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高低频电路设计与制作范文1
关键词电子电路;实践教学;考核方式;教学效果
1电子电路实践课程的教学目标
电子电路实践教学是电子信息工程与通信工程专业的一门重要的实践性课程，它集电子电路设计、软件设计、电路仿真与调试于一体，目的是培养学生从事电子技术类工作的职业能力，在课程中体现为电子电路设计与制作的能力。该实践课程以电子产品为载体，强调以工作过程作为学生的主要学习手段，通过分析、设计、制作和调试实用电子电路，促进学生掌握现代电子技术专业技能，促进电子技术在工程中的应用，培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，提高学生电子电路技术的实践技能，了解开展科学实践的流程和基本方法，并逐步形成严肃、认真、实事求是的科学作风，以满足社会对高技能人才的要求。
2电子电路实践课程的教学要求
为了培养学生的良好的学风，充分发挥学生的主观能动性，培养学生的综合能力和创新意识，保证实践项目顺利完成，对学生有下述要求。
2.1实验前的要求
做实验前应认真阅读实验指导书，明确实验目的，了解实验原理、实验内容，掌握试验中所用仪器的性能和使用方法，掌握实验步骤及注意事项。
2.2实验过程中的要求
进入实验室要遵守学生守则及实验室的各项规章制度，按照实验设计认真接线，合理布局，按照操作流程正确使用制作工具和测试设备。在实验过程中如果遇到问题，或仪器设备发生故障，应该立即切断电源并报告老师。在实验过程中要认真记录实验数据并及时保存，离开实验室时要将实验物品整理好并关闭电源。2.3实验后的要求做完实验后要求认真撰写实验总结报告。实验项目的最终结果需体现在实验总结报告中，因此实验总结报告是课程设计非常重要的环节。实验总结报告内容要齐全，应包括实验仪器的名称、型号和编号，实验所用耗材，实验电路原理图，实验结果，实验数据的整理，实验现象的分析、实验方法、仪器使用、问题分析、讨论、改进建议和总结等。实验总结报告完成后按要求及时交给老师。在整个教学过程中，理论知识的学习伴随实验任务的实施，做到融教、学、做为一体。
2.4实验操作的具体要求
（1）能正确识别、检测和选用电子元器件（2）能对电子电路进行分析和计算（3）能读懂电子电路原理图（4）能按照电路原理图在面包版上搭接实用电路（5）能按照电路原理图制作并焊接实用电路（6）熟练使用万用表、示波器等电子测量仪器进行电路参数的测量（7）能对制作完成的电路进行测量、调试以满足设计要求（8）能按要求完成实践课程的总结报告。
3考核方式及成绩评定方法
每个项目均要提交电路实物、项目设计报告，并现场进行演示，最终以学生实际任务的完成情况、项目报告撰写情况和演示情况作为学业评价依据。总成绩的构成：项目考评成绩占总成绩的80%。平时成绩占总成绩的20%。即总成绩=平时成绩×20%+项目考评成绩×80%。考核标准：（1）良好①正确识别触发器、计数器、编码器、译码器、数码管，能检测其好坏。②能画出电路图，正确分析电路的工作原理。③具备较强的实操能力，基本能独立搭接、调试电路，要求布线清晰、合理。④按时完成项目设计报告，并且报告结构完整、条理清晰，具有较好的表达能力。⑤演示时回答问题正确，表述清楚。（2）优秀在达到良好的基础上，同时又具备以下条件①理论分析透彻、概念准确，能独立完成项目设计全部内容。②能客观地进行自我评价、分析判断并论证各种信息。（3）合格①对电路工作原理分析基本正确，但条理不够清楚；②能自主制作电路，但出现问题不能独立解决；③按时完成项目设计报告，报告结构和内容基本完整。（4）不合格有下列情况之一者为不合格①无故不参加项目设计；②未能按时递交操作结果或项目设计报告；③抄袭他人项目设计报告；④未达到合格条件。不合格的同学需重做本项目直到合格为止。
4结论
电子电路实践课程改革历经两年的实际检验显示出巨大的效果，学生对实践课程的兴趣有很大提高，能制作出符合实验要求的产品，提升了学生对项目的想象力，创造力和执行力。这极大提高了学生应对社会发展的信心，提升了学生跟进信息技术发展的能力，证明了电子电路实践课程教学改革的效果。当然。改革不是一蹴而就的，需要持续不断的进步和完善，期待将来有更好的教学效果。
参考文献
[1]高低频电路设计与制作[M].科学出版社,[日]铃木雅臣,邓学,2017
[2]电子电路设计与实践[M].国防工业出版社,刘妍妍，周文良,2015
高低频电路设计与制作范文2
关键词:UWB;无线通信;信号发生器;ECL门电路
中图分类号:TN788文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)19-035-03
Design of UWB Signal Generator Based on ECL Circuit
HUANG Tangsen,LIANG Xiaozhi
(Hunan University of Science and Technology,Yongzhou,425100,China)
Abstract:This paper first introduces the characterristic of UWB technology,then UWB signal form for wireless communications is explained.Based on exixting methods at present,a sort of UWB signal generator is designed,and the signal generator is based on the ECL circuit,at the same time,a principle chart and circuit diagram are given.At last,the testing result of the signal generator is analyzed,and the signal generator has advantages and value.
Keywords:UWB;wireless communication;signal generator;ECL circuit
0 引 言
超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术[1]在通信时,不使用载波电路,而是通过发送纳秒级脉冲传输数据的,因此具有发射和接收电路简单,功耗低,多径分辨能力强,穿透力强,隐蔽性好,系统容量大,定位精度高,对现存通信系统影响小,传输速率快等优势[2]。由于UWB技术具有这些优良独特的技术特性,该技术已普遍受到各国政府的高度重视。
UWB通信系统中必不可少的关键之一是如何产生高带宽信号。由于极窄脉冲含有丰富的频谱,因而产生足够窄的脉冲和适于信道传输的脉冲形状是UWB技术的研究热点和关键所在。从国内外对UWB技术的研究来看,目前已有的UWB脉冲信号实现方式基本上可分为两大类: 一类是利用模拟器件来产生所需的极窄脉冲信号;另一类是利用半导体器件的开关特性实现。利用模拟器件产生的窄脉冲通常需要较高的偏置电压并且寄生效应较大,脉冲波形不理想,脉冲功率较大,容易对其他的通信系统产生影响[3]。为了克服模拟器件产生窄脉冲的缺陷,并考虑到UWB通信系统的特殊性,利用开关速度极快的ECL门电路产生窄脉冲相比用模拟器件具有诸多优势,如脉冲波形好,电路简单,便于产品的集成,调试容易,信号功率谱密度低,不会对别的通信系统产生明显影响等[4]。
1 UWB信号的发生
1.1 发生信号形式的选择
冲激无线电超宽带技术中不使用载波,是直接发送和接收极窄脉冲信号[5]的,所以脉冲信号波形的选择对于UWB通信系统来说至关重要。不管是采用模拟器件,还是数字器件,最终发生信号的形式必须适合在无线信道中传输[6]。UWB技术中最基本的信号单元是高斯脉冲(Gaussian Pulse),其时域表达式为:
Pg1(t)=Ke-(t/τ)2
式中:K表示脉冲信号幅度;t为时间;τ是脉冲持续时间,它不仅决定了脉冲宽度,还决定了信号频谱的中心频率和带宽。与其对应的频域表达式为:
Pg1(f)=Kτπe-πffc2
式中:f为频率;fc=1/τ是脉冲的中心频率。其时域、频域波形如图1和图2所示。
由高斯脉冲的频谱图可知,该脉冲含有丰富的低频和直流分量,不适宜天线辐射。为了有效传输,UWB信号应含有尽可能多的高频分量。高斯脉冲的导数具备把直流和低频分量转换成高频分量的能力[7]。
图1 高斯脉冲时域波形
图2 高斯脉冲频域波形(频谱)
高斯单脉冲(Gaussian Monocycle)即一阶高斯脉冲,它是由高斯方程的一阶倒数得出的,其时域表达式为:
Pg2(t)=K-2tτ2e-tτ2
与上式对应的频域表达式为:
Pg2(f)=Kτπ(j2πf)e-πffc2
图3和图4是高斯单脉冲的时域和频域波形。
图3 高斯单脉冲时域波形
图4 高斯单脉冲频域波形(频谱)
由高斯单脉冲的频域波形可知,该信号波形含有的直流和低频分量很小,适合在无线信道中传输,且中心频率随脉冲宽度变窄而升高,带宽也随之增加[8]。
1.2 信号发生器的方案研究
基于1.1节的分析,信号发生器的最终输出信号形式应为高斯单脉冲。为实现该信号,UWB信号发生器设计成数字模拟混合电路[9]。ECL门电路是半导体器件中速度最快的开关电路,也是整个电路的核心,它的主要作用是产生脉冲宽度极窄的高斯脉冲,但ECL门电路直接输出的信号不适于信道传输,因而在其后接上模拟电路,以对ECL门电路的输出信号进行变换,从而获得UWB通信所需要的高斯单脉冲。图5是UWB信号发生器的逻辑原理框图。
图5 UWB信号发生器的逻辑原理框图
该原理框图由标准时钟、电平转换电路、延时器、延时控制电路、ECL门电路、发送滤波器和脉冲功率放大电路组成。标准时钟产生器产生一定重复周期的矩形脉冲序列。电平转换电路把时钟的TTL电平转换成ECL电平。为了精确延时,延时器采用ECL电平的延时芯片,控制电路控制延时芯片的迟延时间,使两路信号的延时有一个极短的时间差,这样有时间差的两路信号通过ECL门电路之后便可产生一个宽度与时间差相等的极窄脉冲。ECL门电路是ECL电平的异或门或者与门,它们的反应速度要足够快,通常要求其反应时间不能大于250 ps,且电路和传输线都应满足最佳匹配的要求,否则难以得到宽度极窄的理想脉冲。由于ECL门电路的输入信号都是矩形脉冲,因而通过ECL门电路产生的窄脉冲也是矩形脉冲,又因为输出脉冲的低电平为3.2 V,该脉冲必定含有丰富的直流和低频分量,不适于无线传输。为了有效传输信号,通过发送滤波器对脉冲形式进行变换,变成需要的高斯单脉冲。由于ECL高低电平的最大差值不过800 mV,通过ECL门电路得来的脉冲功率很小,如果要扩大传输距离,则需增大发射功率,这时把已经成形了的高斯单脉冲通过放大电路即可增大发射功率[10]。
1.3 信号发生器的电路设计
UWB信号发生器的实际电路完全按照1.2节中的方案设计。即整体电路主要分为3大部分。
第一部分主要功能是产生极窄脉冲。该部分电路对制作PCB板的要求很高,ECL门电路的两路输入信号要尽可能对称,才会最大程度地减少误差,也即输出的脉冲宽度才会接近两路信号的理论延时差。此外,ECL门电路对输出阻抗有特殊要求,都是50 Ω的特殊阻抗,因而在设计传输线时要用微带线理论去设计,以保证输出特性阻抗是50 Ω,这样才不会出现波形较大的失真。
第二部分主要是对第一部分输出的脉冲进行成形滤波。该部分需要注意的是,运算放大器的速度要足够快,才能对极窄脉冲进行较好的成形,同时相应的匹配电路要尽可能精确,此外传输线都采用微带线,以保持输入输出阻抗匹配,这里的输入输出阻抗都是标准的50 Ω。
第三部分是对成形后的高斯单脉冲进行放大。该部分的核心是MMIC(单片微波集成电路),放大电路是可调的,通过改变VCC达到改变放大电流的目的,传输线也都采用微带线,特性阻抗设计成50 Ω,目的是要和第二部分的输出阻抗以及发射天线的特性阻抗匹配,最大限度地提高发射效率。图6是UWB信号发生器的实际电路图。
图6 UWB信号发生器的实际电路图
2 UWB信号的测试
用Agilent 公司的示波器和频谱仪对与图6相对应的印刷电路板测试。示波器的采样率为16 GHz,频谱仪能扫描10 GHz的频谱,测试时两块延时芯片设置的延时差为960 ps,输出端接口采用标准50 Ω阻抗的SMA接头,示波器和频谱仪也设置为50 Ω输入阻抗,测试时采用特性阻抗为50 Ω的传输线,测得的脉冲波形及其频谱如图7,图8所示。
图7 电路的最终输出信号
图8 最终输出信号的频谱图
3 结 语
从最终输出的脉冲波形可知,脉冲波形较理想,脉冲宽度为1 ns,略大于预设延时差,这主要是制作PCB板时有误差所致,因此要想获得精确的脉宽,在制作工艺上还有待提高。由于延时差是可控的,因而通过该电路可获得更窄或更宽的脉冲,这是本电路的最大优势所在。从频谱图可知,该信号的中心频率为1 GHz,-3 dB带宽高达500 MHz,也即分数带宽为50%,符合超宽带信号的要求。此外该信号虽然带宽很宽,但功率谱密度很低,根本不会对其他通信系统产生任何影响,这利于本电路在实际中的应用。
UWB通信系统在短距离通信中应用越来越广泛,但如果要扩大传输距离,则必须增大发射功率,这样就会对其他通信系统,甚至对人体造成影响,这是不允许的,因而如何解决这对矛盾是当今面临的难题。
参考文献
[1]Somayazulu V S.Multiple Access Performance in UWB Systems Using Time Hopping vs.Direct Sequence Spreading[A].Wireless Communications and Networking Conference[C].FL,USA,2002:522-525.
[2]Hamalainen M,Hovinen V,Tesi R,et al.On the UWB System Co-existence with GSM900,UMTS/WCDMA and GPS[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2007,20(9):968-970.
[3]Scholtz R.Multiple Access with Time-hopping Impulse Modulation[A].Military Communications Conference[C].1993:447-450.
[4]Stoica L,Tiuraniemi S,Rabbachin A,et al.An Ultra Wideband TAG Circuit Transceiver Architecture[A].IEEE Conf.on Ultra Wideband Sys.and Tech.[C].Tokyo,2006:258-262.
[5]Kim H,Park D,Joo Y.Design of Scholtz′s Monocycle Pulse Generator[A].IEEE Conf.on Ultra-wideband Sys.and Tech.[C].Reston,2006:81-85.
[6]Federal Communications Commission,Government Printing Ofice,Washington:′First Report and Order;Revision of part 15 of the Commission′s Rules Regarding Ultra-wideband Transmission Systems′,Docket98-153,2007.
[7]Sheng H,Orlik P,Haimovich A M,et al.On the Spectral and Power Requirements for Ultra-wideband Transmission[A].IEEE Int.Conf.on Communications[C].Anchorage,2007,1:738-742.
[8]Kim H,Park D,Joo Y.All-digital Low-power CMOS Pulse Generator for UWB System[J].IEEE Electronics Letter,2007,40(24):1 534-1 535.
高低频电路设计与制作范文3
关键词：电子设计竞赛；电子信息；课外实践
收稿日期：2013-09-20
作者简介：陈运军（1979-），男，四川信息职业技术学院电子工程系讲师、工程师，实训中心主任，研究方向：智能控
制技术。
全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的四大学科竞赛之一，面向大学生的高参与性的科技活动，目的在于推动全国普通高等学校电子与信息类学科面向2l世纪课程体系和课程内容的改革，推动高等学校实施素质教育，培养大学生的理论联系实际的能力、创新能力和协作精神。培养学生动手能力和工程实践素质、提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的能力；吸引、鼓励广大学生积极踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件[1]。四川信息职业技术学院自2007年组队参加大学生电子设计竞赛以来，已连续5年获得一等奖。
作为全省唯一一所电子信息类公办高等职业院校，我院充分发挥电子竞赛的引导作用，逐渐将单一的竞赛扩展为以创新精神和实践能力培养为核心的学生课外实践活动体系，面向应用电子技术、电子信息技术等专业，立足课外科技活动空间，培养学生的创新精神、工程意识和实践能力。但是在大学生电子设计竞赛赛前培训过程中，发现学生电子信息类知识有一定的不足，表现以下两个方面：（1）理论知识方面，理论知识构成不完整、不平衡，竞赛所需的常用知识掌握不够；（2）实践应用方面，运用理论知识解决实际问题的能力不足，系统设计能力薄弱，实践性较差。
针对以上问题，为更好地适应电子设计竞赛的要求，提高电子设计竞赛水平，同时真正提高学生各方面的能力，探讨了一种基于电子设计竞赛构建电子信息类专业课外实践体系的人才培养模式。
一、课外实践体系中的人才培养模式
1.课外实践体系中学生培养模式
大学生电子设计竞赛试题具有实用性强、综合度高、技术水平发挥余地大的特点。归纳起来，主要涵盖模拟电子电路、数字电子电路、高频电路、传感器技术及应用、微机原理、单片机原理与应用、PLC可编程技术、自动控制原理等多门课程[2-4]。针对大学生电子设计竞赛的特点，课外实践体系主要体现对创新型学生的培养，更好提升自身素质，并进一步通过动手实践使综合能力得到相应的提高。课外实训体系充分利用开放实验室等学院相关资源，长期有指导教师进行指导，开设具有一定应用性及设计性的项目，供学生选做。学生以电子设计竞赛模式以2～3人组队的形式参与项目，团队需要共同完成资料查阅、方案设计、模块设计、虚拟仿真、PCB板制作、系统调试、故障排除、撰写报告、项目验收、项目答辩等与大学生电子设计竞赛相同的环节。内容包括大学生电子设计竞赛涉及的无线收发类，数据采集、测量、传输与控制类，高低频信号源类，信号放大类等。指导教师给出参数要求和大致参考方案，具体的设计和实施则通过教师指导、学生自主来完成。对于高职院校参加电子设计竞赛的队员主要是大二的学生。因此，竞赛所需的理论知识和实践能力必须在一年级进行学习并掌握。现有的课程设置在一年级开设了电路分析、模拟电子技术、数字电子技术等。为了使学生对电子竞赛有所认识，依托学院的科技协会，高年级学生与低年级学生进行一对一学习指导，高年级学生带着低年级学生一起做项目，指导低年级学生学习哪些知识、如何学习，起到传帮带的作用，使低年级学生能尽快上手做项目，以项目为主线进行理论知识的学习。
课外实践体系主要分三个阶段来实施：基础训练、项目训练、模拟比赛和选拔。在基础训练阶段，主要针对电子竞赛涉及的几门骨干课程，如模拟电子基础、数字电子基础、单片机原理与应用等进行集中的训练。结合典型的项目，有针对性地分析和提高，此阶段主要让学生详细分析各种可能出现的问题产生的原因和解决方法，包括自激振荡、信号带宽的考虑和不同厂家的芯片对电路性能的影响等。在单片机原理与应用的训练中，先依托8051系列单片机制作几个典型项目，再根据竞赛的需要深入到TI公司的MSP430单片机。在项目训练阶段，教师借鉴以往电子竞赛的题目，编制出涵盖电路、单片机等内容，并具备一定应用功能的设计性题目。学生讲解其中的大致原理和重点，告诉学生常用的文献资料检索方法。学生根据需要查找参考资料，设计出实现方案。经指导教师审核后进行电路设计，在万能版上焊接出设计的电路，焊接的时候注意焊接质量的判定，并对每个学生的焊接水平进行专门的评估。焊接出来的电路需进行调试，在电子线路和嵌入式系统中，调试和排故是一项难度很高的工作。在很大程度上，最能体现工程师水平的不是电路设计能力，而是对电路故障的分析和解决能力，在学生遇到不能解决的问题时，指导教师需引导学生分析问题产生的原因，提出改进建议，但不具体操作，而是让学生自己动手解决。在模拟比赛和选拔阶段，通过一个竞赛模式的比赛，考核学生的理论知识、团队协作、心理素质等，挖掘人才，为参加竞赛储备人才。
2.课外实践体系中教师队伍建设
电子信息类课外实践体系的建设，需要一支理论基础扎实、工程实践经验丰富、相对稳定且可持续发展的指导教师队伍。电子信息日新月异，教师只有在学习新知识、新理论、新技术和开展科研活动的过程中，不断提高自身的素质，才能更好地发挥指导作用[5]。教师的能力和水平，在一定程度上决定了学生的技能水平。而高职学校教师的能力和素质对学生的影响远远大于本科教育中教师的影响。客观上，由于本科生与高职学生的差异，高职学生需要教师更多的引导和帮助。高校教师只有自身业务素质高，才能推动学生的素质教育；只有自身具有创新精神和创新意识，才能对学生进行启发式教育。只有自身掌握丰富知识，才能教会学生如何学会学习，研究问题。为了更好地对在课外实践活动的学生进行辅导，指导教师首先需要具有广泛的知识结构和丰富的实践经验。为此，教师应该通过培训、自学、参与科研项目等多种方式不断提升自身能力。而在指导学生的过程中，可以相互学习，共同提高。知识和经验相互渗透与补充，使得教师的实践水平得到快速提高。另外，在指导过程中，教师应该起到学习推进者的作用，充分认识学生的个性，把培养学生的实践能力和提升教师自身素质融合在一起。
二、课外实践体系中的院级竞赛
院级竞赛是在紧密结合课堂教学的基础上，考察学生基本理论知识和解决实际问题能力的科技活动，是增强学生学习及研究的主动性，培养学生团队协作意识和创新精神的重要途径[6-8]。
为了提高学生的实践动手能力，学院定期举办“电子技能竞赛”、“机器人大赛”、“科技创新大赛”等竞赛活动。培养学生的创新意识、实践动手能力。电子技能竞赛主要针对低年级学生，鼓励学生熟悉各种实验设备、夯实操作基础；“机器人大赛”则面向中、高年级学生，考核综合应用专业知识的能力。竞赛多采用校企合作方式，由企业提供竞赛经费或器件设备，请企业工程师参与指导与评审，引入企业生产的实际问题，使竞赛源自于实践，服务于实践，锻炼学生的工程意识、工程素质以及工程实施能力。
三、课外实践体系中的激励机制
学生是创新实践活动的主体，学院制定了“专业技能竞赛管理办法”，对在市级及以上竞赛中获得名次的学生奖励学分，成绩计入专业任选课或公共任选课中，并在年度奖学金评选中予以优先。这对学生申请奖学金等有很大的好处，能调动学生的积极性。学院对从事电子设计竞赛指导的教师，通过年终绩效奖、工作量认定、职称评定、教学奖励等办法，鼓励更多的教师投入课外实践体系。
四、结 语
以全国大学生电子设计竞赛为载体，本院逐步构建起涵盖电子竞赛特色专项培训、电子类院级竞赛以及师生激励机制的电子信息类课外实践活动体系。立足第二课堂，以电子竞赛的“点”带动课外实践体系的“面”。学生在课外实践活动中感受到知识应用和创造的兴趣和乐趣，创新思维、动手能力及知识综合应用能力得到有效提高，形成了浓厚的课外实践学习氛围，给广大电子信息类学生提供了展示自己能力的舞台，使优秀学生脱颖而出，教师队伍自身实践水平也得到了进一步的提高。而且给电子信息类专业人才培养开创了新的模式，给高校教育提出了更多的发展思路。
参考文献：
[1] 全国大学生电子设计竞赛章程，[EB/0L].http：//
/news.asp？bid=1.
[2] 赵云娣，肖看.大学生课外科技创新活动培训系统的研
究与实践[J].实验室研究与探索，2006，25（4）：415-
420.
[3] 姚有峰，赵江东，汪明珠.从电子设计竞赛谈电子类实
践教学改革[J].实验技术与管理，2009，26（7）：131-
148.
[4] 张瑞成，陈至坤，王福斌.学科竞赛内容向大学生实践
教学转化的探讨[J].实验技术与管理，2010，27（7）：
130-132.
[5] 程智宾，谢斌生.电子设计竞赛与实践教学改革[J].福
建信息技术教育，2007，（1）：7-10.
[6] 尹仕，肖看.构建大学生多学科竞赛平台培养新型拔尖
人才[J].实验技术与管理，2009，26（5）：121-124.
[7] 蒋西明，邓明，徐云.构建学科竞赛体系，提高学生综
合素质[J].实验技术与管理，2008，25（2）：130-132.
[8] 程智宾，谢斌生.电子设计竞赛与实践教学改革[J].福
建信息技术教育，2007，（1）：7-10.
Based on the Electronic Competition Construct Electronic Information Specialty Extracurricular Practice System Discussed
CHEN Yun-jun
高低频电路设计与制作范文4
关键词:DC-AC MPPT频率跟踪相位跟踪
中图分类号:TM2文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-093-02
随着社会生产的日益发展,对能源的需求量在不断增长,全球范围内的能源危机也日益突出。在一些生物能源开发殆尽的同时,一些新型能源正在受到重视。其中逐步展开对太阳能的开发,一些光伏并网发电系统已经产生。但是对该系统的研制,最重要的是转变效率的高低。所以,我们可以先设计和制作模拟装置来测试某种算法以及设计的参数。
光伏并网发电模拟装置如下:
该装置核心电路有DC-AC和控制电路,下面对这二者进行方案的选择与验证。
1系统方案选择
1.1控制电路选择和控制信号生成方案
方案一:由脉宽调制集成电路来产生占空比可变的PWM脉宽调制波形.此类芯片有SG3525A、TL494等。但其产生的SPWM波频率很难实现实时调节,整体电路控制不是十分灵活,导致整个并网模拟装置很难达到题目指标要求。
方案二:由TMS320F28027产生SPWM波。其内部具有PWM波产生的功能,可以通过改变其占空比来产生SPWM波,采用电压型全桥逆变电路,控制全桥逆变电路的两对开关管交替导通。信号精确,电路简单,控制灵活。通过反馈来改变输出SPWM波的占空比,使电路保持稳定。并且能够很好的完成频率调节和相位跟踪等功能。
综上分析选用方案二。
1.2DC-AC电路设计和开关器件的选择
方案一:采用绝缘门极双极晶体管IGBT。IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,在高电压场合有很多应用。
方案二:采用功率MOSFET作为开关器件。其优点是具有很高的输入阻抗,对驱动电路要求很低,并且具有很宽的安全工作区而不会产生热点。具有很高的开关速度,在开关电源领域有广泛的应用,所以可以比较容易的完成对输出正弦波失真度的要求。
在本模拟装置中,使用MOSFET就可以满足对失真度和其他的参赛要求,所以综上分析选择方案二。
2理论分析与论证
随着经济的发展,人们对效率的要求越来越高。目前已经有多种提高光伏并网逆变器效率的方法。通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪(MPPT) ,是提高光伏发电系统的发电量、降低发电成本的有效措施。
2.1MPPT的控制方法与参数计算
如图1所示,计算消耗在负载 上的功率为:
(1)
然后,式(1)两边对要求导可得:(2)
由式(2)可得,当时,, 此时取最大值。
由于模拟光伏电池的内阻以及负载电阻变化,MPPT需要及时准确地采样当前电压Ud,与前一时刻的采样电压值比较,调节SPWM的占空比,如图1所示。而使 。
2.2同频、同相的控制方法与参数计算
采用TMS320F248027事件管理器中的捕获功能测量并网信号的频率和并网信号与输出信号的相位差,从而调节SPWM的周期,进而实现同频同相。
TIMER0的计数器记录并网信号的周期,TIMER1的计数器记录误差信号的脉冲宽度。由于TIMER0设置低频时钟32768Hz,测量的并网信号频率为32768,相位差为32768。
2.3提高效率的方法
(1)选择合适的开关频率
开关损耗是影响逆变器效率的主要因素之一。其开关损耗随着开关频率的增加而增加。所以选择合适的开关频率是提高系统效率的重要环节。但考虑到题目对失真度的要求,开关频率也不能过低。结合实际电路的多次测试,选用2.5KHz作为开关频率。
(2)选择合适的场效应管作为开关元件
开关元件的导通损耗也是不可忽略的。功率场效应管IRF3205作为开关元件,其导通电阻只有8mΩ,导通压降很低,损耗较小。而其它功率场效应管如IRF9450的导通电阻为200mΩ,IRFP450的导通电阻为400mΩ。这些场效应管均满足耐压条件,故选用IRF3205作为开关元件。
2.4滤波参数计算
根据题目对失真度的要求,选择输出滤波器的截止频率为开关频率2.5KHz的1/10,即250Hz。这样可以使开关频率中的交流分量衰减40dB以上,从而满足题目对失真度小于5%的要求。传统的RC滤波器损耗过大,使系统效率降低,故采用单极点LC低通滤波器。输出滤波器电容器的电容量为:选用两个10uF/50V电容并联。输出滤波器的电感量为:
3电路与程序设计
3.1DC-AC主回路与器件选择
如图1所示。由DSP产生的SPWM波等效于用三角波作为载波来调制一个预期得到的正弦波。Q1、Q2的通断状态互补,Q3、Q4的通断状态互补。主要器件选择如下。
开关元件的选择:由于Ud的电压在30V左右,考虑到开关管在开关的过程中,寄生电感会产生感生电势并加到开关管上。同时处于安全考虑,开关管的的耐压要为最高电源电压的1.5倍,至少为45V。同时应该在满足耐压值的条件下尽可能的减小导通电阻,减少导通损耗,以满足题目中对系统的效率的要求。所以选用功率场效应管IRF3205(VDSS = 55V,RDS(on) = 8.0mΩ,ID = 110A)。
驱动电路的选择:选用两片IR2103芯片,驱动电路见DC-AC主体电路图。内置死区设置时间为520ns,保证了系统的安全运行。省去了专门的死区时间设定电路。芯片自举二极管采用快恢复二极管IN4007,自举电容采用4.7uF。
DC-AC主体电路图
3.2控制程序
(1)SPWM控制程序
本系统的SPWM波的产生主要用TMS320F28027软件控制产生。采用等面积采样法,在正弦波的半个周期内采样32点,将对应的值转化为对应的高电平时间,由TMS320F28027产生两路相差180度的SPWM波。
由DSP的EV模块产生SPWM波的基本思想就是在初始化时将PWM周期值设定,然后定时器定时,每个周期产生一次中断,调整脉宽,从而得到不断变化的SPWM波。
在软件设计中,将TIMER0和TIMER1模块作为PWM输出口。首先建立正弦表,在一个完整正弦周期中,采样64个点,根据等面积法计算出各点的脉宽值,转换成计时步阶,供TIMER0中断子程序调用。计数器不断和TIMER0相应的寄存器中的值比较,达到设定值时产生中断,寄存器重新计时。中断服务子程序用来修改SPWM信号的占空比。
(2)同频、同相控制程序
进行同频控制时,整体思想是测量并网信号的频率,然后根据测量的频率改变TIMER0TCR的数值,从而使输出信号的频率跟踪并网信号的频率。采用TMS320F28027寄存器TIMER1TCR捕获并网信号的上升沿,并由TIMER0TIM计数器记录捕获上升沿的次数。在产生SPWM波的中断程序中,每经过1s的时间,启动一次频率测量功能,测量完毕后,重新计算TIMER0TCR寄存器的值。
进行同相控制时,在并网信号的上升沿时,启动SPWM波控制寄存器,监测K值,在并网信号的下降沿到来时,判断K值,如果K值大于32时,增大TIMER0TCR寄存器的值,如果K值小于32时,TIMER0TCR寄存器的值,如果K值等于32时,TIMER0TCR寄存器的值保持不变,并且同时将K值置为1,然后重新开始新一轮的计数。
3.3保护电路
(1)过流保护电路
要求动作电流Io(th)=(1.5±0.2)A,不方便直接测量,控制器将电流取样,取样电阻设为2KΩ。后接交流有效值检测电路,将输出直流有效值给接比较器LM393的同相端,用R19,R29分压使反向端设定为1.5V输入。LM393驱动电流不够,后接三极管9013进行放大,当过流时驱动继电器完成电路的关断。电流正常时,比较器输出低电平,系统正常工作。
(2)欠压保护电路
在Ud 输入端,将R1为7.5MΩ、R2为500KΩ的两电阻串接在两端。将R2两端作为电压取样。当欠压时取样输出为1.5V,正常时为1.8V。取样电压接比较器LM311的反向输入端,调节R30的阻值,与R23分压,使Vref电压为1.8V。比较器输出端接三极管。欠压时,比较器输入高电平,驱动三极管使继电器关断。电压正常时则比较器输出低电平,系统正常工作。
4测试方案与测试结果分析
4.1测试方案
(1)测试方法
测试连接图:
4.2测试结果分析
(1)测试数据与设计指标的比较,结果如表1所示。
表1测试结果与设计指标比较
(2)相位跟踪测试产生偏差的原因
在实现相位跟踪功能时,受控制器时钟的限制以及相应的控制方法的影响,导致相位偏差。
参考文献:
高低频电路设计与制作范文5
铁路转辙机缺口监测系统是针对上述问题进行研究并开发的，适合于我国目前大量使用的各种转辙机的新的技术，该项技术也是“铁路信号微机监测系统”(该系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测铁路信号设备运用质量的重要行车设备)的一项主要内容，对确保铁路行车的安全、提高铁路运输的效率具有极其重要的意义。在铁路车站，由于被监测对象(转辙机)一般距离监测主机所在位置即电气集中车站机械室的平均距离为1.5km左右，并且数量较多，分布无规律，因此监测数据的可靠传输一度成为制约本项技术应用的瓶颈。特别是在既有站，站内可用的电缆极为有限且造价高。为节约电缆及提高系统可用性，铁道部特别要求铁路转辙机缺口监测系统采用电力载波扩频通信技术来实现数据与室外工作电源的共线传输，完成室外监测分机与室内主机的通信。
电力线载波通信技术简介
电力线载波(Power Line Carrier, PLC)通信是利用高压电力线(在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指10kV电压等级)或低压配电线(380V/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面，电力线载波在380V/220V用户配电网上的应用在90年代后期之前，只限于采用调幅或调频制式的载波电话机实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输。
我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在2000年左右，目前在自动集抄等系统中采用的载波通信方式有扩频窄带调频或调相。在各种扩频调制方式中，由于采用正交频分多路复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制具有突发模式的多信道传输，较高的传输速率，更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠错交叉纠错自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上应用的主导通信方式。
转辙机缺口监测系统
系统结构
铁路转辙机缺口监测系统主要由由缺口传感装置、现场分机、室内主机3部分组成。系统框图如图1所示：
室内主机与现场分机向的数据传输方式为：使用一对(2芯)信号电缆，进行数据的传输，同时该电缆也是室外分机的供电电源线。在数据传输协议的选择上，充分考虑通信的可靠性、实时性和抗干扰性。系统具体工作过程为：室外分机采集来自缺口传感装置的缺口变化信息，然后通过低压电力载波线路将数据实时传输到室内主机，主机既可以实现室外各转辙机缺口信息的存储、显示、告警，也可以通过高速CAN总线实现与铁路既有微机监测系统的并网连接，从而作为微机监测系统的一个子系统运行工作。本系统的特点在于监测数据传输方面的多样性，既有低压电力载波通信，也有CAN总线的运用，但是也在数据传输的可靠性等方面提出了更高的要求。
各功能模块设计
1.室内监测主机
主要功能为实时分析处理现场分机传回的数据，并及时按照技术要求进行报警，并提供一定的数据存储能力。提供与“信号微机监测系统”的CAN总线接口，接口协议应遵照“信号微机监测系统”的规定。室内主机可以安装在微机监测柜内，也可以安装在信号组合架上或置于室内工作台上，通过分线盘将信号电缆连接到采集器后面板的接线端上，其硬件结构图如图2所示。
2.室内采集分机
采集分机为安装在转辙机附近或内部的现场数据处理装置。采集分机一般具有向缺口传感装置提供需要的电源；接收来自缺口传感装置的信号；对传感装置的输出信号进行初级处理；进行向室内通信传输数据的处理等功能。其系统结构图如图3所示。
3.缺口传感装置
其主要功能是准确的检测到被测缺口的变化。分为连续监测缺口变化和达到额定值输出开关量变化两种。连续监测缺口变化可以全程地监测缺口的位置变化，监测的位移变化范围应在0 mm～4 mm之间。达到额定值输出开关量变化则为达到额定值报警，即事先设定缺口报警值，当缺口报警装置监测到缺口达到报警值时，给出一个开关量信号。下面以图4的ZD型与S700K型转辙机的缺口位置为例说明其采集原理。
电力线载波通信系统解调方式
与信道特性分析
由于室内室外之间的通信只能采用低压电力载波通信技术，并且现场信号电缆的绝缘等参数并不统一，有些电缆还可能铺设在高压线路附近(电气化铁路)，通道特性比较恶劣，而室外所有监测信息的准确性又是本系统正常工作的基础，因此如何保证通信质量，提高低压电力载波通信的可靠性是无法避免的问题，也是研制工作的重中之重。
电力线路作为载波通道，各种尖脉冲的干扰较多，是影响数据正确接收的主要因素之一。现有的载波通信技术采用SSB(单边带抑制载波)调制技术，FSK(频移键控)调制技术，对尖脉冲的抑制能力有限。因此，近年来国内外许多厂商都在研究采用新的载波通信技术，以抑制尖脉冲的干扰。扩频调制和OMCM多载波调制技术和OFDM(正交频分复用)就是其中有代表性的技术，扩频调制技术是将较低的数据调制到较宽的频带上，这样它对尖脉冲有很好的抑制作用，虽然尖脉冲幅度大，但把它调制较宽的频带后，其所占的相对份量较小，在接收端很容易把它滤除掉，扩频调制方式对尖脉冲有较好的抑制能力，不足的是，电力线路作为载波通道的高频特性较差，可利用的有效频带限制在500kHz以下，这样数据传输速率不可能太高，否则对尖脉冲的抑制能力也要相应减弱。
采用OFDM(正交频分复用)调制技术。它既能抑制尖脉冲的干扰，又有较高的数据传输速率。OFDM系统的基本原理是将高速的串行数据fs转变为N个并行的低速子数据流，用N个子载波(f0,f1...fN-1)去调制(f0,f1...fN-1)这些低速的子数据流，f0,f1...fN-1是相互正交的。允许子载波的频谱可以有部分重叠，这样能有效行的码元转成并行的码元经正交调制后再在通道中并行传输，同SSB,FSK等单载波调制系统相比，在相同的传输速率fs下，子通道上因为传输速率只有fs/N，每个码元所占时间增大N倍，这样可以很好地抑制尖脉冲干扰。
因为尖脉冲虽然幅度大，但其所占频谱宽，单位频带内所占有的能量少，相对于每个子信道f0,f1...fN-1其所具有的能量减小，这样也就减小对解调输出的影响；对窄带脉冲干扰，它只能影响f0,f1...fN-1中的几个子信道，不足以影响全部子信道，系统可以在这些受干扰的子通道上降低传输速率，或者暂时关闭这些子信道，可以克服窄带脉冲干扰的影响。同扩频调制相比，OFDM同样具有抗尖脉冲及窄带脉冲干扰的能力，并且在相同的传输速率下，OFDM所占用的带宽比扩频调制要窄，这对频带资源只有500kHz的电力线载波通道而言是十分可贵的。但是OFDM的调制解调技术比较复杂，Siemens公司采用ASIC技术制成专用芯片，同时还具有通道特性测试功能，通过测试分析指出哪些频段适宜传输，这些都给技术实施带来极大的方便。
以上都是从调制方式来解决电力线的干扰，或者避开干扰。从实际应用来看，大可没有必要，各种调制方式也只是解决一些问题，但是不能从根本解决，现在主要解决对电力线的信号能量耦合问题，才能从根本上解决问题。载波信号功率是通信成败的一个非常关键的因素，适当的选择功率放大器件对开发性能优越的载波通信设备非常重要。
低压电力线信道的干扰特性
低压电网的干扰源主要包括脉冲噪声干扰、窄带干扰、高斯噪声及50Hz谐波噪声干扰等。脉冲噪声主要由瞬间短路、功率器件的开启与阻断等现象和行为产生。窄带干扰源于网中的谐波现象。高斯噪声可认为是低压配电网的背景噪声，主要由配电变压器的高压边耦合而致。噪声在低压配电线上可分为以下四种。
(1)50Hz工业频率同步噪声：这种噪声主要由开关电路，如可控硅整流电路和某些电源供给电路。当电源供给电压跨过某一门限值时可控硅整流电路发生跳变。因为电压是周期性的，在50Hz或50Hz的整数倍时可控硅整流电路发生跳变，因此在50Hz或50Hz的整数倍时产生噪声。这种噪声与电源频率同步或漂移。由于可控硅整流电路存在于每一个配电自动化系统中，因此这一类噪声存在于配电变压器的一次侧和二次侧。这一类噪声在50Hz的整数倍处有线性的频谱。
(2)平滑频谱的噪声：这一类噪声是因为在电力线的负载的频率与电源的频率不同步所产生。一个最普遍的例子就是电动机。由于电动机的转速受其负载的控制，直流电动机的电刷可以导致电流发生间隔性改变。在大多数的工程实践中，可认为这一类噪声有平滑的频谱但没有固定的频谱线。在配电网通信这种带宽比较窄的情况下，可将这一类噪声看作白噪声。
(3)脉冲噪声：电灯、热水器以及其它一些开关现象都可以导致脉冲噪声，电力系统为补偿功率因数的补偿电容的接通或断开也可导致脉冲噪声。
(4)异步周期性噪声：这一类噪声有与50Hz电源频率不相关的线性频谱。产生这一类噪声源的设备为电视接收机。
低压电力线信道的其它特性
1．阻抗变化特性
配电变压器的二次侧的低压电力线上连接的负载多种多样，主要包括电阻性(R)、电容性(C)、电感性(L)3类负载。根据负载的随机接入和撤出，R,L,C的瞬时相对份额以及频率参数的变化，其阻抗特性难以准确描述，但在一定的频率范围内时，特性阻抗的变化范围一定。一般配电网电力线的波阻抗在几十欧姆到100多欧姆。例如在通信频率下，如130KHz，12-2G Romex NM-B在20m长的末端接1μF的电容(低阻抗)时，线路输入阻抗约为10Ω，呈感性；在末端接500Ω的电阻时，线路输入阻抗成容性。一些电器中均有电容滤波器，滤波器的电容与电力线的电感产生谐振，可在某些频率范围内使阻抗大大降低(小于1Ω)。线路上的感性负载或容性负载随机的接入，可引起以下两方面的效果：负阻抗负载与线路形成谐振电路，可形成阻抗零点；动态接入线路的负载不能保证与线路的特征阻抗匹配，从而引起线路波的反射和驻波效应，造成不同测量点的不同阻抗。此外，随着整流设备的越来越普遍，大多数整流设备在交流电压峰值点附近导通，并且与阻抗较小的滤波电容连接，造成交流电压在过零点附近时的阻抗大于峰值点附近时的阻抗。
2．损耗衰减特性
电力线中传输信号的损耗由多方面引起：1)由线路串联电感和并联负载、并联的分布电容(并联的电磁兼容电容)组成电压分压器造成的损耗。假如每30m线路的串联电感为19微亨，负载为30Ω的电阻，并联0.44微法的电磁兼容电容，则负载处的信号衰减为12dB。这样的3段单元组成的电压分压器，第3段负载处的信号衰减为36dB。2)不同相位的耦合引起的损耗。绝大多数的配电变压器将阻碍通信信号的通过，因此配电变压器的原、副边之间的传输信号衰减可达60dB到100dB。配电变压器的次级线圈间的信号传输也会达到20dB～40dB的衰减，其程度与分支线路用线的类型、不同相位布线耦合程度有关。3)由信号经过配电盘电源的交汇处引起的损耗。在电力线通信频率下，配电盘相当于小于1Ω的电负载，可引起12dB～24dB的信号损失。在一般情况下，传输信号的损耗是频率的函数，高频段的损耗大于低频段的损耗。
3．相移特性
低压电力线传输信号对相位的影响通过测量表明，250m的电力线，正弦波的相移小于±10。
电力线载波通信系统设计
硬件电路设计
经过长期调研与实验论证，我们最后选定国内自行研制的低压电力线载波通信模块KQ-100E。KQ-100E采用FSK载波通信方式，在数字信号处理技术上有独创性的高新技术成果应用，许多用户经过对比试验后都给予很高的评价。相对于扩频方案而言，FSK方式提供的是透明的载波通道，不需要对模块初始化编程，可以通过软件任意变换波特率，从而为过零点(市电50HZ的正弦波的零点)通信、软中继(定址中继或无中心自动中继)、软件滤波的实现提供可能。
KQ-100系列产品的发送部分和接收部分封装在同一模块内，并用CMOS器件作为接口，器件功耗低，主芯片+5V，约35 mA，另一种专用型功耗约+5V，20 mA，发送功率可以控制VAA的功耗，+12V，300mA，可以视环境需要在5V～18V范围内选定，电压越高，输出功率大，传送距离远。其系统结构简图如图5所示。
软件设计
一般来说噪声数据在一定范围内变化，如在EOH-FFH之间或7OH-90H之间出现，因此在进行软件编程时，重点采取以下处理方式：
1.引入同步码。在编程时，要在接收到同步码以后才开始对下面的数据正式接收。在同步码的确定上,经过反复实验,初步选定为FFH，FFH，A5H，A5H，A5H，在实际使用中能非常可靠地工作。
2.在模块发送时，R/T要提前变成低电平，一般提前一个字节的发送时间，1200bit提前8.33ms、100bit提前100ms。
3.在发送完毕时，一定要等到数据完全移位发送完所有位的数据后才将R/T置高电平。如51系统单片机，当系统检测到TI标志为1时，并不等于数据已完全发送完毕。其实这时仅表示单片机已可以处理下面欲发送的数据，而当前数据并未完全移位送出。
4．由于电力线上干扰比较严重，在模块通信距离较远，接收到干扰信号大于接收信号时，可通过编程用软件滤波方式以提高数据通信距离及可靠性。例如100bit，发送1位需10ms,编程定时中断每277.78μs中断1次(对89c51，在11.0592M晶体频率点，每256个机器周期中断1次),那么在传送一位的时间内,中断36次。每次中断对RXD采样一次，分别对1或0计数，当0和“1”总计数为36时比较1和0的计数值，谁的数计得多就以谁为这一次接收到的数据位。
