驱动电路

驱动电路（精选10篇）

驱动电路 篇1

前言

对于控制系统的主电源来说,本系统采用的是直流供电,在实际应用中的电动汽车使用的也是直流供电。本系统的直流电源为300V,可以串联蓄电池获得,也可以经过交流电进行整流获得。系统主电路如图1所示。

1、功率器件的选取

由于无刷直流电机PWM调速时要求较高的开关频率,因此,对开关元件的驱动电路提出了如下要求:改善开关元件的开关特性,减少开关时间;减少驱动功率,提高驱动效率;对开关元件的过流提供快速、可靠的保护。

随着电力电子器件的发展,快速关断器件如门极可关断晶体管GTO、功率双极型晶体管GTR、金属氧化硅晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT等相继开发成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR优点于一身。即具有少子器件GTR的通态压降低、耐压高、可承受大电流等优点。又兼有多子器件MOSFET的开关速度快、热稳定好、无二次击穿、输入阻抗高、驱动微功耗的长处。因此倍受青睐。尤其是在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域发展迅速。在大功率全桥变换中。IGBT作为功率开关元器件是非常适合的。

IGBT是一压控器件。它所需的驱动电流与驱动功率非常小,可直接与模拟或数字功能块相接,不需加任何附加接口电路而且转换功率也大大提高。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的。当UGE大于开启电压UGE时。IGBT导通。当栅极和发射极间施加反向或不加信号时,使得IGBT关断。

本研究选用FS400R12KF4为驱动器件,FS400R12KF4基本参数:400A/1200V/6U。图2为功率器件。

2、IGBT驱动电路工作原理

本系统采用了EXB系列中的EXB841驱动模块。图3为驱动模块的外形图。EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V高速型IGBT专用驱动模块。其最高工作频率为40kHz:单20V电源供电,内部自己产生-5V的反偏电压:具有过流保护和软关断功能。

从图4和图5看出,EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。其中放大部分由TLP550、V2、V4、V5和R1、C1、R2,、R9组成,TLP550起信号输入和隔离作用,V2是中间级,V4和V5组成推挽输出;短路过流保护部分由V1、V3、V6、VZ1和C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8、C4等组成,实现过流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极,检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护;5V电压基准部分由R10、VZ2、C5组成,为IGBT驱动提供-5V反偏压。表1为EXB841的各端子。

(1)正常开通过程

当控制电路使EXB841输入端14和15脚有10mA的电流流过时,光耦TLP550导通,A点电位迅速下降至0V,使V1、V2截止;V2截止使D点电位上升至20V,V4导通V5截止,EXB841通过V4及栅极电阻R,向IGBT提供电流使之迅速导通,IGBT的VCE下降至3V,与此同时,EXB841的V1截止使+20V电源通过R3向电容C2充电,使B点电位上升,它们由零上升到13V的时间为2.54μs,由于IGBT约1μs后已导通,VCE下降至3V左右,从而使EXB841的6脚电位特制在8V左右,因此B点和C点电位不会充至13V,而是充至8V,稳压管VZ1的稳压值为13V,IGBT正常开通时不会被击穿,V3不通,E点电位仍为20V,二极管VD6截止,不影响V4,V5的正常工作。

(2)正常关断过程

控制电路使EXB841输入端14,15脚无电流流过,光耦TLP550不通,A点电位上升使V1,V2导通;V2导通使V4截止,V5导通,IGBT栅极电荷通过V5迅速放电,使EXB841的1脚电位迅速下降至0V,使IGBT可靠关断,VCE迅速上升,使EXB841的6脚“悬空”。与此同时V1导通,C2通过V1更快放电,将B点和C点电位箱制在0V,使VZ1仍不通,后续电路不会动作,IGBT正常关断。

(3)过流保护

设IGBT正常导通,则EXB841中V1和V2截止,V4导通,V5截止,B点和C点电位稳定在8V左右,VZ1不被击穿,V3不通,E点电位保持在20V,二极管VD6截止。若此时发生短路,IGBT承受大电流而退饱和,VCE上升很多,二极管VD7截止,EXB841的6脚“悬空”,B点和C点电位由8V上升,当上升至13V时,VZ1被击穿,V3导通,C4通过R7和V3放电,E点电位逐渐下降,二极管VD6导通使D点电位也逐渐下降,从而使EXB841的3脚电位也逐步下降,慢慢关断IGBT。

3、驱动电路驱动板的设计

3.1 驱动板的电源电路

驱动模块使用的供电电压为20伏,而驱动板的供电为24伏,内部需要加设电源电路,以此来稳定驱动模块的供电电压。首先,由接口提供24伏的直流电压,经过电容滤波,再使用芯片7818将电压降至18伏,因为三个二极管D29、D30、D31和电容的作用,电压被稳定为20.1伏左右。以此为驱动板内的各驱动模块供电。图6所示。

3.2 驱动模块的驱动电路

驱动电路的设计如图7。

驱动电路的内部原理前面已经叙述过了,在这里就不再重复,需要说明的有以下几点:

①驱动板内共有驱动这样的驱动应用电路6个,分别用来驱动功率器件内的6个IGBT;

②驱动信号来自处理器芯片的PWM引脚或I/O引脚;

③本电路中IGBT栅极进行了保护设计,D11和D12两个反向连接的稳压管可以保证VGE在-5V—+15V之间;

④驱动芯片EXB841的6脚(集电极电压监测端)输出串接一个稳压管和二极管接到IGBT集电极。集电极电压监测端的主要作用是进行前面我们所讲的过电流保护的。

参考文献

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[4]王晓明,王玲.电动机的DSP控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:13-24.

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[6]周立功等.ARM嵌入式实验教程(一)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:105-140.

驱动电路 篇2

关键词：ccd 驱动时序 放大器

1引言

电荷耦合器件(ccd)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。目前随着ccd器件性能不断提高。ccd驱动器有两种：一种是在脉冲作用下ccd器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵ccd摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。所以根据不同应用领域和技术指标要求。选择不同型号的线阵ccd器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是ccd应用中的关键技术之一。

2ccd工作原理

ccd是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到ccd的光敏面时，ccd首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。ccd的工作原理是被摄物体反射光线到ccd器件上，ccd根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵ccd可以实现图像传感和尺寸测量的功能。

3驱动电路的实现

图像传感器tcd1501c的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。使ccd芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生ccd工作所需的多路时序脉冲；二是对ccd输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。

3.1 基于vhdl的驱动时序设计

本部分的设计是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6.1环境下开发实现的。ccd器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵ccd都是三相或四相驱动，多数线阵ccd都是二相驱动。ccd为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要对cpld输出的复位脉冲rs、移位脉冲(又称光积分脉冲)sh、箝位脉冲cp、采样脉冲sp，以及二相时钟脉冲φ1e、φ2e等各路驱动脉冲采用74hc14进行整形和驱动能力的放大，然后再送至tcd1501c器件的相应输入端，在ccd的模拟信号输出端将得到信号0s和补偿信号dos。tcdl501c正常工作时要有76个哑像元输出，一个扫描行周期内至少应包含有5 076个时钟脉冲，即tsh=5076×φ1e0.1μs，在本设计中tsh=5200×φ1e。由此可见，改变时钟脉冲频率或增加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常φ1e的频率设置为可调节的，这样可以根据ccd器件的实际应用环境灵活运用ccd器件的优点以改变光积分时间。只要条件允许，为降低ccd的电荷转移损失率。ccd驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率降低时，可以在示波器上观察到ccd输出信号幅值明显增强。

3.2 基于ad623的ccd输出信号差分驱动设计

ccd在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输出视频信号，复位脉冲rs每复位一次，ccd输出一个光脉冲信号。差分信号测量电路里差模和共模电压，vdiff是信号差模电压，vcm是信号共模电压，信号输出vout=r2/r1·vdiff=g·vdiff理想状态下，一般差模增益g≥1，而共模增益(％mismatch／100)×g／(g+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比(cmrr)就是差模增益g与共模增益的比值[3]。用对数形式表示：201g[(100／％mismatch)×(g+1)]。实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源中，如50hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在差分输入端，将会在输出端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的dc cmrr．还要有高的ac cmrr。

图2 ccd的os端和dos端输出波形

在电路设计中选用了adi公司的仪器仪表放大器ad623。ad623集成了3路运放，将视频信号及其补偿输出分别送至ad623的反相和同相输入端．在ad623的输出端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力。选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。

4结束语

驱动电路 篇3

摘要：发光二极管(LED)具有耗能少、寿命长、成本低等特点,近年来得到广泛应用。介绍了一种基于MAX1916芯片的亮度可调的LED驱动电路，利用改变脉宽的方法来改变LED的发光强度。

关键词： 发光二极管；驱动；脉宽

中图分类号：TN312+.8文献标识码：B

Development of LED Lightness Control Circuit Based on MAX1916

LI Liang-cheng ， ZHANG Yong-shun， LI Zhong-hong

(Staff Room of Medical Image, Bethune Military Medical College,

Shijiazhuang050081, china)

Abstract: Recently, LED has been applied widely. It has the characteristics of less consumption, longer life and lower cost. This article will introduce a sort of drive current of LED which is based on MAX1916.It adjusts the brightness of LED by changing the breadth of impulse.

Keywords：light-emitting diode(LED)；drive；pulse breadth

1 LED

近年来，随着能源短缺现象越来越严重，节能成为全世界共同关注的话题，绿色节能照明的研究也越来越受到重视。LED为全固态发光体、耐震、热辐射小、无污染，具有发光效率高、耗能少、单色性好以及使用寿命长等优点，近年来在各行业应用得到快速发展。目前，LED 应用主要集中在两个方面：一个是低亮度应用场合，包括手机、PDA 等小型电子产品的背光照明，电子仪表的照明等；另一种是需要高亮度的应用场合，主要采用高功率大晶粒 LED，光点集中，可以得到较高的亮度，利于光学设计。LED 的发光强度由驱动电流决定，驱动电流的大小和波动与LED发光强度有着密切的关系,进而对其稳定性和可靠性有着很大的影响。本电路采用恒流芯片MAX1916为LED提供驱动电流,实现发光强度稳定。

2 MAX1916芯片

Maxim公司生产的MAX1916是一种提供偏置电源的专用LED驱动芯片，采用六管脚薄型SOT23封装，尺寸小，可以代替传统LED设计中的镇流电阻。MAX1916利用1个电阻设置3只LED的偏置电流，匹配度可达0.3%，它具有出色的LED偏置匹配度，电源电压变化时偏置变化小、压差低，转换效率高。图1中VCC为电源电压（2.5~5.5V），VCTRL为控制电压，EN为使能端，当控制端输入电压大于2.5V时，器件工作，输出电流驱动LED燃亮；当输入电压小于2.2V时， LED1、LED2、LED3端呈现高阻抗，不能燃亮。

SET是偏置电流输入端，它与3只LED输出电流的关系为ILED= 230 x ISET，而ISET=(VCTRL-VSET)/RSET ，其中VSET = 1.215V,即：

ILED=230(VCTRL-1.215)/RSET

可以看出LED输出电流和控制电压VCTRL及RSET 相关，也就是说如果VCTRL和RSET值改变，则LED亮度也随之改变。

3 亮度可调LED驱动电路

如果需要改变LED亮度，我们可以通过改变VCTRL或RSET的办法进行，前者可采用单片机输出数字信号通过D/A转换来控制VCTRL电压，相对较复杂，而后者则稳定性能不佳。我们设计了一种通过改变EN端脉宽的方式来调节LED亮度。

图中的电阻R1、R2与运算放大器UA组成滞回比较器，电阻R与电容C组成的RC电路构成充放电回路，起反馈与延迟作用，电位器RA和二极管VD1、VD2的作用是将电容充电和放电的回路分开，并调节充电和放电两个时间常数的比例。如将电位器滑动端向下移动，则充电时间常数减小，放电时间常数增大，如将电位器滑动端向上移动，则放电时间常数减小，充电时间常数增大。

输出电路的振荡周期T为：

可以看出，调节变阻器RA2的阻值就可以改变输出矩形波的占空比，而总的输出周期不变。

4 小结

本电路中我们没有改变VCTRL和RSET值，因此LED发光强度并没有变化，但我们通过调整LED发光时间的方法可以改变LED亮度。电路中若电位器滑动端向上移动时，RA2阻值变大，矩形波占空比变大，则LED变亮，反之则变暗。注意设计中输出电路中的振荡频率不能太低，否则我们的的眼睛会感觉到闪烁，本电路中我们设定在振荡频率为100Hz以上。

作者简介: 李良成(1971-)，男，硕士，讲师，主要研究方向生物医学工程，E-mail：liliangcheng@126.com。

驱动电路 篇4

有机发光显示器(OLED)具有对比度高、亮度高、能耗低、视角宽、响应快、工艺简单、小薄轻、全彩坚固等优点,是当今平板显示领域研究的热点。OLED在手机、掌上PDA、数码产品、车载设备、电视以及军事仪器仪表等方面的高质量显示中应用前景广泛。

OLED通过包含R,G,B三基色的OLED亚像素组成基本彩色像素单元。OLED显示器的驱动方式分为无源驱动(Passive Matrix, PM)和有源驱动(Active Matrix, AM)。PM-OLED结构简、成本小、价格低主要用于低质要求的简单信息显示。AM-OLED适用于信息含量大、分辨率高的全彩色高品质画面显示设备。AM-OLED显示屏应用多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)将外围驱动电路集成在其周边,使每一个像素都保持选通并由TFT驱动点亮,又称TFT-OLED[1]。

虽然TFT-OLED显示技术在相关器件的稳定性和可靠性方面取得了一些成绩,但其配套驱动电路的开发还相对较少,市场的专用驱动芯片品牌稀少,品种单一,价格昂贵。因此如何基于现有较为成熟完善的TFT-LCD驱动芯片进行改进设计,并将其运用于TFT-OLED的驱动现实中具有重要的现实意义。

本文设计了基于FPGA和TFT-LCD芯片的外围驱动电路,实现了AM-OLED的64×3×80显示屏的彩色图像显示。

1 AM-LCD驱动原理

LCD的工作机理是: LCD加载外电场时,液晶分子方向布局的改变引起通透光透过率的变化,其外部表现为显示屏的亮度变化。图1是AM-LCD像素驱动电路原理。扫描线端口输入高电平启动开关管T,与此同时,数据线端口同步输入相应的数据电压信号,驱动点亮像素并向电容C充电。当扫描线端口换接低电压时T截止,像素靠电容C放电维持透光[2]。TFT-LCD矩阵采用逐行扫描方式工作。

2 AM-OLED驱动原理

图2所示为AM-OLED像素驱动原理图。与图1相比,图2中多了一个晶体管T2,扫描线端口输入高电平启动开关管T1,与此同时,数据线端口同步输入相应的数据电压信号,一方面向电容C充电,另一方面控制流过T2的电流的大小。当扫描线端口换接低电压、T1截止时,由电容C为T2管提供栅极电压,通过控制T2的漏极电流,可以维持像素发光并调节亮度[1]。

R,G,B三基色OLED像素需要进行白平衡亮度调节来实现彩色显示[3]。表1中是白平衡时实测的3种颜色OLED的工作范围和驱动电路数据线的输入电压范围。

OLED被施加外电压负荷时,从“+”“-”极进入的电子与空穴相遇并激发发光分子,经辐射弛豫发出可见光。图3为OLED的R像素的V-L(电压-亮度)和V-J(电压-电流密度)关系曲线,从中可以看出,OLED中L-V不呈线性比例,因此在图像数据编码时不能通过调节电压来改变其发光亮度。但是OLED作为一种电流型半导体发光器件,它随电流变化较为稳定,L-J大致成正比例关系。通过控制流过OLED的电流可以改变OLED像素的亮度,从而实现彩色AM-OLED显示[4]。

3 OLED驱动电路设计

3.1 显示屏驱动原理

AM-OLED显示屏显示方式为逐行扫描,通过把行、列扫描驱动电路集成到AM-OLED显示屏周边,达到精简结构、减少引线的目的。AM-OLED显示屏原理如图4所示。驱动电路在行、列扫描有效时为各个像素提供相应的驱动电压,即产生行、列驱动移位脉冲和移位起始脉冲[5]。

3.2 驱动芯片选择[2]

用LCD驱动芯片实现OLED的驱动,必须满足以下要求:LCD显示屏和OLED显示屏的驱动原理相似;LCD驱动芯片的驱动能力符合OLED显示屏对驱动电路的要求。图1和图2表明LCD和OLED显示屏都是有源矩阵结构,采用逐行扫描的动态驱动,驱动原理类似。LCD的驱动芯片常用的是SUMSUNG公司开发的行驱动芯片S6C0655和列驱动芯片S6C0671,这两种芯片的相关参数均能满足OLED显示屏对驱动电路的要求。

3.2.1 列驱动芯片S6C0671

图5是列驱动芯片S6C0671的内部逻辑结构。该芯片主要由64 bit移位寄存器、数据控制器、数据寄存器、数据锁存器、D/A转换器、数据输出缓冲器组成。

Y001-Y384为输出驱动端口,每个管脚输出64级灰度。每个彩色像素由3个R、G、B子像素组成,每个子像素由一个管脚单独控制,每个像素有256级灰度,这样,可显示16 777 216种颜色;SHL控制数据位移方向,当其为高电平时,DIO1为初始脉冲输入端,DIO2为初始脉冲输出端,输入数据方向由Y001 向Y384。当其为低电平时则相反;POL是极性输入端口,当其为低电平时,所有奇数列输出电压范围是VGMA1～VGMA9,所有偶数列输出电压范围是VGMA10～VGMA18 ,当其为高电平时,奇偶数列情况颠倒;CLK1脉冲用于锁存数据;CLK2脉冲用于将数据输入到数据存储器中;VDD1用于逻辑电压的输入;VDD2用于驱动电压的输入。

3.2.2 行驱动芯片S6C0655

S6C0655是SUMSUNG公司开发的TFT液晶显示器行驱动芯片,内部逻辑结构如图6所示。该芯片由128 bit移位寄存器、输出端状态控制器、输出缓冲器组成。

S6C0655有2种输出模式,当120/128端为低电平时,芯片为128路输出模式;当120/128口为高电平时,芯片为120路输出模式(其中G061～G68空置)。U/D是移位方向控制端,当端口为高电平时,移位方向是:初始脉冲→DI/O→G001→G002→…→G127→G128→DO/I;当端口为低电平时则相反。CPV是移位时钟输入端,移位寄存器由CPV上升沿触发。

3.3 驱动电路设计

OLED驱动电路的基本原理是:当行选通信号处于使能状态期间,列驱动芯片S6C0671中的数据线块依次呈选通状态,在此期间外部不同的电压水平数据轮番施加在各个OLED像素电路上,从而导致流过OLED的电流也呈现波动状态,最终实现显示屏亮度显示差异。

基于以上论述,选用FPGA控制器、驱动芯片S6C0671和S6C0655、外围电路(由译码器、锁存器等组成)构成AM-OLED驱动电路,其原理图如图7所示[6]。

在图7驱动电路原理图中,FPGA控制器是电路的核心,提供E2PROM,外围电路,S6C0655和S6C0671所需的控制信号,并完成数据的传输,工作流程如图8所示。

电路工作时,FPGA从E2PROM中读取X字节数据经外围电路传给S6C0671,S6C0671芯片将数据存储在数据寄存器中,FPGA控制S6C0655发出行扫描信号和Block信号,并给S6C0671输人CLK1, CLK1上升前沿到来,数据寄存器中数据被锁存并经D/A转换后经输出缓冲器传输给显示屏,即完成了一帧的显示,这个过程周而复始即形成了连续的显示画面[7]。

4 结语

本文基于OLED的应用情况,对AM-LCD和AM-OLED的驱动原理进行了深入的阐述,并结合理论进行了基于TFT-LCD芯片的AM-OLED驱动电路设计。本文对基于现有成熟完善的TFT-LCD驱动芯片进行改进应用于TFT-OLED的电路驱动设计方面具有一定的参考价值。

通过本文的分析研究,TFT-LCD驱动芯片经以少许改动后可以方便的应用于AM-OLED显示屏的驱动电路中。实际应用中还有许多方法可以实现此类设计目的,本文中的阐述仅是这方面应用的一个简单举例,希望能够起到抛砖引玉的作用。

摘要：基于OLED的应用对AM-LCD和AM-OLED的驱动原理进行了深入的阐述,并结合理论进行TFT-LCD芯片的改进设计,将其应用到AM-OLED的驱动电路当中。对基于现有TFT-LCD驱动芯片在OLED驱动电路中的改进应用具有一定的参考价值。

关键词：LCD,OLED,驱动电路

参考文献

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驱动电路 篇5

关键字：DSP； SPI； 数模转换芯片

在工业现场，存在许多的电流驱动型的电气设备，仪器仪表，例如机车用的双针速度表等。而且与电压信号相比，电流对噪声并不敏感，所以如果用电流来传输信号的话可以避免传输线受到噪声的干扰造成系统不稳定甚至误操作。在工业自动化控制系统，及仪器仪表、传感器应用中，广泛采用4~20mA电流来传输控制、检测信号。本文就是针对此类设备和仪器仪表，阐述设计输出驱动电流范围从0~20mA的方法。

1 硬件设计分析

1.1 总体结构说明

本设计主控制器件选择TI公司的TMS320F28335，数模转换芯片选择TI公司的DAC7311芯片，后端的差分放大器选择INA132U。整个设计的结构框图为图1所示。

1.2 主控制器使用分析

本设计数模转换器DAC7311与主控制器的接口采用SPI(Serial Peripheral Interface)接口。SPI接口是一种高速串行输入输出接口用于CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度可达到几Mbps。

本文主控制器为TMS320F28335系列的DSP。芯片内部集成有SPI模块，与SPI模块相关的信号线为SPISIMO；SPISOMI；SPISTE；SPICLK。本设计只用到SPISIMO和SPICLK，并且用一个普通的GPIO引脚用作DAC7311的同步脉冲输入信号(DACS)。本设计SPI模块采用主模式工作，波特率选择250Kbps，传输的数据位数为16位，时钟方式为无延迟的上升沿方式(Rising edge without delay)即SPI模块在上升沿的前半周期发送数据，在上升沿接收数据。主控制器控制着整个设计的工作流程，首先它给从器件DAC7311的同步输入脉冲引脚输入低电平DACS，选中DAC7311并对其进行初始化。然后通过SPI模块设定串行传输时钟脉冲，并且也决定着从器件数模转换器DAC7311的波特率。SPI模块的内部结构框图如图2所示。如图可知，在时钟脉冲的控制下，数据从SPIDAT移位寄存器按既定的波特率从SPISIMO引脚按位移出数据入DAC7311的数据输入引脚。

1.3 DAC7311数模转换芯片介绍

DAC7311芯片是一个12bit的，低功率、单通道、电压输出的数模转换芯片。采用通用的三线串行接口，时钟频率可达50MHz与标准的SPI，QSPI，数字信号处理器(DSP)的接口兼容。

它内部的数模转换采用的是电阻网络的组成形式。它的结构框图如图3所示，其中AVDD由外部的基准源提供了。二进制位流从DAC Register移入芯片，通过电阻网络(Register String)转换为相应的电压，通过输出放大器输出。

DAC7311的输入位流为标准的二进制位流，其输出电压计算公式为

VOUT=AVDD×(1)

其中n为转换精度(本设计为12)；D为输入的二进制流对应的十进制值；AVDD为外部基准源电压(本设计为4.096V)。

1.4 V/I转换电路的分析

本部分电路主要是对数模转换芯片DAC7311的电压输出V_OUT进行处理，把电压输出转换为电流输出。在V/I转换电路中采用一个差分放大器INA132U作为输入端，能够起到抑制共模和零点漂移的作用。电路原理图如图4所示。Q1和Q2组成复合管，电流放大倍数为两个管子各自的电流放大倍数的乘积，有效的增大了电流的输出范围。并且与采用单管相比可以大大缓解工作负荷以及发热量。U2为运算放大器，采用射极跟随的接法。它的输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0。这样，就能够起到增大输出驱动电流的作用。因为，从R1(精密电阻)支路流出的电流就全部从负载Rload流出以驱动后级的仪表设备。

根据图4以及运算放大电路的“虚短”和“虚断”的概念可以得出输出驱动电流的计算公式为

I_out=(2)

从公式中可以得出输出的电流只与DAC7311的输出电压V_out和精密电阻R1大小有关。其中由软件编程设定，如果R1确定，那么电流的输出范围就完全可以通过软件编程设定。

2 软件设计分析

本设计的软件集成开发环境为CCS3.3(Code Composer Studio 3.3)，采用查询的方式进行软件设计。根据DAC7311的datasheet可知，其输入移位寄存器为16位，故要求F28335的SPI模块发送的数据为16位，且最高两位(PD1，PD0)为模式选择位，见表1，本设计采用正常模式。接下来的12 bit为数据位，最后两位任意。

软件设计的流程图如图5所示。

SPI初始化子程序主要是对F28335中与SPI模块及本程序相关的GPIO口进行设置；SPI的FIFO寄存器设置；SPI控制及状态寄存器进行配置。通过公式(1)和(2)，得出不同的输出电流对应的二进制值sdata。并通过软件编程给变量sdata复不同的16位二进制数值(最高两位为"00")。

3 数据分析

由于受DA转换器的转换精度，分辨率，建立时间，十进制与二进制的转换误差，以及其他元器件特别是精密电阻R1的精度的影响，理论值与实测值有一定的误差。表2为不同的12位二进制值对应的输出电流值(R1=125Ω±0.1%)，测试工具为福禄克FLUKE741B校准器(电流测量精度及范围为：30.000 mA 0.01% + 0.015%)。

4 结束语

一种新型外驱动同步整流电路 篇6

关键词：同步整流,自驱动,外驱动,正激变换器

0 引言

目前,电力系统二次设备中测控、保护类装置数字化接口的增多,导致装置的功耗越来越大,装置电源的输出电流达到十几安培甚至更大,使得降低装置电源的固有损耗、提高其效率显得尤为重要。因此,设计这类电源时一般要采用同步整流技术[1,2,3]。同步整流技术可以分为外驱动技术和自驱动技术:外驱动技术常采用专门的同步整流驱动控制芯片和隔离芯片,能够提供较好的控制时序,但电路复杂,成本高;自驱动技术是正激变换器中比较常用的技术,简单自驱动方法简单,成本低,但驱动波形不理想,会存在一段驱动死区,降低了变换器的效率[4,5]。栅极电荷自维持驱动电路是比较好的自驱动技术[6,7],可以解决驱动死区问题,但存在较大的共态导通问题。改进的栅极电荷自维持驱动电路[8,9,10]可以进一步改善共态导通问题。文献[8]提到了控制延时方法消除共态导通,但未给出具体的实施方法;副边电流驱动[7]是自驱动技术的另一种形式,但驱动电压波形仍不够理想。另外,在自驱动技术中,同步整流金属氧化物半导体(MOS)管的驱动电压均来自于变压器绕组电压,工作在较宽的输入电压范围[11]时,驱动电压的幅值变化范围较大,给同步整流管的驱动设计带来困难。

本文提出了一种新型外驱动同步整流驱动电路,结合了外驱动和自驱动技术的特点,无需专门的驱动芯片,利用驱动变压器实现驱动隔离,可以解决驱动死区和共态导通问题。同时,驱动电压波形不是取自变压器绕组,幅值比较稳定,驱动波形不再受主变压器影响,抗干扰能力强,可以在较宽的输入电压范围下可靠工作。

1 新型外驱动同步整流电路

以变压器辅助绕组磁复位正激变换器为例,采用同步整流技术时,需要解决3个问题:(1)驱动死区,是指续流MOS管不能在续流期间完全导通,续流电流流过二极管,损耗大;(2)共态导通,是指变换器工作整流开始阶段,续流MOS管不能及时关断,变换器会出现副边短时短路,其会带来MOS管损耗增加,电压、电流尖峰大,电磁兼容恶劣的问题;(3)驱动电压波形,正激变换器工作在宽输入电压时,同步整流MOS管的栅极存在耐压的安全隐患。本文提出的新型外驱动同步整流驱动电路能很好地解决上述3个问题。图1是新型外驱动同步整流驱动电路。同步整流MOS管的驱动信号取自控制芯片(如UC3844)驱动脉冲,驱动信号一路通过延时送到原边MOS管,同时通过隔离变压器传递到副边,并通过增强、转换后送到2个同步整流MOS管。

图中:C1为MOS管Q1的栅极寄生电容;Cb为驱动变压器T2的隔直电容;Q2和Q4为同步整流MOS管;Q3为给Q4门极电荷快速放电的MOS管;LO为耦合滤波电感,匝数比关系为NO1/NO2=NS1/NS2=VO/VCC;Lr为变压器漏感(含变压器副边折合到原边的漏感)。变压器T1输入电压为Vin,匝数比n=NP1/NS1=NP2/NS1;变压器T2匝数比为1∶1,占空比为D(最大0.5),原边驱动脉冲udr的幅值为VC1,则变压器T2副边电压为(1-D)VC1。

图2为新型外驱动同步整流电路的主要工作波形。

分析前,作如下假设。(1)Q1开通的门槛电压为VT1;耦合滤波电感LO足够大,认为电感电流即为负载电流IO;隔直电容Cb足够大。(2)副边驱动电压源VCC的电压是恒定的;当(1-D)VC1≥VCC时,u2的幅值为VCC;当(1-D)VC1<VCC时,u2的正向幅值为(1-D)VC1,负向幅值为DVC1;变压器T1副边电压uS1幅值大于VCC;u3的幅值为VCC。(3)忽略驱动变压器T2信号的传递延时,忽略Q5和Q6的开通延时,并且驱动能力足够,忽略Q2的开通延时,所有二极管均是理想器件。

下面对新型外驱动同步整流电路的工作过程进行分析,一个开关周期可以分为7个工作阶段,工作过程描述如下。

1)阶段1,[t0,t1]:在t0时刻,驱动脉冲udr由低电平变为高电平,由于驱动电阻R1和MOS管栅极寄生电容C1的存在,栅极电压u1近似线性上升,驱动信号可以认为无延时地通过变压器T2传递到副边,Q5开通,MOS管Q2和Q3的门极电压u2迅速上升,Q3开始导通,Q4栅极电荷开始放电。这段时间内变压器T1磁复位已经完成,变压器原、副边电压为0,Q6处于关断状态,负载电流全部流过Q4,副边处于续流状态。

2)阶段2,[t1,t2]:在t1时刻,MOS管Q4的门极电压u3降到0,Q4作为MOS管部分关断,续流电流iD继续通过体二极管流过,tdd=t1-t0为规避时间,常规栅极电荷自维持驱动电路在该时间段会出现共态导通。这段时间内变压器T1的原、副边电压仍为0,副边处于续流状态。

3)阶段3,[t2,t3]:在时刻t2,u1线性上升到VT1,MOS管Q1开通,由于漏感Lr的存在,输入电压Vin加在漏感上,变压器T1原、副边电流近似线性上升,变压器副边电压仍为0。

4)阶段4,[t3,t4]:在t3时刻,变压器T1副边电流iS上升到负载电流IO,变压器原、副边电压迅速上升,Q4完全关断,其作用只相当于一个二极管。tss=t3-t0为安全时间,只要tss>tdd,就不会出现共态导通过程。在t3时刻,Q2已经处于完全开通状态,变压器T1副边进入整流状态,原边向副边传递能量。

5)阶段5,[t4,t5]:在t4时刻,驱动脉冲udr由高电平变为低电平,MOS管Q1关断,变压器T1原、副边电流谐振减小(近似线性下降),MOS管Q2的栅极驱动关闭,副边电流iS流过Q2的体二极管并近似线性减小,续流MOS管Q4的体二极管首先开始导通,续流电流iD近似线性上升,变压器T1原、副边电压为0。

6)阶段6,[t5,t6]:在t5时刻,变压器副边电流iS降到0,MOS管Q2完全关断,续流电流iD上升到负载电流IO,变压器复位绕组NP2开始进行磁复位,变压器T1副边电压开始迅速负方向上升,三极管Q6导通,续流MOS管Q4的栅极电压u3迅速上升,MOS管Q4开通,续流电流由体二极管转到MOS管上。图中的二极管D3可对Q4的栅极电压u3进行钳位,也可以依靠三极管Q6本身的PN极对u3进行钳位。

7)阶段7,[t6,t7]:在t6时刻,变压器T1磁复位完毕,变压器原、副边电压变为0。tdead=t7-t6为常规自驱动的死区时间,续流MOS管Q4驱动电压会降为0,从而造成续流电流iD流过二极管。而图1给出的驱动电路不存在这个问题,续流MOS管Q4的栅极电荷没有放电回路,会处于自维持状态,续流电流iD仍然通过MOS管Q4流过。

t7时刻,驱动脉冲udr再次由低电平变为高电平,变换器进入下一个工作周期。在阶段2和阶段5过程中,副边电流和续流电流会短时地流过二极管,但由于时间很短,其损耗几乎可以忽略。

需要指出,对于占空比大于0.5的正激变换器,采用该驱动电路时,变压器T2的匝数比需要适当调整,防止MOS管Q2和Q3的驱动能力不足。同样地,在设计宽输入电压工作时,要注意变压器T1副边在最低输入电压时能保证通过Q6到MOS管Q4的栅极电压不会太低。

2 安全时间的计算

新型外驱动同步整流电路有2个时间很重要:一个是规避时间tdd,另一个是安全时间tss。tss>tdd是防止出现共态导通的条件。但是,tss并不是真正的安全时间,真正的安全时间tsafe=tss-tdd,即绝对安全时间。下面分别对它们进行计算。

规避时间tdd是指驱动脉冲udr从低电平变为高电平开始,到续流MOS管Q4关断的时间。设三极管的放大倍数为hEF,MOS管Q2和Q3的栅极电容为Cissa,Q3的门槛电压为VTa,Q3的内阻为Rsa,MOS管Q4的栅极电容为Cissb,门槛电压为VTb。

Q3的开通时间ta为:

从Q3开通到Q4关断的时间tb为:

规避时间tdd为:

安全时间tss也分为2个部分:一个是MOS管Q1的开通时间ts1,即栅极电压上升到VT1的时间;另一个是漏感电流上升时间ts2,即变压器T1副边电流iS由0上升到负载电流IO的时间。则安全时间tss为:

当tsafe=tss-tdd≥0,就不会出现共态导通。

3 实验波形和效率曲线

实验参数如下:输入的直流电压为100~300V;输出的直流电压为5V;输出的负载电流最大为16A;原边开关管型号为FQP8N90C;同步整流MOS管型号为IRF1405;变压器漏感Lr为3μH;开关频率为60kHz。

MOS管Q1和Q4的驱动电压(u1和u3)波形如图3所示。图3(b)是图3(a)在开通瞬间(t0时刻)的展开图,从图中可以看出,规避时间tdd大约为100ns。

变压器副边电压uS1的波形和MOS管Q4的驱动电压波形如图4所示。图4(b)是图4(a)在关断瞬间(t1时刻)的展开图,从图中可以看出绝对安全时间tsafe大约为130ns。

采用新型外驱动同步整流电路的正激变换器在不同输入电压和不同负载下的效率曲线见图5。

需要指出的,试验采用的正激电源是一个完整的电源,含输入电磁兼容抑制和输出保护电路等。从效率曲线可以看出,输入电压低时效率较高,在半载(8A)时最高效率为88%,如果只考虑变换器本体部分的转换效率,其效率要比实测的还要高。同时,由图5可见在输入电压高、输出电流小时效率较低。实际工程应用时,变换器通常是在比较固定的输入电压(如220V左右)和输出负载(如12A左右)条件下工作的,高输入电压和轻载只在一些极端情况和调试时会出现,并不会降低其工程实用性。

4 结语

新型外驱动同步整流电路能够使正激变换器工作在宽输入电压场合,解决了自驱动技术存在的驱动死区和共态导通问题,抗干扰能力强,在电力系统中具有很好的工程实用价值。

该同步整流驱动电路除了适用于变压器绕组磁复位的正激变换器,还适用于多种脉宽调制型正激变换器,如双管正激变换器等。

参考文献

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[8]顾亦磊,黄贵松,章进法,等.一种新颖的同步整流驱动电路[J].中国电机工程学报,2005,25(5):74-78.GU Yilei,HUANG Guisong,ZHANG Jinfa,et al.A novelsynchronous rectifier driving circuit[J].Proceedings of theCSEE,2005,25(5):74-78.

[9]胡宗波,张波,赵磊.一种应用同步整流技术的高效率正激变换器的设计[J].电工电能新技术,2002,21(4):69-73.HU Zongbo,ZHANG Bo,ZHAO Lei.Design of high efficiencyforward converter with synchronous rectification[J].AdvancedTechnology of Electrical Engineering and Energy,2002,21(4):69-73.

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对大功率LED驱动电路的研究 篇7

1 功率LED驱动的研究现状与意义

1.1 大功率LED驱动电路的研究现状

随着科技的不断发展, 对大功率LED的研究力度不断地加大, 并且通过材料、制作工艺以及相关技术的改进, 大功率LED的各种性能得到了很大程度地提升, 它被广泛地应用到背光和显示面板市场, 起到了很好地推动作用。同时大功率LED也被广泛地应用到其它的领域, 比如说室内外照明、汽车照明等。由于大功率LED是一种敏感的半导体器件, 在考虑如火如何保持工作稳定性的过程中, 产生了驱动的概念, 大功率LED驱动电源是大功率LED正常地、稳定地工作的重大保障, 可以说LED驱动电源的品质直接制约了LED产品的可靠性。

在大功率LED快速发展的时代, LED产品的质量也是得不到必要的保障, 其最根本的原因还在于大功率LED驱动电源的质量良莠不齐。但是不管怎么说, 大功率LED的迅速发展给LED驱动电源企业创造了很好的发展机会。不过LED驱动电源企业要想得到更好的发展就必须解决好几个难题, 第一, 驱动电源转换效率过低是一个困扰驱动企业发展的一个重大的难题, 它直接影响了LED节能效果的发挥;第二, 驱动电路寿命短也是一个很致命的问题;第三, 驱动电源成本比较高, 这也是一个困扰企业发展的难题。总之, LED虽然在迅速地发展, 但是发展中存在很多限制性因素[1]。

1.2 大功率LED驱动电路的研究意义

大功率LED是一个重要的发光系统, 它是将电能转化成光能, 给人们的生活带来无限的光明。然而, 如何高效率地将电能转化成光能是一个重大的课题, 在科技不断创新的大背景下和对LED驱动研究地不断加深, LED光效一定会得到很大程度地提升, 这种情况下也会使得LED成本大幅度下降, 在不久的将来LED会逐渐地取代其它的照明工具, 这种绿色光源的产品将成为未来的主要照明工具, 而且会因为LED的节能、环保以及使用寿命长的特点, LED光源会被广泛地应用到各个领域, 总的来说对大功率LED驱动的研究就意味着大功率LED有着比较光明的前景, 同时也预示着我们将进入一个节能、环保的新时代[1]。

2 LED照明的优点

(1) 响应速度快, 使用寿命长

LED照明具有很多明显的优点, 其中响应速度快, 使用寿命长是比较典型的优点。LED具有纳秒级的响应速度, 开关时间非常短, 几乎没有启动延迟, 这个优点使LED照明实现了亮度和色彩的动态控制;另外, LED还表现出了使用寿命长的优势, 与普通的照明设备相比, LED的使用寿命要高出数十倍, 使用寿命可长达10万小时以上, 并且LED灯可以长时间使用, 不用更换。这是一个非常有竞争力的优点, 是其它照明设备无法比拟的。

(2) 光线质量高

LED灯的另一个照明优势表现为光线质量高、发光效率高, 传统的照明设备大部分的电损耗都转化为了热损耗, 光转化效率很低, 而LED灯的光效要比其它的照明设备高出很多。而且LED的光单色性好、光谱窄, 表现出光线质量高的优势, 它不需要过滤就可以直接发出有色的可见光。

(3) 节能环保、安全性好

节能环保, 安全性好也是LED灯的一个非常有竞争力的优点, 节能已经成为21世纪的一个热门话题, 而LED灯正好迎合了这一点, 它的光电转化效率很高, 要比白炽灯和荧光灯高出很多。另外, LED灯的安全性也很高, 并且很环保, 这都是缘于LED灯发热量低;无热辐射、不含汞、钠元素等可能危害健康的有毒有害物质;采用直流供电, 没有电磁干扰;机械强度高, 耐震、耐冲击而不易破碎, 具有可靠的高稳定性。

(4) 结构牢固、设计方便

在众多LED众多的优点中, 结构牢固, 设计方便也是一个很典型的优点, 这个优点主要表现为在实际生产中, LED灯很少会因为损坏而增加运输成本, 它的体积小、重量轻, 而且抗震能力强。另外, 在照明的设计过程中可以逃脱传统的点、线光源的束缚, 实现随意布局设计[2]。

3 LED发光原理及电学特性

(1) LED的发光原理

LED是发光二极管的缩写, 它是一种可将电能直接转化为光能的器件, 而且转化效率很高, 它的高效电转化能力源自它的正向导通、反向截止以及击穿特性, 即在正向电压下, 电子由N区注入P区, 空穴由P区注入N区, 就这样实现了电能和光能的转化。而且, 通过对激发光波长的控制可以实现对光颜色的控制, LED的优势也由此得以展现。另外, 在电能转化过程中, 工作电压的大小可以影响LED的发光效果。通过这些发光原理就可以更好地控制LED。

(2) LED的温度特性

虽然LED不是一个温度敏感器件, 但是也会受到温度的影响, 当温度超过一定值, LED的牲能也会有所降低。在研究过程中发现, 当温度发生一定的变化时, LED的正向电流也随之发生了变化, 有时候甚至发生大幅度地变化, 这种电流的变化会很大程度地影响LED的光转化效率[3], 所以说要想保证LED的光转化效率就需要保持合适的温度环境, 做好必要的散热工作是必须的。

(3) LED的光特性

LED的光特性主要是以LED的发光原理为依据, 即在LED两端加正向电压驱动时, 少数载流子与多数载流子复合而产生光, 如果想要增强光线的强度, 就需要增加少数载流子与多数载流子的数量, 也就是说LED的发光亮度与流过的正向电流是存在很大的正相关关系, 当增加了LED的工作电流也就控制了它的发光亮度。

4 功率因数校正技术分析

在实际应用过程中, 很多情况下都需要将交流电转化为直流电, 而这个转化过程是一个相对复杂的过程, 一般情况是需要采用全桥整流电路来实现, 同时还需要通过二极管的整流作用, 由于受到二极管的作用, 交流输入电将完成对电容的充电过程, 如果输入电压比储能电容低, 电容将完成对负载的放电过程, 这样就可以保证负载输出的稳定, 这就是所谓的功率因数校正[3]。

5 结语

LED是新时代的一种非常受欢迎的光设备, 给人们生活带来很大的便利, 而且它的发展也迎合了节能、环保的世界发展主题, 它的很多优点都是非常有竞争力的, 为了将它的作用发挥到更大, 就要加大对LED的研究力度, 充分地利用LED所展现出的优势。

摘要：由于照明能耗在能源消耗中所占的比率很大, 考虑到日益严重的环境问题和资源危机, 很多国家开始制定半导体照明计划。大功率LED电源是一种半导体电源, 这种电源因其独特的优点受到人们的青睐, 成为业内的研究热点。本文主要介绍大功率LED驱动电路的优点、工作原理等, 旨在为大功率LED驱动电路的推广提供一定的理论指导。

关键词：大功率,LED驱动电路,原理

参考文献

[1]杜松林, 程行, 王瑾.大功率LED驱动电路研究设计[J].电子技术.2011 (06) :24-25.

[2]阙斐一, 陈名松, 秦琳.新型大功率蓝光LED光源驱动电路设计[J].电子设计工程.2011 (07) :34-36.

数字电路课程的任务驱动教学初探 篇8

关键词：数字电路课程教学,任务驱动教学,应用探索

数字电路是电子、通信、电气和计算机等专业学生的必修课,具有很强的实践性。根据数字电路学科特点,在课程教学中合理运用任务驱动教学有利于激发学生的学习兴趣,培养分析、解决问题的能力,提高其自主学习能力。

一、任务驱动教学的内涵

任务驱动是以“以任务为主线、教师为主导、学生为主体”的互动式教学模式,对学习者来说是一种学习方法,主要适用于实作类知识和技能的学习。所谓任务驱动就是教师的学和学生的习都是围绕任务展开的,着重培养学生自学能力、独立分析和解决实际问题的能力。这种教学法改变了以往“教师讲,学生听”的被动教学模式,真正实现了学生主动参与、自主协作、探索创新,将以传授知识为主的传统教学理念转变为以解决问题为主的互动式教学理念,在教学过程中突出了学生的主体地位,能够积极调动学习的积极性和创造性,达到锻炼实践动手能力、培养创新精神和创新意识的目的。

二、数字电路课程教学现状

目前的数字电路课程教学主要以理论知识的课堂讲授为主,辅以少量学时的实践教学环节。这种将理论教学与实践教学剥离开来的教学模式,直接导致了学生学习、消化了理论知识后,还要二度学习将理论知识应用到数字电路的分析、设计、制作等实作环节中,无形中增加了学习成本,降低了学习效率。

多数院校的实践教学环节以单纯的验证性实验为主,比如基本门电路的功能测试、各种集成器件的功能测试、触发器功能的测试等,更是制约了学生的创造性发挥。值得一提的是,现在许多院校购置了各类集成的实验箱。这些“先进”的教具使用起来十分方便,学生甚至不用做任何准备工作,只需对照书本接插几根导线就可以完成电路的搭建。但是学生从这样的实践教学中根本无法锻炼实践动手能力,更谈不上运用理论知识解决实际问题了。

由于数字电路的学科特点,引入任务驱动教学具有较强的可操作性,比较容易做到,效果比较明显。课程以综合任务为纲领,以目标任务引导理论教学,可取得很好的效果。

三、任务驱动教学法的应用探索

1. 精心设计任务

任务驱动是一种有效的学习方法,确立合适的任务是任务驱动教学法实施效果良好的关键。

首先,教师要将数字电路课程总体目标模块化,并把每一个学习模块的内容细化为一个个容易掌握的任务,通过这些任务体现总的学习目标。其次,根据数字电路的学科特点,将任务分为理论问题任务、实验任务及项目任务三种形式,确定每个任务的形式后,教师应根据专业、学生的情况,适时根据课程进度和课程内容,选择与当前学习主题相关的任务内容和相匹配的任务形式。最后,在设计任务时应因材施教,针对学生的实际水平确定任务的难易度,使其具有一定的容量和梯度,除要求所有学生都要完成的基础任务外,对学有余力的学生可提出更深层的任务。

2. 科学组织实施

(1)营造和谐教学环境。教学是师生互动的一个动态过程,积极主动的教学氛围和融洽和谐的师生关系有助于和谐教学环境的营造。在教学过程中,教师要努力营造民主和谐的学习氛围,构建平等的师生关系,使学生对课堂产生安全感和愉悦感,从而调动学习的主动性和积极性,敢于和善于在教师面前提出问题和发表看法,使师生、生生保持某种对话式的、互动式的、学生自主的学习环境,为“任务”的实施提供软环境。

(2)注重师生角色。从建构主义教学理论来看,任务驱动教学法最本质的特征就是在教师的指导下,学生寻找结果的途径,关注的重点在于学习的过程而并不是学习的结果。让学生带着明确的实际任务学习,学生拥有学习的主动权。教师既可以是任务的参与者,又可以是任务的监控者和指导者。所以,当学生在实施的过程中遇到实际困难时,不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题,而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索。教师要帮助学生学会如何通过查阅书籍、计算机网络、图书馆等途径收集信息,以及教会学生如何运用某些计算机软件对数据处理,通过什么途径寻找相关任务的解决方法,等等。

(3)培养团队精神。由于数字电路的学科特点,同一任务的提出往往会有多种解决方案。在任务驱动教学过程中,一些目标任务需要多人合作完成。因此,在教学过程中,视情况可建立若干个学习团队。在学习团队工作中,成员可以互相交流、彼此争论、互教互学、资源共享、共同提高。在团队中,每个人都可以发表自己的观点与思路,展示搜集的信息资料,提出思考的解决方案。当学生在一起讨论时,他们不仅可以获取更多的信息资料,获得更多的解决思路,还可以从更多的解决方案中优选,以获取最佳方案,学到的知识也会更多。当学生在融洽合作、和谐工作时,有利于培养良好的人际技能和团队精神。

(4)完善评价体系。评价是教学过程中不可或缺的基本环节,通过评价能够不断促进学生探究水平的持续发展和提高。从评价的内容看,任务驱动法的评价可包含两部分,一是对学生实施任务、解决方案的过程和结果作评价;二是对学生自主学习、团队协作评价。评价的重心应从结果转向过程,强调形成性评价,重视学习过程评价与非智力因素的评价。考核内容不仅仅是技能考核,还包括学生在实践过程中,表现出自我管理、沟通合作、解决问题和完成任务时的设计和创新等方面的能力等。从评价的形式看,应采用多元化评价,坚持将阶段性评价和终结性评价相结合、团队评价和个体评价相结合、自我评价和教师评价相结合的原则,全方位评价学生。

步进电动机原理及其驱动电路研究 篇9

关键词：步进电动机,数字控制,驱动电路

传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电机。近50年来,步进电机迅速发展而成熟起来,从发展趋向来讲,步进电机已经能与直流电动机,异步电动机,以及同步电动机并列,成为电动机的一种基本类型,步进电机己成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

1 步进电机的工作原理

步进电机是一种完成增量运动的电磁机械。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角,并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上。步进电机是离散型自动化执行元件,是自动控制系统中的重要执行部件,它在系统中可实现变换脉冲数为转轴的角位移,起电磁制动器、电磁差分器、电磁减速器和角位移发生器等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的元件,其转轴输出的角位移量与输入的脉冲个数有关,通过控制输入脉冲个数来控制步进电机的角位移量,而通过控制脉冲频率可实现调速。

步进电机只要由定子和转子组成。定子的主要结构是绕组,两相电机即有两个绕组,其它以此类推。绕组按一定的通电顺序工作,这个通电顺序称为步进电机“相序”。转子的主要结构是磁性转轴,当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电,断电工作时,转子周围就会有一个按规律变化的电磁场,因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上,转子总是力图转动到磁阻最小的位置,正是这样,让转子按一定的步距角转动,使转子发生转动。步进电机步距角θ的计算公式:θ=360°/NZ,其中N为步进电机中一个通电循环的拍数,Z为转子齿数。其中常见的反应式步进电机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极),每2个相对的磁极(N、S极)组成1对,共有3对。每对磁极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样3对磁极有3个绕组,形成三相。可以得出,四相步进电机有4对磁极、四相绕组,五相步进电机有5对磁极、5相绕组……依此类推。每个磁极得内表面都分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量中)当转子与定子错开一定角度产生力,力矩与电机有效体积正比,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。

2 步进电动机的驱动电路

步进电机驱动系统中,控制器与驱动器之间的连接分为串行和并行控制两种。串行控制时,控制器输出时钟脉冲串和方向电平,靠驱动器中的脉冲分配器转换并行驱动信号,去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定了步进电机的运行或停止,脉冲频率决定步进电机运行的速度,方向电平决定运转的方向。并行控制时,控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号,此时,脉冲分配器设在控制器中,除了由软件来代替脉冲分配器的功能外,不论是串行控制还是并行控制,整个系统中都必须有脉冲分配器这个环节。大部分PLC调速器采用与该PLC能够配套的驱动器和对应的步进电机,如图1所示。

步进电机可直接用数字信号控制,无需反馈可开环工作,无累积定位误差,控制精度高,因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,使用面向过程、面向用户的简单编程语言,用户可通过软件设计,实现各种复杂的逻辑控制。

从应用的角度来看,制约步进电机的两个问题是失步和振荡,由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式,它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。在多种情况下会产生失步,比如启动或停止频率超过突跳,电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率,所带负载转矩超过了启动转矩,共振等。通过改善驱动器的性能,可以减小运行中失步的可能。步进电机低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极限频率下做连续步进运行,即改变一次通电状态,转子转过一个步距角。如果阻尼较小,这种运动是一个衰减的振荡过程,转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲,转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充,这种能量越大,振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡,甚至失步导致无法工作,一般不允许在共振频率下运行。

3 结束语

步进电机伺服系统具有价格低,简单,可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点,但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点,使它的使用范围受到限制,针对存在的问题,随着新材料、电机设计与制造技术,电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步,为步进电机驱动器性能的提高提供了条件,出现了许多步进电机驱动控制方式。步进电机控制系统由控制器,驱动器和步进电机组成。它们之间是相互配套的,目前的驱动器一般都为集成产品,而不是由分离产品构成,主要应用于各种工业场合,而对于小型水电站及对步进电机要求较低的场合,良好的步进电机驱动电路,应该是能够使步进电机在较大的转速范围内都有很强的负载能力。且要运转平稳,降低噪音,还要在一定程度上提高步进精度。

参考文献

[1]刘志永.浅析步进电机的PLC控制技术与发展趋势[J].科技资讯,2006,(27).

[2]孙平,邢军.PLC控制步进电机驱动系统[J].河南师范大学学报(自然科学版),2001,(4).

[3]王赟,刘伟.基于PLC的步进电动机控制系统的设计[J].科技信息,2009,(5).

基于驱动电路的自制分光光度计 篇10

一束光线穿过棱镜或衍射光栅就会输出所产生的光谱中, 在一定范围内被选中的波长的光通过一个狭缝射出, 穿过样品, 撞击检测器。

检测器由驱动电路构成, 可以将光学信号放大并做定性测量。

通过这种方式, 可以建立一个“光谱指纹”的目标样品, 用于检测样品中的成分。

需要强调的是, 这种设备不能与商业系统相比, 但可以做粗略的分析与教学仪器使用。

2 所需材料

对于步进电路:

步进电机、步进电机驱动电路、Arduino板、2个10kΩ电阻、2个1KΩ电阻、L293D H桥、2个NPN晶体管 (可选用BC547A) 、电源

对于检测和放大电路:

一个运算放大器 (如TL081) 、LDR、一个2K2Ω电阻、一个4k7Ω电阻1个LED

通用零部件:底座 (模型店有售) 、比色皿、衍射光栅, CD或DVD、灯泡和或白光LED、

金属或纸板、按钮光源、热胶

3 制作方法

(1) 我们需要一个光源, 可以通过一个小灯泡或白色LED实现。我们可以先用两种光源做个试验来决定哪一个最适合我们的光度计。找到一些塑料片 (或任何其他材料) , 用热胶将灯泡与底座粘结。

对于LED, 需要找到特殊形式的连接器 (可以剪下部分老IDE连接器) 然后在接口上焊锡一些电线。当然还需要一个2K2Ω电阻与LED串联进行电流限制。用胶水将LED连接器黏在灯泡附近的某处, 放上LED。

(2) 衍射分光

为了能够选择目标波长 (光的颜色取决于它的波长) , 我们首先要将光源的光分割成光谱。这可以通过一个衍射光栅实现。但是由于大多数人很难立刻找到衍射光栅, 所以一个光盘也可以代替衍射光栅的用途。但是CD不会完全产生频谱, 因此它的精度不及衍射光栅。

(3) 选择波长

既然我们要在一定的波长范围内测量样品的吸光度, 我们需要能够选择目标光谱的一部分。这可以通过“狭缝”实现, 即具有窄的狭缝的纸板或金属片材。要选准一个非常小的部分频谱, 不得不作出一个极其狭窄的缝隙。由于十分困难的, 可以通过制作了两个狭缝, 其放置位置不是完全一致, 达到只有一个很窄的光带可以通过的效果。

将需要选择的频谱的部分穿过缝隙, 通过改变角度, 将该角度的光线照射在CD。

(4) 放大电路

将要检测的光穿过样品, 我们将使用LDR (光敏电阻) 。虽然可以将LDR通过连接一个欧姆表直接读数, 但是更好地方法是通过它来构建一个基本的放大器, 使我们用一个电压表读数, 因为这种方法提供检测到的光强度的细微变化之间的差异较大。

组装所述放大器电路。我用了TL081的运算放大器。然后测量0V和输出之间的电压, 这取决于射入LDR的光量。

(5) 驱动步进电路

我们可以很容易地通过步进电机驱动电路与Arduino板实现。使用如上图1构建双极步进驱动电路再使用Arduino的代码的“spectrostepper.pde”, 可以用两个按钮控制电机。

构建驱动电路。然后将一个2k2电阻的一端接地, 另一端接入两个按钮的一端以及Arduino的数据输入端, 将两个按钮的另一端连入Arduino提供的+5V电压。

如果一切顺利, 当你按下一个按钮, 电机应转动1步, 其转到方向取决于你按下按钮的颜色。

(6) 整体连接

在得到了步进电机之后, 将CD与步进电机的主轴齿轮相连。将与光源和CD安装到位并确保所有的频谱部分可以与狭缝对齐。这取决于CD的角度, 而CD将整体按照图3连接

4 实施过程

将仪器放置在黑暗中, 在狭缝后面放置一个装有样品的试管, 使光通过试管打LDR。

由于各种LDR肯反应不同, 我们需要做空白测量。在试管中加入蒸馏水 (或测量溶剂的标准样品) , 记录通过试管后每个波长或颜色的光线位置对应的电压读数。

进行空白测量后, 将待测溶液 (非样品) 加入试管中, 记录通过试管后每个波长或颜色的光线位置对应的电压读数。与标准样品的记录相对比, 根据朗伯比尔定律 (A=log (I0/I) ) 可以计算出吸光度.

作为测试, 可以选择食用色素和亚甲基蓝的一些样品。

参考文献

[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程 (第三版) [M].高等教育出版社.2006.