电气设计和电路设计

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电气设计和电路设计范文第1篇

关键词：电路设计 仪器选择

电学是高中物理的重要组成部分，电学中的电路设计和仪器选择是电学的核心内容，如何让学生掌握电路的设计和仪器的选择是电学教学的关键。以高二物理教材“描绘小灯泡的伏安特性曲线”、“测金属丝的电阻率”、“测电源电动势和内阻”等几个学生实验为例，这些实验都有许多相似之处和不同之别，学生只要掌握了电路设计和仪器选择的原理和方法，其它问题就迎刃而解了。

一、电路设计原理

以上实验都是利用滑动变阻器改变电路中的电流，用电流表和电压表测量电路中小灯泡、金属丝、变阻器的电流和电压，然后用作图法和计算法分别去描绘小灯泡的伏安特性曲线、计算出金属丝的电阻率和电源电动势和内阻。滑动变阻器、电流表和电压表在电路中有不同的接法。

（一） 滑动变阻器电路的选择

1.限流电路（如上图左）

当移动滑动变阻器滑片时，可以改变电路中的电阻，从而控制用电器的电流和电压。设电源电压为E，用电器（小灯泡、金属丝、变阻器）的电阻、电流、电压分别为R、I、U，滑动变阻器的全值电阻为R0，

1）当滑动变阻器滑片P滑到右端时，用电器上的U、I均为最大，其最大值分别为E、E/R

2）当滑动变阻器滑片P滑到左端时，用电器上的U、I均为最小，其最小值分别为ER/（R+R0）、 E/（R+R0）

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为

U： ER/（R+R0）——E

I： E/（R+R0）——E/R

由上式可知，限流电路的电流和电压调节范围与滑动变阻器的全值电阻R0有关，在E、R一定的情况下，R0越大，电流和电压调节范围越大；当R0比R小得多时，电流和电压调节范围都很小。

2.分压电路（如上图右）

1）当滑动变阻器滑片P滑到右端时，用电器上的U、I均为最大，其最大值分别为E、E/R

2）当滑动变阻器滑片P滑到左端时，用电器上的U、I均为最小，其最小值分别为0、0

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为

U： 0——E

I： 0——E/R

由上式可知，限流电路的调节范围均与滑动变阻器的全值电阻R0无关。

3.两种电路的比较

1）两种电路都可以控制用电器上的电流和电压，两种电路的电流和电压调节范围的上限相同（U、I的上限均为E、E/R），而下限不同，限流电路的电流和电压调节下限为ER/（R+R0）和E/（R+R0），而分压电路的电流和电压调节下限均为0，所以分压电路的电流和电压调节范围都大于限流电路的调节范围。

2）限流电路简单，通过电源的电流小，使用同一滑动变阻器和同一用电器时，限流电路消耗的电能小于分压电路消耗的电能。

3）当R比小R0得多时，限流电路的电流和电压调节范围分别近似为0-E和0-E/R，两种电路的电流和电压调节范围差别不大。

4）当R比大R0得多时，限流电路的电流和电压调节范围的上限和下限相差不大，即调节范围很小；但分压电路的调节范围仍然较大。

4.两种电路的选择

1）当用电器电阻R比滑动变阻器的全值电阻R0小或差不多，且实验要求的电压变化范围不太大时，一般选择限流电路

2）当用电器电阻R远大于滑动变阻器的全值电阻R0，且实验要求的电压变化范围较大时，一般选择分压电路

3）若采用限流电路，电路中的最小电流仍然超过用电器的额定电流时，必须选择分压电路

4）实验要求电压或电流从零开始连续变化时，必须选择分压电路

5）当两种电路都能满足实验要求时，从能耗考虑，应优先选用限流电路

（二）电流表、电压表测量电路的选择

R

电流表、电压表测量电路有电流表外接法（如上图左）和电流表内接法（如上图右），由于电流表和电压表内阻的影响，两种电路的测量值和真实值之间存在误差。设电压表内阻为RV，电流表内阻为RA，待测电阻真实值为R，测量值为RN

1.电流表外接法的相对误差： 测量值 RN =U/I=RRV/（R+RV）

相对误差 N =（R-RN）/R

=R/（R+RV）

≈R/ RV

2.电流表内接法的相对误差： 测量值 RN =U/I=R+RA

相对误差 N =（R-RN）/R

= RA/R

3.两种电路的误差比较：为了测量精确，减小实验误差，

1） 当（R/ RV）〉（RA/R）时应选择电流表内接法电路；

2） 当（R/ RV）〈（RA/R）时应选择电流表外接法电路。

二、实验电路选择

1. 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，因为小灯泡在实验范围内的电阻较小，所以采用电流表外接法，为使小灯泡上的电压能在较大范围内调节，变阻器采用分压电路，实验电路如下图左。

2. 在“测金属丝的电阻率”，实验中，因为金属丝的电阻值较小，所以采用电流表外接法。由于电路对电流和电压的调节范围要求不大，变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如下图中。

3. 对于“测电源电动势和内阻”的实验，由于电池的内阻比电压表内阻小得多，与电流表内阻差不多，所以采用电流表内接法。而且利用滑动变阻器改变电路中的电流，滑动变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如下图右

电气设计和电路设计范文第2篇

1电路设计和仪器选择的基本理论依据

1.1电路的选择

（1）测量电路――电流表内、外接电路的选择.

由于电压表的分流作用和电流表的分压作用，造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差，为减小此系统误差，当待测电阻阻值Rx为小电阻时，有RVRx或RVRx>RxRA，电压表分流很小时，选择电流表外接电路；

当待测电阻阻值Rx为大电阻时，有RARx或RVRx

（2）控制电路――滑动变阻器限流与分压接法电路的选择：

①当负载电压要求从零开始调节，采用分压

电路.

②当滑动变阻器阻值小于负载电阻时，一般采用分压电路；当滑动变阻器阻值大于负载电阻时，一般采用限流电路.

③当电源电动势较大、滑动变阻器阻值较小，不能满足限流要求时，采用分压电路.

1.2电路实验器材和量程的选择，应考虑以下几点

（1）电路工作的安全性，即不会出现电表和其它实验器材因过载毁坏现象.

（2）能否满足实验要求（常常要考虑便于多次测量求平均值）.

（3）选择器材的一般思路是：首先确定实验条件，然后按电源―电压表―电流表―滑动变阻器顺序依次选择.

①电源的选择：在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，选择电动势较大的电源（以获得更多的测量数据）.在相同电动势情况下，通常选择内电阻较小的电源（以获得较稳定的路端电压）.

②电表的选择：在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的2/3左右）.

2测量电阻的电路设计和仪器选择

2.1伏安法即用电流表测出流过Rx的电流I，用电压表测出Rx两端电压U，再根据欧姆定律（Rx =U/I）求出Rx

根据这一原理，在设计测量电路时，必须有电压表和电流表，同时还要满足三个条件：第一，选好电压表、电流表的量程，量程太大或太小，都会违反读数原则；第二，正确选择好电流表的内、外接法；第三，确定滑动变阻器的限流式接法或分压式接法.此外，在选择各种仪器时，还要考虑仪器所能承受的最大电压、电流及电功率，这一点最容易忽视.

例1用伏安法测量一个定值电阻的阻值，备用器材如下 ：

待测电阻Rx （阻值约为25 kΩ）

电流表A1：（量程100 μA，内阻2 kΩ）

电流表A2：（量程500 μA，内阻300 Ω）

电压表V1：（量程10 V，内阻100 kΩ）

电流表V2：（量程50 V，内阻500 kΩ）

电源E：（电动势15 V，允许最大电流1 A）

滑动变阻器R：（最大阻值1 kΩ）

电键S，导线若干

为了尽量减小实验误差，要求测多组数据.

（1）电流表应选，电压表应选.

（2）画出实验电路图.

解析（1）器材选择（测量电路）

从减小电表读数引起的偶然误差的角度考虑，两电表及电表与电源间的配置要合理.注意到电源电动势远小于电压表V2的量程，而跟电压表V1的量程较接近，若选用电压表V2来测量电压，其最大偏转量达不到量程的13，读数时偶然误差太大，所以选用V1较恰当；而此时通过电流表的最大电流

Im=UmRx=102.5×104 A=400 μA，

因此，电流表A2与V1配置较好.

（2）电路选择（控制电路）

电路选择主要从滑动变阻器对电路的控制和调节的角度考虑.若采用限流电路控制，注意到测量部分的总电阻约为20 kΩ，远大于滑动变阻器的总电阻（1 kΩ），要保证电表安全，变阻器分得的电压至少为5 V，阻值应调到10 kΩ，显然，限流不能起到保证电表安全的作用，更不能进行有效调节，所以，只能采用分压电路控制，实验电路如图1所示.

点评 伏安法测电阻是测电阻实验的物理模型，其他方法是这一物理实验模型的转换和迁移.因此，理解伏安法测电阻的实验原理、电路设计和仪器选择的依据、实验步骤、数据处理方法、误差分析、电路的连接也是电学实验的基础和前提.

2.2“安安”法是利用两块电流表测电阻的一种方法，这一方法的创新思维是运用电流表测电压（或算电压），此方法适用于电压表不能用或没有电压表等情形

设计电路时除考虑电流表的量程外，还要考虑滑动变阻器分压与限流的连接方式.

例2用以下器材测量一待测电阻的阻值.器材（代号）与规格如下：

电流表A1（量程250 mA，内阻r1为5 Ω）；

标准电流表A2（量程300 mA，内阻r2约为5 Ω）；

待测电阻R1（阻值约为100 Ω）；

滑动变阻器R2（最大阻值10 Ω）；

电源E（电动势约为10 V，内阻r约为1 Ω）；

单刀单掷开关S，导线若干.

（1）要求方法简捷，并能测多组数据，画出实验电路原理图，并标明每个器材的代号.

A.1 kΩB.5 kΩC.10 kΩD.25 kΩ

解析（1）实物连线如图8所示.

（2）电阻箱的阻值

R1=0×100 Ω+8×10 Ω+6×1 Ω+3×0.1 Ω

=86.3 Ω.

本题测量电流表的内阻的方法是“替代法”.即用电阻箱的阻值替代电流表A1的内阻值，其条件是：开关S2分别扳到a处和b处时，保持滑动变阻器R2不变，且使电流表A2读数相同.所以，待测电流表A1的内阻.

RA=R1=86.3 Ω.

（3）当R2调为零时，要使电路中的电流I不超过电流表A2的量程，根据闭合电路欧姆定律可知，电路总电阻R总至少为：

R总=EIA2=4200×10-6=2×104 Ω=20 kΩ.

由于电流表A1、A2的内阻（约为100 Ω）远小于R总，故保护电阻R3应选用20 kΩ的电阻，但若选用200 kΩ的电阻，则电路中电流太小，电流表A1、A2指针偏转量太小，读数不明显，实验误差太大.所以，正确的选项为B.

（4）由于R3=20 kΩ，调整滑动变阻器R2时，要使电流表A2的读数为150 μA，则

R2≈EI-R3=4150×10-6 Ω-2×104 Ω≈7 kΩ.

若选用1 kΩ或5 kΩ滑动变阻器，则不能满足实验要求（A2读数为150 μA）；若选用25 kΩ的滑动变阻器，则调节范围太小（不方便调节），所以，选用10 kΩ的滑动变阻器较合适，正确的选项为C.

注：对于直接等效替代法，除电流等效替代外，也可采用电压等效替代（如图9所示），其实质是相同的.

2.5.2间接等效法测电流表或电压表的内阻，这种方法又称半偏法.

测电流表的内阻

①电路图如图10所示：

a.如图连接，R1为电阻箱，可以是滑动变阻器，R2为电阻箱.b.闭合S1，调节R1，使电流表指针满偏.c.闭合S2，保持R1不变，调节R2，使电流表指针半偏d.从电阻箱上读出R2的电阻值R2，认为rg =R2′

②误差分析

满偏时：Ig=ER1+Rg

半偏时：Ig2=ER1+RgR2Rg+R2×RgR2Rg+R2×1Rg，

故R2′=RgR1R1+Rg

当R1Rg时，测量值R2接近Rg，要减小误差，应使R1Rg.

此时认为流过电源的总电流仍为Ig，这是因为R1的电阻远大于表头的电阻.S2合上与否，对整个电路的总电阻的影响是极小的.此时，由于流过表头的电流为Ig/2，则流过R2的电流也为Ig/2，即流过表头与R2的电流相等，则表头与R2的阻值肯定也相等，所以，只要读出R2的阻值，即为表头的阻值.实际上，当S2合上时，总电阻变小，总电流变大，即流过R2的电流大于Ig/2，根据并联电阻的分流原理，可知R2小于表头的阻值，测量结果偏小.

测电压表的内阻

①电路如图11所示，原理：在R触头不变的前提下认为上图中支路两端电压不变，当R′=0时，电压表满偏，调节R，使电压表半偏，则

RV = R′.

②误差：当调节R时，支路电阻变大，电压实际上变大，即大于电压表的满偏电压，而电压表半偏，R′上的电压大于电压表的电压，因此R′>RV，即测量值偏大.

③条件：只有RRV（或R′）时，调R′时，才能近似认为支路电压不变.

例6为了较准确地测定一只量程为3 V，内阻约3 kΩ的电压表的内阻值，在手头没有电流表可用的情况下，某同学设计了如图12所示的实验电路.其中R1是最大阻值为9999 Ω的电阻箱，R2是最大阻值为20 Ω的滑动变阻器.电源是电动势为6 V的蓄电池.

①试用笔画线代替导线，将如图13所示实验器材连接成实验电路.（有两根线已经接好，不得改动）

②在接通电路前，应将滑动变阻器的滑动触头置于端（填A或B），将电阻箱阻值调到（填最大或最小）.

③根据实验电路，按合理的顺序写出本实验的主要步骤，包括须记录的数据，并用这些数据写出测量结果的表达式.

解析①图略 ②A，最大 ③按电路图接好电路；闭合S1、S2，调节R2的滑动触头，使电压表满偏；断开电键S2，保持滑动触头的位置不变，调节R1的阻值，使电压表半满偏；记录这时电阻箱的阻值R；电压表内阻RV=R.

点评利用直接等效法时，应保持其他部分电路不变，只更换待测电阻和电阻箱并使电表的示数相同，此种方法无系统误差；利用间接等效法时，应先使电表满偏，再保持其他部分电路不变，在并入电阻箱后使电表的示数为半偏，认为电流或电压相等，从而认为电阻相等，此种方法存在系统误差，且只能测电表的内阻.

2.6“ 阻值相减法”即利用测出的待测电阻和其他电阻的总阻值然后减去其他电阻阻值的方法

例7如图14所示，选取合适的器材，按电路图连接好电路后，该实验操作过程的第一步是：闭合电键S1，将电键S2接2，调节滑动变阻器R1和R2 ，使电压表和电流表的示数尽量大些，读出这时电压表和电流表的示数U1、I1.（1） 请你写出该实验操作过程的第二步，并说明需要记录的数据：.（2） 请你写出由以上记录的数据计算被测电阻Rx的表达式：.

解析（1） 由该实验操作过程的第一步，闭合电键S1，将电键S2接2，调节滑动变阻器R1和R2 ，读出这时电压表和电流表的示数U1、I1.再由部分电路欧姆定律得（Rx+R1 +RA ）=U1/ I1.为了消除（R1+RA）所带来的误差， 实验操作过程的第二步是：闭合电键S1，将电键S2接1，调节滑动变阻器R1和R2 ，使电压表和电流表的示数尽量大些，读出这时电压表和电流表的示数U2、I2，并记录示数U2、I2.

（2）实验操作过程的第一步，得

Rx+R1+RA=U1I1（1）

实验操作过程的第二步，得

R1+RA=U2I2（2）

联立（1）、（2）得

Rx=U1I1-U2I2=U2I2-U2I1I1I2，

测电阻Rx，表达式是Rx=U1I1-U2I2.

电气设计和电路设计范文第3篇

但随着技术的不断发展，出现了混合集成电路设计的概念，从而克服了采用分离器件设计电路所存在的问题。混合集成电路DC/DC系统相对于传统的用分离器件设计的电源变换电路系统来说，具有高性价比、高可靠性、高速度、设计周期短等一系列的优点。

本文结合Fairchild公司设计的系列产品，对混合集成电路DC/DC变换器的设计原理、性能及应用等进行了分析研究。

混合集成电路DC/DC变换器的集成化设计方案

根据用户需求和设计的目的不同，Fairchild公司推出的混合集成电路DC/DC变换器主要采用两种设计方案。而每一种设计方案，电路的设计上又有细微的差，可以满足不同用户的需要。

1　混合集成电路DC/De变换器设计方案1

在混合集成电路DC/DC变换器中，内部电路集成了控制器、驱动器和MOSFE了等三种离散器件。对于每一类产品，其内部电路设计采用的离散器件可以包括三种离散器件中的全部或部分，具体的设计可根据用户的实际需要进行设计。混合集成电路DC/DC变换器设计方案l的电路原理如图1所示。

从混合集成电路DC/DC变换器设计原理图可以看出，该电路中主要包括控制器、驱动器和MOSFE了等有源器件模块。在实际使用时，电源输出端需要外接电感、电容等器件对输出电压信号进行滤波，同时，输出的电压信号需要接到电路的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。

采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器含有控制器、驱动器和MOSFE了等有源器件，其整机效率可以高达95％，电源变换系统性能高，相对于标准模块具有更高的性价比。

采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效应低，输出电压纹波低，温度范围宽。

2　混合集成电路DC/DC变换器设计方案2

混合集成电路DC/DC变换器设计方案2是在一片混合集成电路DC/DC的设计中采用了两片专用或优化了MOSFET的同步BU CK电源转换拓扑结构，其电路原理如图2所示。

采用方案2设计的混合集成电路DC/DC变换器中，两个MOSFET器件具有互补的作用，以降低开关损耗，而这两个器件的设计位置可根据设计者的实际需要进行布局。该芯片还内置直通保护电路，可以有效防止电路上下桥臂的直通，大大地提高了电路的可靠性。在驱动电路设计部分，不仅比常规的电源变换设计增加了驱动能力，减少MOSFET的开通关断损耗，还把Boost-trap二极管也集成在芯片内部，以简化外部用户系统电路的设计。

DC/DC变换器的电压输出端需要外接电感和电容，对输出电压信号进行滤波，以满足用户系统电路的需要。变换器输出的电压信号需要接到芯片的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。

采用此方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驱动集成电路加两个功率MOSFE了的设计方法，寄生效应极低，输出电压纹波低，工作温度范围宽，且节省了大量的板空间。

接口设计

采用Fairchild公司DC/DC变换器方案设计的电源变换器具有较大的电压输入范围，可根据需要在3.3～24V之间调整，该公司DC/DC变换器的输出电流可达到30A，输出电压范围根据需要可设计为高到输入电压的90％或低到O.8V。

Fairchild公司的DC/DC变换器除了基本的电压输入、输出端口外，一般还有HDRV(上桥臂MOSFET驱动引脚)、LDRV(下桥臂MOSFET驱动引脚)、GLDO(门驱动信号引脚)、DISB(禁止信号引脚)、PWM(脉宽调制信号引脚)、BOOT(反馈信号引脚)等信号端口，具体到各型器件则会有微小的差异。

功耗情况

消费类电子产品由于使用环境以及自身条件的限制，用户对所选用器件的功耗要求非常苛刻，尤其是电源变换器等便携式设备。

以Fairchild公司的产品为例，其混合集成电路DC/DC变换器采用集成化方案设计，并力求减小MOSFET的开通关断损耗，整机效率可高达95％。由于该变换器具有较高的转换效率，因此内部电路热损耗低，在实际使用中只需要使用较小的散热器或不用散热器，从而可以降低系统电路的总体设计成本。

封装形式与尺寸

由于数码相机、摄像设备、媒体播放器、桌面电脑等电子设备的外型力求小巧，因此这类产品对内部电路设计中器件的选用也同样要求小巧而高效。

很多电源公司都采用了更小更薄的封装形式，以节省系统电路的设计空间。如Fairchild公司的FAN5069采用了SSOP-16封装形式，尺寸仅为1.1mm×5mm×6.4mm，FDMF8700采用SMD封装形式，尺寸仅为O.8mm×8mm×8mm。

混合集成电路DC/DC变换器的在系统应用

混合集成电路DC/DC变换器在系统电路中应用时，需要提供必要的外接器件和控制信号。

在变换器的输入端，需要输入合适的控制信号及直流电压，以保证电路内部的各分离器件按设计的意图工作。同时，为了滤除输入电压信号上的噪声，建议在输入电压和地之间接入旁路电容，其容值应大于1μF。

在变换器的电压输出端需要接入合适参数的电感、电容，以滤除输出电压上的噪声。混合集成电路的输出电压需要通过自举电容接到电路的反馈引脚，以保证电路能够正常工作。

混合集成电路FDMF8700为Fairchild公司推出的采用混合集成电路设计方案2的一种产品，其特点有：输入电压典型值12V，开关频率最大可达500kHz，输出电流最大可达30A，器件内在的适应性门驱动，内部集成的自举二极管，器件最高效率大干90％，低压锁定，输出电压可禁止，采用微型SMD封装形式，产品制造使用无铅材料。FDMF8700电源变换器的典型应用电路如图3所示。

图3的电路中，DISB端为输出禁止信号，可以方便地开关整个电源。PWM端为脉宽调制信号，用来驱动上桥臂和下桥臂的MOSFET，VIN和VCIN端为输入电压信号，VOUT端为输出电压信号，输出电压通过自举电容CBOOT反馈到变换器的BOOT端。详细电路设计请参照该芯片的技术说明书。

上图应用电路中输入信号和各外接器件参数的选取可根据用户实际需要来具体确定。

结语

本文以Fairchild推出的系列产品为例对混合集成电路DC/DC变换器的设计与应用进行了分析研究。

电气设计和电路设计范文第4篇

关键词：电荷泵锁相环；低通滤波器；环路带宽；相位余度

中图分类号：TN713 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-087-04オ

Parameters′ Design and Analysis of the Charge Pump Phase-locked Loop′s Loop Filter

ZHANG Tao,CHEN Liang

(Information Science and Engineering College,Wuhan University of the Science and Technology,Wuhan,430081,China)

オ

Abstract：Based on the basic concept of loop filter,the paper mainly discusses the design method of the parameter of a charge pump phase-locked loop loop filter(concluding one order,two order,three order).According to compare with the design method of the parameter of closed loop,it puts forward a kind of design method which is the design method of the parameter of the opened loop,and make a summary.At last,making use of the Virtuoso series of the Cadence firm mainly to two order without source low-pass filter carry on imitate really,the accuracy of this method is verified,there is certain practical value.

Keywords：charge pump phase-locked loop;low-pass filter;loop bandwidth;phase remaining

环路滤波器的设计是电荷泵锁相环设计中的重要环节。环路滤波器实际上是一个低通滤波器，由电容、电阻、还可能有电感或者放大器组成的线性电路。一方面他滤除鉴相器产生的高频成分以及输出波纹，还有抑制带外噪声，取出平均分量(即控制电压)去控制VCO的输出频率；另一方面他也是锁相环的一个重要参数调节器件，决定了锁相环的杂散抑制、相位噪声、环路稳定性、锁定时间以及捷变时间等重要的环路参数。目前国内外已发表过许多相关文献，例如：文献［1］中对三阶的无源低通滤波器参数计算过程没有使用任何近似，所以运用了许多数学方法，过程比较复杂，但这些方法在设计过程中被证明是很有效的；文献［2］对三阶电荷泵锁相环锁定时间的研究中提出了一种估算锁定时间的新方法，并给出了三阶电荷泵锁相环锁定时间的计算公式，思路很新颖。

1 电荷泵锁相环基本原理

电荷泵锁相环结构如图1所示，包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器。鉴频鉴相器简称PFD，是比较两个信号的相位与频率差，并产生控制信号给电荷泵，然后电荷泵相应地给环路滤波器充放电，此时压控振荡器输出频率正比于环路滤波器上的控制电压，最终使参考时钟与分频器的输出信号同频同相，即压控振荡器的输出信号频率为参考时钟频率的N倍。

图1 电荷泵锁相环结构图

一个电荷泵锁相环的工作过程分为频率牵引过程和相位锁定过程，频率牵引过程是一个完全的非线性过程，相位锁定过程是一个近似的线性过程。电荷泵锁相环本质上是一个离散时间采样的动态系统，当环路带宽远远小于参考时钟频率时，可以采用连续时间近似；当相位误差在PFD的鉴相范围内时，可以采用线性近似。那么当电荷泵锁相环处于相位锁定过程时，就可得到一个线性连续时间相位域模型，如图2所示。

图2 电荷泵锁相环的相位模型

其中Kd是PFD和电荷泵一起构成的鉴相器增益，并有Kd=IP/2π，IP为电荷泵的充放电电流，Ko为压控振荡器的增益，N为分频器的分频比，F(s)为环路滤波器的传输函数。

2 环路滤波器设计公式

对于电荷泵锁相环而言，常用的环路滤波器有一阶RC积分滤波器、二阶无源低通滤波器、三阶无源低通滤波器等。最近几年国内外发表了许多环路滤波器设计类似的相关文献，但是极少有将设计方法总结与归纳，或者在参数上的适折衷，本文将一一陈述。

2.1 一阶RC低通滤波器的参数设计

如图3所示为RC积分滤波器电路图，其传输函数为：

И

F(s)=11+sτ, τ=RC

(1)

И

根据图2电荷泵锁相环的相位模型可得出闭环传输函数：

И

H(s)=KF(s)Ns+KF(s)=K/Nτs2+s/τ+K/Nτ,K=KdKo

(2)

И

可以得出：

И

ωn=K/Nτ， ξ=12N/Kτ

(3)

И

由于阻尼因子Е蔚拇笮《韵低澄榷ㄐ院退俣榷加幸欢ǖ挠跋欤而系统的稳定性和速度对阻尼因子ξ的要求又是相互矛盾的，所以要在速度和环路的稳定性之间折衷，通常取ξ=0707为较好的选择。为了保证电荷泵锁相环的数学模型近似为线性系统，环路带宽必须小于输入信号频率的十分之一[3]，那么ωBWЩ本上确定。由式(3)可得：

И

ωn肠=12肠

(4)

И

设Е鬲BW为一阶3 dB带宽，即有ωBW=1/τ，那么：

И

ωBW=1.414ωn

(5)

И

对于一阶RC积分滤波器，他具有低通特性，且相位滞后。当频率很高时，幅度趋于零，相位滞后接近于π/2，在工程实际设计当中应用的很少，这里不再详细论述。

图3 RC积分滤波器

图4 无源比例积分滤波器

2.2 无源比例积分滤波器

无源比例积分滤波器作为电压型电荷泵常用低通滤波器，他的电路图如图4所示，其传输函数为：

И

F(s)=1+sτ21+sτ1,

τ1=(R1+R2)C,

τ2=R2C(6)

И

根据图2电荷泵锁相环的相位模型可得出闭环传输函数：

И

H(s)=K(1+sτ2)/N1τ1s2+s［1τ1+Kτ2Nτ1］+KNτ1

(7)

这里Е为取05~10，可以保证环路稳定，余量足够大以及瞬态响应快，则有：

И

C1 =IP Ko 2πNω2n ，

R2=2ξC1ωn

(15)

И

下面来推导一下开环的环路带宽：

И

Ho (s) = K(1 + sτ2 )Nτ1 s2 = ω2n 1 + sτ2 s2

(16)

И

令：

И

当Е稳0707时:

И

ωBW=1554ωn

(17)

И

2.4 二阶无源低通滤波器

常用的二阶无源低通滤波器电路图如图6所示，其传输函数为：

F(s)=1C1+C21+sτ21+sτ1,

τ1=R2C1C2C1+C2，τ2=R2C2

(18)

如果将上式代换整理得到：

И

F(s)=R2b1+sτ2sτ111+sτb

对于式(19)，当C1C2时，附加低通滤波器11+sτb的相位滞后量远小于超前因子(1+sτ2)的相位超前量，故可以认为他对环路稳定性影响不大，对于他的滤波器参数设计与23节二阶电流型电荷泵锁相环的环路滤波器类似，这里不再重复。

可以看到对于二阶无源低通滤波器的参数设计，上面的方法用了近似处理，使得原本二阶滤波器变成一阶的,如果不作近似处理，三阶电荷泵锁相环传输函数比较复杂，由此代换的阻尼系数ξ和无阻尼振荡频率ωn的求法就更加困难。一般附加低通滤波器的加入，显然可以减小二阶环中控制电压纹波，以及改善输出信号频谱纯度，所以这里是从开环增益带宽ωBW和相位余度φP为出发点来设计环路滤波器的参数[5]。И

三阶电荷泵锁相环开环传输函数为：

И

Ho(s)=KNsF(s),K=IPKo2π

(20)

2.5 三阶无源低通滤波器

为了更好地抑制环路带宽频率数十倍以上的波纹，三阶无源低通滤波器是一个较好的选择。与二阶无源低通滤波器相比的不同之处在于我们将得不到环路元器件的准确值，在这里做了很多近似及数学推导，过程相当复杂，这里只给出简要步骤，具体参看文献［6］。电路图如┩7所示。

三阶无源低通滤波器传输函数为：

И

F(s)=1+sτ2C┆tots(1+sτ1)(1+sτ3)=1+sC2R2s(s2C1C2C2R3+s［C2R2(C1+C3)+C3R3(C1+C2)］+C┆tot)

τ2=R2C2，C┆tot=C1+C2+C3

(27)

И

还是根据开环增益带宽Е鬲BW和相位裕度φPУ某龇⒌憷瓷杓坡瞬ㄆ鞑问,如下：

И

C┆tot = KNω2BW (1 + ω2BW τ22 )(1 + ω2BW τ21 )(1 + ω2BW τ23 )

(28)

C1=C┆totτ1τ2，C2=C┆tot－C1，R2=τ2C2

И

图7 三阶无源低通滤波器电路图

2.6 小 结

综合以上各种滤波器参数设计可以发现，对于低阶的环路滤波器参数可以通过电荷泵锁相环的系统函数对比阻尼系数Е为Ш臀拮枘嵴竦雌德湿ЕnЮ辞蟮,然而对于二阶以上的环路滤波器即三阶以上的电荷泵锁相环则采用以开环增益带宽Е鬲BWШ拖辔辉6泉ЕP为出发点的设计方法更加精确，表1为不同阶数环路滤波器传输函数的参数，其传输函数为：

И

F(s)=1+sτ2C┆tots(1+sτ1)(1+sτ3)

(29)

И

那么我们把相位裕度定义为环路开环增益除以分频比以后对应的单位增益频率点加上180°得到的值：

И

φP=π+arctg(ωBWτ2)－arctg(ωBWτ1)－arctg(ωBWτ3)

(30)

И

时间常数Е1,τ2的设定由相位裕度φP的偏微分在频率为环路带宽ωBW处等于零来确定，此微分方程保证了相位裕度在环路带宽ωBWТΦ淖畲蠡，有：

dφP dω|(ω = ωp) = τ2 1 + ω2τ22 -τ1 1 + ω2τ21 -τ3 1 + ω2τ23

(31)

表1 不同阶数环路滤波器参数

对于二阶环路滤波器来说,式(30)和式(31)中Е3У扔诹悖因而由上述两方程可确定二阶环路滤波器的时间常数，那么也应证了2.4节二阶无源低通滤波器的参数设计过程。

3 仿 真

以2.4节二阶无源低通滤波器为例，假如频率合成器输出频率为600~800 MHz，并且有Kd=5 mV/rad，Ko=80 MHz/V，N=8，φP=60°，ωBW=60π kHz，代入式(24),┦(25),式(26)求得：

τ1=388 μs，τ2=228 μs，C1=168 μF，C2=82 μF，R2=28，Ы以上数据代入电路┩6中利用Spectre仿真可得到该环路滤波器的幅频和相频特性曲线，如图8所示。

4 结 语

环路滤波器是电荷泵锁相环设计的基本环节，本文从理论上对一阶、二阶、三阶环路滤波器的参数设计进行了论述，以具体实例分析计算出二阶无源低通滤波器环路参

数，并进行了仿真验证。在具体工程应用中可以根据需要选择合适的环路带宽Е鬲BWб约跋辔辉6泉ЕP，Т佣有效地计算出环路参数。

图8 环路滤波器幅频和相频特性曲线

参 考 文 献

［1］姜梅，刘三清，李乃平，等.用于电荷泵锁相环的无源滤波器的设计\[J\].微电子学,2006,33(4):339-343.

［2］张丽,王洪魁,张瑞智.三阶电荷泵锁相环锁定时间的研究\[J\].固体电子学研究与进展,2004,24(2):196-199.

［3］万心平,张厥盛,郑继禹.锁相技术\[M\].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

［4］鲁昆生，王福昌.电荷泵锁相环设计方法研究\[J\].华中科技大学学报：自然科学版,2000,28(1):62-64.

［5］William O Keese.An Analysis and Performance Evaluation of a Passive Filter Design Technique for Charge Pump Phase-Lockd Loops.National Semiconductor,1996.

［6］ 赵彦芬.频率合成器环路滤波器的设计\[J\].无线电工程,2006,36(4):39-41.

作者简介 张 涛 男，1967年出生，博士，副教授。研究方向为数模混合集成电路设计以及信号处理。

电气设计和电路设计范文第5篇

关键词：DF100A型短波发射机；过荷电路校准重要性；工作原理分析

前言

过荷电路是发射机的重要组成部分，是搞好安全播出的前提条件，因此及时校准发射机过荷电路是必不缺少的维护工作之一，可以提前预防不必要的事故发生，确保发射机稳定运行，为优质零秒完成任务奠定基础。

1 过荷电路简单介绍

发射机运行中断高压的可能：发生下列情况之一发射机即断高压保护。（1）高末屏流过流，1K38动作。（2）高末帘栅过流，1K40动作。（3）高前屏流过流，1K41动作。（4）三次过荷零功率锁定，1K53动作。四个过荷继电器其中之一吸合，其接点5-9接通，给断高压继电器1K22B线包115VAC电压通路，从而促使高压回路继电器失电，起到保护作用。其他的过荷保护电路或一次的极短时间的过流，发射机不断高压，只给故障过荷指示（绿红），只有当按下过荷复位开关6S5后，才能把所有的过荷辅助继电器上的控制电压去除由此而将加电的继电器的那些保持接点释放开，过荷灯和过荷复位指示灯（红绿）

2 过荷控制分析

2.1 调制器过荷

调制器过荷是由于电容、电子管等真空度不够，播音时调幅度瞬间过大，高周机箱内打火放电，等等原因造成的，厂家为此设计了光电保护装置，反应非常灵敏，动作很快，是微秒级的，一般不会造成损坏元器件，但打火的位置很难发现，需要经验的积累。

下面分析调制器过荷的原理：四单元接地故障传感器的光缆传来过荷信号，经过九单元输入/输出板9A11（如图所示）的相关电路光信号使U4输出变为低电平，15V经二极管导通，钳位在0.7V左右，使矩形脉冲发生器B脚低电平触发，使U1的Q端输出高电平0.05秒，使场效应管Q2导通，地信号经TB3-7等端子加在继电器1K37的线包上，另一端接24V，使继电器动作，其常开接点（8、12）闭合，使调制器过荷辅助继电器1K30线包带电，其接点（5、9）闭合使其自保，他的另一对接点给面板指示灯，使指示灯变红，给人们以指示。同时四单元另一个接地故障传感器的光缆传来过荷信号，同样经过九单元输入/输出板9A11的相关电路经P1-12到9A5板经过故障计时，三次后（假如设三次）输出地信号（P2-A7），经过9A11板使继电器1K52动作，机器在降为低功率的同时，其接点使指示灯变红，给人们以指示；再三次过荷后，9A5（P2-A8）输出地信号，经过9A11板使1K53动作，其接点导致机器掉高压。（如图1）

图1

2.2 反射功率过荷（控制1）

发射机的天馈系统的驻波比对于发射机正常稳定的运行有着很大的影响。如果驻波比过大，将会在发射机平衡转换器、谐波滤波器及高末槽路等部位产生高电压，导致打火，严重会将损坏真空电容、电感等元件，因而DF100A（418F）发射对发射机反射功率过大即驻波比过大，采用机械保护方式，在发射机上安装了反射功率表，当反射功率超过一定值时〔反射功率表上红色指针设定的功率值〕，反射功率表内部的继电器动作，发射机从高功率降到低功率如果反射功率还是过大，那么发射机将被关断。由于继电器机械保护动作时间为毫秒级，对于某些雷电、天馈系统的打火等，引起瞬时反射功率过大是不起作用的，因而DF100A （418F）发射机又安装了高速驻波比保护电路，采用电子保护方式，使保护动作时间提高到了微秒级。6A3-11和6A3-12是反射功率表内部的继电器的接点，控制电源合闸以后，该接点是接通的，24V通过9A5P1-A4加到的光耦上，如果有地信号就可导通，这个地信号来源于1A17（高速驻波比检测）的1A17TB1-16。（如图2）

图2

分析1A17，来自反射功率取样探头3A8J2的信号通过屏蔽线接到1A17TB1-12上经R2，C8滤波后接到U2的同向端，地线屏蔽层接1A17TB1-11经R3，C9滤波后接到U2的反向端，反射功率信号经U2放大后送到U3双电压比较器LM393N。比较器U3的同向端U3-3接固定电压4.6V，反向端U3-2接U2的输出端，正常情况下（没有过荷信号），U3-3>U3-2输出U3-1=15V，为高电平。场效应管Q1 IRFD9123（P沟道）载止TB1-15=0V，场效应管Q2 IRFD123（N沟道）VGS为正，使Q2饱和导通，输出端子1A17TB1-16=0V，提供调制器控制器接地通路，控制1灯亮；当反射功率超过规定值后，比较器U3输入端U3-2>U3-3，U3输出端U3-1=0.71V为低电平，Q1饱和导通TB1-15=15V，继电器1K54吸合使其接点（9、5）闭合，1K44带电自保，其接点使指示灯变红，反射功率指示灯亮，Q2截止TB1-16 悬浮高电位调制器控制器保护动作封锁了高压，起到了高速驻波比保护作用。

2.3 PA屏流过流（如图3）

图3

当PA屏流发生过流时PA过流继电器1K38就得电其常开接点（8，12）闭合PA屏极过流继电器1K31得电，其自保接点（5，9）闭合使其保持带电。机器面版上的PA屏流指示灯将变红。同时1K38的另一对接点（5、9）接通高压断回路，使机器掉高压。

2.4 PA帘栅过流（如图4）

图4

当PA帘栅发生过流时PA帘栅过流继电器1K40就得电其常开接点（8，12）闭合PA帘栅过荷继电器1K33得电，其自保接点（5，9）闭合使其保持带电。机器面版上的PA帘栅指示灯将变为红色。同时1K40的另一对接点（5、9）接通高压断回路，使机器掉高压。

2.5 IPA阴流过荷（如图5）

图5

当IPA阴流发生过流时IPA过流继电器1K41就得电其常开接点（8，12）闭合IPA屏极过流继电器1K34得电，其自保接点（5，9）闭合使其保持带电。机器面版上的IPA屏流指示灯将变为红色。同时1K41的另一对接点（5、9）接通高压断回路，使机器掉高压。

3 结束语

DF100A型短波发射机现已均实现智能化、科学化管理。为确保发射机稳定运行，但维护仍离不开每个值班、检修人员的基础性工作。过荷电路的校准和整定在发射机维护中起着非常重要的作用，要确保安全播出，必须参照标准按照要求做好此项工作。作者论述了相应的问题、校准的重要性及其工作原理的分析，防止造成意外事故，一起和各位同仁共勉学习交流。

参考文献

[1]DF-100A短波发射机使用说明书[Z].广播电影电视设备制造厂.