ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计4.docx
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ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计4
.4辅助电源的设计
3.4.1需要制作的电源
(1)运放LM324电源电压范围:
单电源3V~32V,双电源±1.5V~±16V。
又因为ICP传感器输出的是模拟信号,为了完整波形输出,选择双电源±12V。
而AD620电源电压范围:
±2.3V~±18V,所以也选用用双电源±12V。
(2)因为ICP加速度传感器的激励电压为18V-30V,典型值24V。
+12V不够用,所以需要制作一个电压为24V的直流电源。
3.4.2电源总体设计
(1)基本原理
①变压部分采用变压器来实现。
②整流部分一般桥式整流可采用4个整流二极管接成桥式,也可以也可用二极管整流桥堆。
③滤波电路采用电容滤波即可。
④稳压电路可以采用集成稳压电路。
(2)设计思想
①电网供电交流电压为有效值220V,频率为50Hz,为了获得低压直流,首先需要使用电源变压器进行变压,将电压降低,从而获得合适大小的交流电压。
②降压后的交流电压,通过整流电路进行整流,编程有脉动成分的直流,不过其幅值变化还是比较大。
③有较大脉动成分的直流电压须经过滤波电路进行滤波,变成平滑,脉动较小的直流电,即将交流成分滤掉,有效地保留其直流成分。
④滤波后的直流电压,再通过选择合理的稳压电路进行稳压,之后便可得到较为理想的低压直流电源。
(3)原理图
图3.17 直流稳压电源框图
3.4.3变压部分设计
电网供应的民用单相交流电只有一种电压,即有效值220V、频率50Hz的交流电压。
这就需要一种器件能够进行变压,将220V的交流电变换成我们需要的交流电压,再经过整流、滤波、稳压等步骤就会得到需要的直流电压。
电源变压器,是专门用来改变交流电压与交流电流的器件,能够完成变压任务。
也就是说,当某一个固定电压的交流电通过一个相应的电源变压器,可以变换成所需要的交流电压,之后再整流、滤波和稳压转换成所需要的直流电压。
要得到符合电路要求的交流电压值,就必须使用电源变压器进行变压[17]。
最简单的单相变压器结构如图3.18所示。
它是由初级绕组、次级绕组以及铁心三部分组成。
其中,初级绕组用来输入电源的交流电压,所需要的交流电压即会输出于次级绕组。
本质地讲,变压器是一种进行电->磁->电转换的器件,也就是使初级线圈的交流电转化成铁心形成的闭合交变磁场,次级线圈被磁场的磁力线切割,从而产生交变的电动势,当负载被接上时,电路形成闭合回路,次级电路就有了交流电流通过[15]。
图3.18单相的变压器结构图
电源变压器主要由初级线圈、次级线圈和铁心构成。
它两侧的电压值正比于初、次级线圈的匝数,反比于初、次级中的电流值。
实际上,变压器的初、次级线圈和铁心都会消耗一部分功率,其中包括铜损涡流损失等,也等于说,变压器的效率η不会是100%。
通常,如果变压器的容量越大,效率也会越高,对于功率在1000W以下的变压器效率η在65%-90%之间。
3.4.4整流部分设计
整流电路是把交流电压转变为直流脉动的电压。
常见的小功率整流电路,有单相半波、全波、桥式整流等。
之所以能把方向和大小交变的电流变换为直流电,是因为采用了具有单向导电特性的器件。
在一般分析中,我们常把二极管当作理想元件处理,即正向导通电阻为零,反向电阻为无穷大。
下面介绍采用晶体二极管搭建的各种整流电路。
半波整流电路整流电路结构最简单的一种,电路如图3.19所示。
它由整流二极管D、电源变压器B和负载电阻R组成。
变压器把220V电压变换为交变电压E2,D再把交流电变换为脉动的直流电。
图3.19半波整流电路
图3.20的波形图说明了二极管整流的过程。
图3.20半波整流波形
全波整流电路是一种整流效率非常高的整流电路。
下图3.21为原理图。
e2a、e2b两个电压是大小相等、极性相反的,构成e2a、D1、R与e2b、D2、Rfz,两个通电回路。
图3.21全波整流电路
全波整流的工作原理原理,可用图3.22所示的波形图说明。
图3.22全波整流波形
桥式整流电路是使用最为广泛的一种整流电路。
它只需要用四只二极管连接成"桥"式结构,不仅具有了全波整流电路的优点,还同时弥补了全波整流电路的部分缺点。
其电路如图3.23所示。
图3.23桥式整流电路
桥式整流电路的工作原理如下:
当u2>0时,D2、D4截止,D1、D3导通,。
电流通路为:
由+经D1RLD3-;当u2<0时,D1、D3截止,D2、D4导通。
电流通路:
由-经D2RLD4+。
输出是脉动的直流电压,图3.24所示的波形图说明。
图3.24桥式整流波形
将以上的三种整流电路进行对比发现,桥式整流电路具有输出直流电压高;脉动较小;电源变压器得到充分利用等明显的优点。
所以,在本设计中我们采用桥式整流电路。
目前,生产厂家已经将整流二极管封装在一起,制作成方便使用的整流桥模块,这些模块只有输入交流和输出直流引线。
结构简单,使用简便,可靠性和稳定性提高。
以下为几种常见的封装好的硅整流桥,如图3.25所示。
图3.25几种常见硅整流桥
3.4.5滤波部分设计
整流电路将交流电压整流后,输出的是脉动直流,其中不是单纯的直流成分,还有少量交流成份。
滤波电路的原理是利用储能元件电容两端的电压不能突变的特性,将电容与负载RL并联,将整流电路输出电压中的交流成分滤掉,保留其直流成份,从而达到输出平滑电压波形的目的。
电容滤波是将电容与负载RL并联,电路如图3.26所示。
图3.26电容滤波电路
当u>uC时,二极管导通,电源同给给负载RL供电和给电容充电,uC增大,uo=uC。
当u 使用电容进行滤波时,负载变化会干扰输出电压,即带负载能力较差。 因此电容滤波适用的场合主要是同时满足输出电压较高、负载电流较小并且负载变化不大的场合。 电感滤波是将电感与负载串联,电路如图3.27所示。 整流二极管管导电角较大,峰值电流非常小小,输出特性非常平坦,适用于低电压大电流即RL较小的场合。 图3.27电感滤波电路 若想为进一步改善滤波特性,采取多级滤波,如LC滤波电路,RCπ型滤波电路。 根据课题实验要求,系统采用电容滤波电路。 3.4.6稳压部分设计 稳压电路(稳压器)是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。 电网电压、负载及环境温度的变化一般不会干扰稳压电路的输出电压。 稳压器是内阻很小的电压源。 其内阻越小,稳压性能越好。 稳压部分可采用由稳压管组成的稳压电路。 电路利用稳压管的反向击穿特性的原理来稳压。 鉴于稳压管陡直的反向特性,电流的变化几乎不会带来电压的改变。 由稳压管组成的稳压电路如图3.28所示。 图3.28稳压管稳压电路 随着科学技术的发展,单片集成稳压电源已经被开发和广泛应用起来,具有体积较小,稳定性很高,使用方便灵活,价格便宜等优点,本恒流源系统设计稳压部分采用三端稳压器。 本论文主要介绍常见的W7800和W7900两个系列的三端集成稳压器,它们的内部是串联型的晶体管稳压电路。 该组件的外形如下图3.29所示,稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内,电路内部同时具备短路环节和过热保护环节。 图3.29W7800系列稳压器 W7900系列稳压器 W7800和W7900系列具有一系列的性能特点: 它们不需要外接元件,内部有过热保护和过流保护,调整管设有安全工作区保护,输出电压容差为4%。 并且,系列输出电压为额定值,有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。 根据课题要求,需要输出的额定值为12V,所以选用7812和7912系列。 W78系列为三端集成正稳压电路,TO-220封装,当附加散热片时,输出电流可达1.5A。 虽然是固定的稳压电路,但是通过使用外接元件,可以获得不同的电压和电流。 其结构组成框图如图3.30所示。 图3.30LM7812系列功能框图 7812系列集成稳压器的典型应用电路如下图3.31所示,这是一个输出正12V直流电压的稳压电源电路。 C1为输入端和滤波电容,电容值较大;C2是输出端滤波电容,电容值较小;RL为负载电阻。 RL两端电压为12V。 图3.31LM7812稳压器的应用电路 7912系列同为3端正稳压电路,TO-220封装,提供-12V的电压。 其内部电路如图3.32所示。 图3.32LM7912的内部电路图 对于课题,需要电路同时输出正负电压,所以电路如图3.33所示。 图3.33电路输出正负电压 3.4.7 电源电路图 (1)在实际应用中,为了确保桥式整流后的电流波形平直,一般采用大小电容配合使用。 如图3.34: (2)同理,24V直流电源电路如下: 图3.35 24V电源电路图 (3)最终需要将±12V电源电路和24V电源电路整合在一起,最终电路图如下: 图3.36 电源电路图 3.5整体电路图的设计 我们采用protel软件制作电路图,设计好的完整电路图如下: 图3.37 总电路图 3.6印制电路板PCB的制作 我们采用protel制作PCB(印制电路板),因为用到的元件数量较多,选用常见的双面直插式制作,设计好的PCB见附图B和附图C。
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