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1、目 录1 引言12设计要求 13 400Hz中频电源的硬件原理与设计 13.1振荡电路2 3.2分频电路23.3 积分电路 43.4 放大电路 64.2控制电路的原理与设计方案 95测试结果116结论12参考文献13致谢141 引言 400Hz中频电源，可广泛应用于舰艇，飞机及机载设备以及工业控制设备，例如，旋转变压器是一种信号检测设备，通过角度的改变，可实现输出电压的改变，进而为控制设备提供控制信号。利用400Hz中频电源给旋转变压器供电，可以实现系统电信号的控制，将非电量转变成了电量。在航天航空设备中，中频电源性能的优劣和可靠性将决定着航行器的安全行驶与战斗力的发挥。新型中频电源自动控制系
2、统具有电路简单，可以实现复杂的控制，控制灵活且具有通用性的优点。当电源本身特性发生变化时候，完全可以通过对软件参数进行修改来对电路进行改动，可以为进一步实现集中控制带来方便。采用新型数字控制系统后，中频电源具有启动平稳、运行稳定、控制精度高、调试与维修方便、体积小等优点。2 设计要求(1) 实现输出频率为稳定的400Hz正弦波。(2) 输出波形没有明显失真。(3) 输出电压为25V65V连续可调（有效值）。3 400Hz中频电源的硬件原理与设计4MHz信号基准电源，通过分频电路进行分频得到400Hz的信号，经过积分电路将方波转化为正弦波，为提高电压的幅值还要经过放大电路进行放大，再通过升压变压
3、器使最后的输出电压的有效值在25V65V之间。通过检波电路得到直流电压，AD采集首先将模拟信号转变成数字信号后，再将采集到的电压值送到单片机中，最后通过单片机送到数码管显示电压，为保证放大电路中TDA7294的正常工作，单片机控制系统还通过稳压电路为其提供电压。中频电源设计原理流程图如图31所示。振荡电路分频电路积分电路放大电路图31 400Hz中频电源设计原理流程3.1 振荡电路为得到频率稳定性很高的振荡信号，多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。石英晶体的电路符号及振荡电路如图32所示。图32振荡电路在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产有利于一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交
4、变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶体的选频特性非常好，串联谐振频率fs也极为稳定，且等效品质因数Q值很高。只有频率为fs的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。电路中并联在两个反相器4069输入，输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区，R的阻值分别为3.3k和2.7k。电容C1用于两个反相器间的耦合，而C2的作用，则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。电容C2的选择应使2RC2f
5、s1，从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。C1的选择应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计。电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R，C的数值无关。这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡。为了改善输出波形,增强带负载的能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器4069。输入的信号为4MHz，这样输出的信号频率为4MHz。3.2 分频电路3.2.1 CD4024分频器然后进入CD4024分频器1。CD4024是多位二进制输出串行计数器，它是7位的串行计数或分配器。如图33所示。图33CD4024分频器是由D型触发器组成的二进制计数器。多
6、位二进制计数器主要用于分频和定时，使用极其简单和方便。CD4024特点是IC内部有7个计数级，每个计数级均有输出端子，即Q1Q7。CD4024计数工作时，Q1是CP脉冲的二分频；Q2又是Q1输出的二分频；Q3又是Q2输出的二分频所以有fQ7f2cp。所以进入CD4024的信号4096KHz在Q1端输出的信号为2048KHz，在Q2端输出的信号为1024KHz，在Q3端输出的信号为512KHz，在Q4端输出的信号为256KHz，在Q5端输出的信号为128KHz，在Q6端输出的信号为64KHz，在Q7端输出的信号为32KHz。然后32KHz的信号又进入一个CD4024分频器，在第二个分频器的Q1端
7、的输出信号为16KHz，在Q2端的输出信号为8KHz，在Q3端的输出信号为4KHz。这样输出频率为4KHz的信号又进入下一个分频器74LS90。3.2.2 74LS90计数器74LS90是异步十进制计数器2 。其逻辑电路图和引脚图如图34所示。它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CLK0端输入，输出由Q0端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CLK1端输入，输出由Q1Q3引出，即是五进制计数器；如果将Q0与CLK1相连，计数脉冲由CLK0输入，输出由Q0Q1引出，即得8421码十进制计数器。因此，又称此电路为二五十进制计数器。图3474LS90计数器管脚图本设计
8、中信号由CLK1端输入，输出由Q1Q3引出，即是五进制计数器。也可看成五分频器，即Q3是CLK1输出的五分频，Q2是Q3输出的五分频4KHz信号输入在Q3端输出是800Hz信号。此点输出波形为脉冲波形。输出为800Hz的信号又进入下一个分频器D触发器。3.2.3 D触发器边沿型D触发器如图35所示。图35D触发器边沿型触发器3的特点是，输出状态发生变化的时刻只能在时钟脉冲CP的上升沿触发。输出状态Qn+1的值仅仅取决于Qn及CP信号有效沿时刻的输入信号，具备这种特点的触发器就叫做边沿型触发器。D触发器是一种延迟型触发器，不管触发器的现态是0还是1，CP脉冲上升沿到来后，触发器的状态都将改变成与
9、CP脉冲上升沿到来时的D端输入值相同，相当于将数据D存入了D触发器中。表 31 是边沿型D触发器的功能表。表31 边沿型D触发器DQnQn+1说明001101010011输出状态与D端状态相同从功能表写出D触发器的特性方程为： （3.1）D触发器为二分频触发器。即从Q输出的信号为400Hz的方波。400Hz方波要进行二次积分，整形变成正弦波。3.3 积分电路3.3.1 方波变三角波电路如图36（a）所示。由图可见，在理想条件下，图 36（a ）基本积分电路 (3.2)如果电容两端的初始电压为零，则(3.3)当Ui(t)是幅值为Ei的阶跃电压时(3.4)此时，输出电压Uo(t)随时间线性下降，如
10、（33）可知，时间常数RC的数值越大，达到给定的Uo值所需要的时间越长。图36（b）图36（c）输入为阶跃电压时的输出波形输入为方波时的输出波形当Ui(t)是峰值振幅为Uip-p的方波时，Uo(t)的波形则为三角形波，如图36（c）所示。这时，根据式（3.4），输出电压的峰峰值为 （3.5）在实际的积分电路中，通常都在积分电容C的两端并接反馈电阻Rf如图36（a）所示。Rf的作用是产生直流负反馈，目的是减小集成运放输出端的直流漂移。但是，Rf的存在将影响积分器的线性积分关系，这时，输出积分波形将如图36（b）虚线所示。因此，为了改善积分器的线性度，Rf值取大些，但太大对抑制直流漂移不利，因此，
11、Rf应取适中的数值4。3.3.2 三角波变正弦波如图37所示。经过二次积分所得到的波形是正弦波，但此时正弦波是带有直流的波形，频率是400Hz。经过整形滤出直流波形变成正弦波。 图37三角波变正弦波三角波再经过一次积分变成正弦波5。然后进入放大电路，输出电压的幅度不够所以要经过多次放大。3.4 放大电路3.4.1 负反馈放大反馈：可描述为将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。我们有时把引入反馈的放大电路称为闭环放大器，没有引入的称为开环放大器。它可分为负反馈和正反馈。反馈输入信号能使原来的输入信号减小即为负反馈，反之则为正反馈。就是通过比较反馈前后
12、的输入量的改变情况，若反馈后的净输入量减小则为负反馈，反之则为正反馈。（净输入量是反馈后的输入量）判断的方法是：瞬时极性法。先将反馈网络与放大电路的输入段断开，然后设定输入信号有一个正极性的变化，再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的，若是负极性，则表示反馈量是削弱输入信号，因此是负反馈。反之则为正反馈6。负反馈对放大倍数的影响(1) 负反馈使放大倍数下降由放大倍数的一般表达式： （3.6） 我们可以看出引入负反馈后，放大倍数下降了(1+FA)倍。(2) 负反馈提高放大倍数的稳定性我们用相对变化量来表示（对上式求导）： （3.7）从上式我们可以看出放大倍数的稳定性也提高了（1+FA）倍。负反馈
13、可以使放大电路的非线性失真减小，它还可以抑制放大电路自身产生的噪声。本设计选用的是加法电路如图39所示。在反相比例放大器的基础上增加几个输入支路便组成反相求和运算电路。如图所示，其输出电压为 （3.8）如果，则 。图39加法电路经过两级负反馈放大调整，输出的仍为400Hz的正弦波形，电压幅值适当调节。3.4.2 TDA7294放大TDA7294是著名的ST意法微电子公司推出一款新型DMOS大功率音频功放集成电路，它具有较宽范围的工作电压，（VCC+VEE）=80V；较高的输出功率（高达100W的音乐输出功率），并且具有静音待机功能，以及过热、短路保护功能。很小的噪声和失真，其音质极具胆味，这缘于其内部电路从输入到输出都是场效应器件。TDA7294实际功率能达到50W的功放IC,在过热保护方面的表现已经做得非常好。他们在功放IC的发热温度低于最高允许值时，输出信号波形始终都保持正常。必须在功放IC金属片上的温度到达115度之后，它们才关段输出。相对于其他大功率功放IC来说， TDA7294确实是其中的佼佼者。经实际使用证明：这款功放IC本身的静态输出背景噪声电压不大于0.25Mv,在4欧负载上输出1W
