM的調制解調技術比較復雜，Siemens公司采用ASIC技術制成專用芯片，同時還具有通道特性測試功能，通過測試分析指出哪些頻段適宜傳輸，這些都給技術實施帶來極大的方便。
以上都是從調制方式來解決電力線的干擾，或者避開干擾。從實際應用來看，大可沒有必要，各種調制方式也只是解決一些問題，但是不能從根本解決，現在主要解決對電力線的信號能量耦合問題，才能從根本上解決問題。載波信號功率是通信成敗的一個非常關鍵的因素，適當的選擇功率放大器件對開發性能優越的載波通信設備非常重要。
低壓電力線信道的干擾特性
低壓電網的干擾源主要包括脈沖噪聲干擾、窄帶干擾、高斯噪聲及50Hz諧波噪聲干擾等。脈沖噪聲主要由瞬間短路、功率器件的開啟與阻斷等現象和行為產生。窄帶干擾源于網中的諧波現象。高斯噪聲可認為是低壓配電網的背景噪聲，主要由配電變壓器的高壓邊耦合而致。噪聲在低壓配電線上可分為以下四種。
(1)50Hz工業頻率同步噪聲：這種噪聲主要由開關電路，如可控硅整流電路和某些電源供給電路。當電源供給電壓跨過某一門限值時可控硅整流電路發生跳變。因為電壓是周期性的，在50Hz或50Hz的整數倍時可控硅整流電路發生跳變，因此在50Hz或50Hz的整數倍時產生噪聲。這種噪聲與電源頻率同步或漂移。由于可控硅整流電路存在于每一個配電自動化系統中，因此這一類噪聲存在于配電變壓器的一次側和二次側。這一類噪聲在50Hz的整數倍處有線性的頻譜。
(2)平滑頻譜的噪聲：這一類噪聲是因為在電力線的負載的頻率與電源的頻率不同步所產生。一個最普遍的例子就是電動機。由于電動機的轉速受其負載的控制，直流電動機的電刷可以導致電流發生間隔性改變。在大多數的工程實踐中，可認為這一類噪聲有平滑的頻譜但沒有固定的頻譜線。在配電網通信這種帶寬比較窄的情況下，可將這一類噪聲看作白噪聲。
(3)脈沖噪聲：電燈、熱水器以及其它一些開關現象都可以導致脈沖噪聲，電力系統為補償功率因數的補償電容的接通或斷開也可導致脈沖噪聲。
(4)異步周期性噪聲：這一類噪聲有與50Hz電源頻率不相關的線性頻譜。產生這一類噪聲源的設備為電視接收機。
低壓電力線信道的其它特性
1．阻抗變化特性
配電變壓器的二次側的低壓電力線上連接的負載多種多樣，主要包括電阻性(R)、電容性(C)、電感性(L)3類負載。根據負載的隨機接入和撤出，R,L,C的瞬時相對份額以及頻率參數的變化，其阻抗特性難以準確描述，但在一定的頻率范圍內時，特性阻抗的變化范圍一定。一般配電網電力線的波阻抗在幾十歐姆到100多歐姆。例如在通信頻率下，如130KHz，12-2G Romex NM-B在20m長的末端接1μF的電容(低阻抗)時，線路輸入阻抗約為10Ω，呈感性；在末端接500Ω的電阻時，線路輸入阻抗成容性。一些電器中均有電容濾波器，濾波器的電容與電力線的電感產生諧振，可在某些頻率范圍內使阻抗大大降低(小于1Ω)。線路上的感性負載或容性負載隨機的接入，可引起以下兩方面的效果：負阻抗負載與線路形成諧振電路，可形成阻抗零點；動態接入線路的負載不能保證與線路的特征阻抗匹配，從而引起線路波的反射和駐波效應，造成不同測量點的不同阻抗。此外，隨著整流設備的越來越普遍，大多數整流設備在交流電壓峰值點附近導通，并且與阻抗較小的濾波電容連接，造成交流電壓在過零點附近時的阻抗大于峰值點附近時的阻抗。
2．損耗衰減特性
電力線中傳輸信號的損耗由多方面引起：1)由線路串聯電感和并聯負載、并聯的分布電容(并聯的電磁兼容電容)組成電壓分壓器造成的損耗。假如每30m線路的串聯電感為19微亨，負載為30Ω的電阻，并聯0.44微法的電磁兼容電容，則負載處的信號衰減為12dB。這樣的3段單元組成的電壓分壓器，第3段負載處的信號衰減為36dB。2)不同相位的耦合引起的損耗。絕大多數的配電變壓器將阻礙通信信號的通過，因此配電變壓器的原、副邊之間的傳輸信號衰減可達60dB到100dB。配電變壓器的次級線圈間的信號傳輸也會達到20dB～40dB的衰減，其程度與分支線路用線的類型、不同相位布線耦合程度有關。3)由信號經過配電盤電源的交匯處引起的損耗。在電力線通信頻率下，配電盤相當于小于1Ω的電負載，可引起12dB～24dB的信號損失。在一般情況下，傳輸信號的損耗是頻率的函數，高頻段的損耗大于低頻段的損耗。
3．相移特性
低壓電力線傳輸信號對相位的影響通過測量表明，250m的電力線，正弦波的相移小于±10。
電力線載波通信系統設計
硬件電路設計
經過長期調研與實驗論證，我們最后選定國內自行研制的低壓電力線載波通信模塊KQ-100E。KQ-100E采用FSK載波通信方式，在數字信號處理技術上有獨創性的高新技術成果應用，許多用戶經過對比試驗后都給予很高的評價。相對于擴頻方案而言，FSK方式提供的是透明的載波通道，不需要對模塊初始化編程，可以通過軟件任意變換波特率，從而為過零點(市電50HZ的正弦波的零點)通信、軟中繼(定址中繼或無中心自動中繼)、軟件濾波的實現提供可能。
KQ-100系列產品的發送部分和接收部分封裝在同一模塊內，并用CMOS器件作為接口，器件功耗低，主芯片+5V，約35 mA，另一種專用型功耗約+5V，20 mA，發送功率可以控制VAA的功耗，+12V，300mA，可以視環境需要在5V～18V范圍內選定，電壓越高，輸出功率大，傳送距離遠。其系統結構簡圖如圖5所示。
軟件設計
一般來說噪聲數據在一定范圍內變化，如在EOH-FFH之間或7OH-90H之間出現，因此在進行軟件編程時，重點采取以下處理方式：
1.引入同步碼。在編程時，要在接收到同步碼以后才開始對下面的數據正式接收。在同步碼的確定上,經過反復實驗,初步選定為FFH，FFH，A5H，A5H，A5H，在實際使用中能非?？煽康毓ぷ?。
2.在模塊發送時，R/T要提前變成低電平，一般提前一個字節的發送時間，1200bit提前8.33ms、100bit提前100ms。
3.在發送完畢時，一定要等到數據完全移位發送完所有位的數據后才將R/T置高電平。如51系統單片機，當系統檢測到TI標志為1時，并不等于數據已完全發送完畢。其實這時僅表示單片機已可以處理下面欲發送的數據，而當前數據并未完全移位送出。
4．由于電力線上干擾比較嚴重，在模塊通信距離較遠，接收到干擾信號大于接收信號時，可通過編程用軟件濾波方式以提高數據通信距離及可靠性。例如100bit，發送1位需10ms,編程定時中斷每277.78μs中斷1次(對89c51，在11.0592M晶體頻率點，每256個機器周期中斷1次),那么在傳送一位的時間內,中斷36次。每次中斷對RXD采樣一次，分別對1或0計數，當0和“1”總計數為36時比較1和0的計數值，誰的數計得多就以誰為這一次接收到的數據位。
