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。