电子设计资料毕业设计400HZ中频电源.docx

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电子设计资料毕业设计400HZ中频电源

1引言……………………………………………………………………………………1

2设计要求………………………………………………………………………………1

3400Hz中频电源的硬件原理与设计………………………………………………………1

**振荡电路…………………………………………………………………………………2

**分频电路…………………………………………………………………………………2

**积分电路………………………………………………………………………………4

**放大电路………………………………………………………………………………6

4电子控制单元电路……………………………………………………………………9

**AT89S52单片机…………………………………………………………………………9

**控制电路的原理与设计方案…………………………………………………………14

**软件控制流程…………………………………………………………………………18

5测试结果………………………………………………………………………………21

6结论……………………………………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………………………………23

致谢………………………………………………………………………………………24

附录1：

程序…………………………………………………………………………………25

附录2：

系统电路图…………………………………………………………………………30

英文资料及中文翻译………………………………………………………………………32

1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25V～65V连续可调（有效值）。

3400Hz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，再通过升压变压器使最后的输出电压的有效值在25V～65V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3－1所示。

图3－1400Hz中频电源设计原理流程

**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3－2所示。

图3－2　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2πRC2fs≈1，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。

**分频电路

**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3－3所示。

图3－3　CD4024分频器

　　是由D型触发器组成的二进制计数器。

多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Q1～Q7。

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fQ7＝f2cp。

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。

**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3－4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Q1～Q3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Q0～Q1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3－4　74LS90计数器管脚图

本设计中信号由CLK1端输入，输出由Q1～Q3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。

**D触发器

边沿型D触发器如图3－5所示。

图3－5　D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3－1是边沿型D触发器的功能表。

表3－1边沿型D触发器

D

Qn

Qn+1

说明

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

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。

**积分电路

**方波变三角波

电路如图3－6（a）所示。

由图可见，在理想条件下，

图3－6（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（3－3）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3－6（b）　　　　　　　　　　　　　　　　　图3－6（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3－6（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3－6（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3－6（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，Rf应取适中的数值[4]。

**三角波变正弦波

如图3－7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3－7　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。

**放大电路

**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3－9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3－9　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。

**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功率时的信噪比已大于75Db，在4欧负载上满功率输出50W功率时的信噪比将高达95Db。

TDA7294如图3－10所示。

该器件为15脚封装,各端脚作用如下：

⑴脚为待机端；⑵脚为反相输入端；⑶脚为正相输入端；⑷脚接地；⑸、⑾、⑿脚为空脚；⑹脚为自举端；⑺脚为+Vs（信号处理部分）；⑻脚为-Vs（信号处理部分）⑼脚为待机脚；⑽脚为静音脚；⒀脚为+Vs（末级）；⒁脚为输出端；⒂脚为-Vs（末级）。

图3－10　TDA7294芯片

TDA7294主要参数如表3－2所示。

表3－2TDA7294参数

TDA7294主要参数

Vs（电源电压）

±10V～±40V

IO（输入电流峰值）

10A

PO（RMS连续输出功率）

当Vs=±35V、R=8Ω时PO=70W

当Vs=±27V、R=4Ω时PO=70W

音乐功率（有效值）

当Vs=±38V、R=8Ω时P=100W

当Vs=±29V、R=4Ω时P=100W

　　TDA7294内部线路设计以音色为重点，兼有双极信号处理电路和功率MOS的特点，具有耐压高、低噪音、低失真度等特色，短路电流及过热保护功能使其性能更加完善。

TDA7294标准应用电路如图3－11所示,电路闭环增益为30dB，增大R3或减小R2可以提高放大器增益,反之增益下降；R4、C4决定待机时间常数，取值大时增加等待开/关时间，反之缩短时间；R5、R6、C3决定静音时间常数，取值大时静音时间延长，反之缩短；当控制端接低电位时为待机或静音状态。

当控制端接Vs时，因（R5+R6）＞R4，⑽脚比⑼脚后升到高电位，而关机时先变为低电位，这就使待机和关机过程均在静音状态下进行，保证了放大器开关机无噪声。

图3－11　TDA7294标准应用电路

信号经C1、R1输入IC正相输入端⑶脚。

R7和IC第⑵脚的R3、C3、C4构成负反馈网络，本放大器的闭环增益约34倍。

⑼、⑽脚分别是待机、静音端，由于第⑽脚R、C网络时间常数比第⑼脚大，使得开关机均在静音下进行，避免了开关冲击声，C7为自举电容。

通过TDA7294放大后输出信号频率仍为400Hz，电压的幅值在40V左右。

然后通过升压变压器，变压比为1：

4，得到的电压幅值为170V左右，则有效值在65V左右。

经过检波电路后，得到直流电压，有效值在25V～65V之间，频率仍为400Hz。

AD采集芯片TLC1543通过采集此部分的电压送入单片机中显示。

4电子控制单元电路

**AT89S52单片机

电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大（超大）规模集成电路共四个阶段，即通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。

现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，因此它属于第四代计算机。

而单片机则是微型计算机的一个分支。

它是向着稳定可靠、体积小和价格廉的方向发展[7]。

单片机因将主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说是把CPU、存储器、中断系统、定时器/计数器及I/O电路等主要微型机部件，甚至还提供A/D（模/数转换）及D/A（数/模转换）的接口，集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统，这样可以降低设计出来的产品的硬件成本。

AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，也就是本设计所使用的单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS～51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（1）主要特性

·AT89S52CPU与MCS-51兼容。

·4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）。

·全静态工作：

0Hz～24KHz。

·三级程序存储器保密锁定。

·128*8位内部RAM。

·2条可编程I/O线。

·两个16位定时器/计数器。

·6个中断源。

·可编程串行通道。

·功耗的闲置和掉电模式。

·片内振荡器和时钟电路。

（2）AT89S52单片机的内部结构

如图4－1所示。

AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线[8]。

①中央处理器

中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。

按其功能，中央

处理包括运算器和控制器两部分电路。

运算器电路

运算电路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。

ALU（算术逻辑单元）、

ACC（累加器）、B寄存器、程序状态字和两个暂存寄存器等属于运算电路。

运算电路以ALU为核心，基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算，与、或、异或等逻辑运算，左、右移位和半字节交换等操作。

运算和操作结果的状态由寄存器（PSW）保存。

控制器电路

控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。

PC（程序计数器）、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路等均属于控制电路。

单片机执行指令是在控制电路的控制下进行的。

首先从程序存储器中读出指令，

送指令寄存器保存，然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，又定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部分去进行相应的操作。

这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。

②内部数据存储器（RAM）

AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

③内部程序存储器

AT89S52共有4096个EPROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

④定时/计数器

AT89S52有两个16位的可编程，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。

⑤并行输入输出口

AT89S52共有4组8位I/O口（P0、P1、P2、P3），用于对外部数据的传输。

⑥全双工串行口

AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串

行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

⑦中断系统

AT89S52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，全部中断分为高级和低级共两个优先级别。

⑧时钟电路

AT89S52内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但AT89S52单片机需外置振荡电容。

⑨位处理器

单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此位处理器是它的必要组成部分。

位处理器以状态寄存器中的进位标志位C为累加位，可进行置位、复位、取反、

等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及C与可寻址位之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。

位处理操作也是通过运算器实现的。

⑩总线

上述这些部件都是通过总线连接起来，才能构成一个完整的单片机系统。

系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。

总线结构减少了单片机的连线和

图4－1AT89S52内部结构

脚，提高了集成度和可靠性。

（3）控制原理

本设计选用的是AT89S52单片机，之所以要选择单片机控制显示，第一个原因是单片机通过给继电器供电，为TDA7294提供电压，防止TDA7294在一通电时由于电压过大被烧坏。

第二点原因是TLC1543AD采集送显示到单片机中，因为本设计所做的电源要求采集十分准确所以，选择了10位的AD采集芯片，如果不通过单片机编程，直接用8位的AD采集芯片，精确度非常的低。

AT89S52单片机管脚如图4－2所示。

AT89S52单片机主要用到了P1口和P2口[9]。

首先介绍一下这几个口的功能。

1P1口的功能

**～P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1～8号端子）。

P1口的字节地址为90H，位地址为90H～97H。

P1口只能作为I/O口使用，所以在电路结构上与P0口不同，主要表现有两点：

首先，因为它只传送数据，所以不在需要多路转接开关MUX；其次，由于只用来传送数据，因此输出电路中有上拉电阻，

上拉电阻与场效应管共同组成输出驱动电路。

因为这样电路的输出不是三态的，所以P1口是准双向口。

本设计P1.0～P1.3接74LS47，用于把电压值送数码管显示的。

P1.4～P1.6接54ALS138，用于控制位的，使数码管连续的显示电压[10]。

2P2口的功能

**～P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21～28号端子）。

P2口的字节地址为0A0H,位地址为0A0H～0A7H。

因为在实际应用中P2用于为系统提供高位地址，因此同P0口一样，在口电路中有一个多路转接开关MUX。

但MUX的一个输入端不再是“地址/数据”，而是单一的“地址”，这是因为P2口只作为地址线使用而不作为数据线使用。

P2口也可以作为通用I/O口使用。

所以P2口有两

个功能：

第一个是当扩展外部存储器时，当作地址总线使用。

或者做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。

图4－2　AT89S52的引脚

本设计中用P2.0～P2.3接TLC1543，用于将TLC1543采集到的电压送到单片机中，P2.6～P2.7接继电器，用单片机控制继电器，给TDA7294供电[11]。

　　其次，还用到单片机的一些管脚，现将其在本设计中的功能介绍如下：

①XTAL1和XTAL2外接晶振引脚

当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

本设计使用的是内部时钟，所以接的是石英晶体和微调电容。

②RST复位信号

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

③

/Vpp访问程序存储器控制信号/接电源

　　本设计中用此脚就是接的+5V电源。

④VCC　电源+5V输入

⑤GND　接地

　　以上所述的管脚，便是我所做的电源需要用到的单片机的管脚，利用这些管脚便实现了TLC1543采集的数据送入单片机，通过单片机送入数码管进行显示，同时单片机还为放大器TDA7294提供电压，实现了单片机的功能。

**控制电路的原理与设计方案

（1）**电源供给模块

+V1和-V1的电源如图4－3所示。

图4－3　+V1和-V1供电模块

+V1和-V1分别提供+30V和-30V电压供给TDA7294所用。

①继电器的定义

继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。

继电器也是一种电门，但与一般开关不同，继电器并

非以机械方式控制的，它是以一定的输入信号（如电流、电压或其它热、光非电信号）实现自动切换电路的“开关”。

所以，它是一种自动电器元件。

②继电器的分类

继电器的分类方法较多，可以按作用原理、外形尺寸、保护特征、触点负载、产品用途等分类。

按作用原理分为：

电磁继电器（在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器）。

固态继电器（输入、输出功能由电子元件完成而无机械运动部件的一种继电器）。

时间继电器、温度继电器等。

③