1、400Hz 中频电源的设计 摘 要： 随着科学技术的发展以及提高我国国防能力的需要，对军事设施的技术改造已被列为军事技术改造中的重点。中频电源指输出频率为 400Hz 的电源，它可以为动力系统及导航与武备系统供电。传统的 400Hz 中频电源体积大，输出波形不稳定。本文所设计的 400Hz 中频电源采用了稳定的石英晶体振荡回路，通过分频电路、积分电路、放大电路和检波电路及单片机系统，控制其最后的输出电压，实现了电压的稳定输出，具有体积小、功率大和波形无失真等优点，有着广泛的用途和良好的发展前景 。 关键词： 中频电源 单片机 正弦波 The Design of the 400Hz Interm
2、ediate Frequency Power Supply Abstract: With the development of technology and the increasing requirements of national defense, the technical innovation on military establishment has become the key part in military affairs. The power supply of intermediate frequency whose output frequency is 400Hz c
3、an provide power for the system of motion, navigation and weapon equipments. The wave output from traditional power supply of intermediate frequency is unsteady. The design in this text adopt the oscillating circuit based on quartz crystal oscillator, and the hardware made up of the divided frequenc
4、y circuit, integral circuit, amplifying circuit, demodulation circuit and SCM（ Single Chip Microcomputer） system can control the output voltage at the end. The circuit realizes the steady output of voltage, and the characteristics such as small volume, high power and no distortion of wave make it wi
5、dely used and have a bright future. Keywords: The power supply of intermediate frequency SCM Sine Wave 目 录 1 引言 1 2 设计要求 1 3 400Hz 中频电源的硬件原理与设计 1 3.1 振荡电路 2 天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 1 3.2 分频电路 2 3.3 积分电路 4 3.4 放大电路 6 4.2 控制电路的原理与设计方案 9 5 测试结果 11 6 结论 12 参考文献 13 致谢 14 附录 系统电路图 14 英文资料及中文翻译 15 1 引言 400
6、Hz 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
7、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 天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 2 (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）。 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，
8、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 1 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 3 2所示。 1 24069U 1 A3 44069U 1 B1 2X T A L4 M H zY13 .3 kR12 .7 kR20 .0 1 u fC10 .0 1 u fC21 24069U 1 C AGND10V图 3 2
9、振荡电路 振荡电路 分频电路 积分电路 放大电路 天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 3 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
10、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 2 RC2fs 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
11、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 3 3所示。 C L K1R S T2Q112Q211Q39Q46Q55Q64Q734024U1C L K1R S T2Q112Q211Q39Q46Q55Q64Q734024U24 0 9 6 K H z3 2 K H z330R3330R44 K H z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
12、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 端输出的信天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 4 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
13、，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。 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 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
14、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。 Q012Q19Q28Q311M S 16M S 27M R 12M R 23C L K 014C L K 1174L S 90U3330R44K H z800H z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
15、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 3 5所示。 C L K3D2SD4CD1Q5Q67 4 L S 7 4U 4 A4 0 0 H z8 0 0 H z+ 5 v+ 5 v5 .1 kR55 .1 kR6天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 5 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
16、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： DQn 1 （ 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 3 6（ a）所示。
17、由图可见，在理想条件下， -2+3out610kR110kR2100kRF10uCUiUoU A 741图 3 6（ a ）基本积分 电路 dt tdUoCRtUi )()( (3.2) 如果电容两端的初始电压为零，则 (3.3) 101)( U idtRCtUo天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 6 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。 EiU i(t)t0 U i ( t )t0T U o(t)t0U o( t )t0图 3 6（ b）
18、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 2TRC pU ippU op（ 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
19、，因此， Rf应取适中的数值 4。 3.3.2 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。 U o( t)t0 10 11)( E itRCU id tRCtUo天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 7 U o( t)t0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。 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
20、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）
21、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 天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 8 2211 RRfUiRRfUiUo（ 3.8） 如果 21 RRRf ，则 21 UiUiUo 。 -2+3out61
22、0kR110kR210kR310kRfU i 1U i 2UoU A 74 1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。 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
23、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： 脚为待机端；脚为反相输入端；脚为
24、正相输入端；脚接地；、脚为空脚；脚为自举端；脚为 +Vs(信号处理部分 )；脚为 -Vs(信号处理部分 )脚为待机脚；脚为静音脚；脚为 +Vs(末级 )；脚为输出端；脚为 -Vs(末级 )。 天津工程师范学院 2006 届毕业设计（论文） 9 112233445566778899101011111212131314141515T D A 72 94U8- v1v1v1- v122kR 2922kR 3010kR 3130kR 32680R 28C 18C 21C 22C 23C 19D1INOUT图 3 10 TDA7294 芯片 TDA7294 主要参数如表 3 2 所示。 表 3 2 TD
25、A7294 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=8时 PO=70W 当 Vs= 27V、 R=4时 PO=70W 音乐功率（有效值） 当 Vs= 38V、 R=8时 P=100W 当 Vs= 29V、 R=4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，脚比脚后升到高电位，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。
