【正文】 2020 年 5 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系（部） 光電信息系 專業(yè) 光電信息工程 姓名 張鵬飛 學(xué)號(hào) B09010424 （論文）題目： 光調(diào)制器設(shè)計(jì) ： 在光電系統(tǒng)中，獲取的有效光強(qiáng)信息往往受到背景噪聲的影響，如何從背景噪聲中提取有用信號(hào)，一直是人們不斷研究的課題之一，目前，鎖相相關(guān)技術(shù)是提取有用信號(hào)的有效方法，此技術(shù)要 求對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，本課題基于此提出，對(duì)光波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 ～ 撰寫論文 ，并準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 。 I 光調(diào)制器設(shè)計(jì) 摘要 在光電系統(tǒng)中，獲取的有效光強(qiáng)信息往往受到背景噪聲的影響，鎖相相關(guān)技術(shù)是提取有用信號(hào)的有效方法，此技術(shù)要求對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 。深入了解各個(gè)模塊的工作原理和功能，使各部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 device type selection。 近一二十年來 ,光學(xué)和光電子學(xué)中的光調(diào)制器的研究和應(yīng)用迅速地發(fā)展。世界上有許多國家在從事光調(diào)制器的研究 ,其中 ,美國是起步最早、技術(shù)最先進(jìn)的國家 ,其研究機(jī)構(gòu)有空軍實(shí)驗(yàn)室、波斯頓大學(xué)及其微機(jī)械公司、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué) Berkeley 分校傳感器與執(zhí)行器中心、加州大學(xué)圣克魯斯分校、勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室、朗訊 (Lucent)公司、 Iris AO 公司以及德州儀器 (TI)公司等。 論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文的組織結(jié)構(gòu)如下 ： 第一章 ： 介紹關(guān)于光學(xué)斬波器的研究背景、研究意義以及開發(fā)者的主要工作。 第五章：對(duì)直流降壓斬波器的器件進(jìn)行選型 。 對(duì)光調(diào)制器進(jìn)行器件選型。 直流斬波器 (. Chopper)又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種直流對(duì)直流的轉(zhuǎn)換器 (DC to DC Converter)已被被廣泛使用，如直流電機(jī)的速度控制和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、直流調(diào)壓、直流電源的驅(qū)動(dòng)和交換式電源供應(yīng)器 (SwitchingPowerSupply)等 [3]。 直流斬波器根據(jù)其輸入和輸出電壓的大小可以分為降壓式直流斬波器和升壓式直流斬波器的兩類。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 4 直流 斬波電路包括三個(gè)部分電路模塊。 b. 控制電路模塊。 c. 驅(qū)動(dòng)電路模塊。控制電路模塊， ，它簡單可靠及使用方便靈 活 。若其輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式 (Buck )直 流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源電壓高，則稱為升壓式 (Boost)直流斬波器； 本方案選擇的是直流降壓斬波器 圖 所示為直流斬波器基本電路圖，圖 所示為負(fù)載電壓波形， 圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 5 圖 可看出當(dāng)直流斬波器導(dǎo)通 (Ton )時(shí)，負(fù)載端之電壓 Vo 等于電源電壓 Vs；當(dāng)直流斬波器截止 (Toff)時(shí)，負(fù)載端之電壓 Vo 為 0。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡單的電路復(fù)雜化，不可取。 主電路電流電壓分析 直流降壓斬波主電路使用一個(gè)全控器件 IGBT 控制導(dǎo)通。 至一個(gè)周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動(dòng) IGBT 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。 控制電路模塊設(shè)計(jì) 控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大 小的目的。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。 SG3525 原理及功能 控制電路是以 SG3525 為核心構(gòu)成 ,SG3525 為美國 Silicon General 公司生產(chǎn)的 ，它集成了 PWM 控制電路 ,采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案 ,內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源 ,鋸齒波振蕩器 ,誤差放大器 ,比較器 ,分頻器和保護(hù)電路等 .調(diào)節(jié) Ur 的大小 ,在 11,14 兩端可輸出兩個(gè)幅度相等 ,頻率相等 ,相位相差 , 占空比可調(diào)的矩形波 (即 PWM 信號(hào) ).然后，將脈沖信號(hào)送往芯片 HL402，對(duì)微信號(hào)進(jìn)行升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號(hào)送往 IGBT，對(duì)其觸發(fā)，以滿足主電路的要求 [10]。 b. 振蕩器 3525A 的振蕩器，除 CT、 RT 端外，增加了放電 同步端 3。同步脈沖的 頻率應(yīng)比振蕩頻率 fs 要低一些。 3524 的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制三個(gè)信號(hào)共用一個(gè)反相輸入端， 3525A 改為增加一個(gè)反相輸入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比較器的反相端。 e. PWM 鎖存器 比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到 PWM 鎖存器。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置 位，有利于可靠性提高。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個(gè)電平狀態(tài)中。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，其持續(xù)時(shí)間約 100ns。在芯片上的 基準(zhǔn)電壓調(diào)定在177。在 CT 和放電腳之間用單個(gè)電阻器連接即可對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行大范圍的編程。輸出級(jí)是推挽式的可以提供超過 200mA 的源和漏電流。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測到過流時(shí)發(fā)出 電流信號(hào)，由于電阻的作用將 10 腳的電位抬高，從而 1 14 腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時(shí)， 10 腳一直處于低電平，從而正常的輸出 PWM 波 [13]。因而還設(shè)計(jì)中還學(xué)要有帶電氣隔離的部分。 方案 1：采用驅(qū)動(dòng)芯片式 驅(qū)動(dòng)電路，該電路雙側(cè)都有源。 方案 2：采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡單，延遲小。由于我所設(shè)計(jì)的過流保護(hù)電路是利用控制芯片 10 端來設(shè)計(jì)的，且直接用光耦電路比較 復(fù)雜 ，所以我 采用驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行方案設(shè)計(jì) [15]。 圖 EXB841驅(qū)動(dòng)電路圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工 程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 13 直 流降壓斬波電路主要是通過調(diào)節(jié)控制電路中 SG3525 芯片 2 號(hào)腳外接的滑動(dòng) 變阻器的阻值，使電壓發(fā)生變化，從而改變 PWM 的占空比，在將輸出波形輸入由 EXB841 組成的驅(qū)動(dòng)電路傳遞給 IGBT，控制 IGBT 的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)輸出電壓 u。 14 和 15 兩腳間外加 PWM 控制信號(hào)，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)施加于14 和 15 引腳時(shí)，在 GE 兩端產(chǎn)生約 16V 的 IGBT 開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時(shí)，在 GE 兩端產(chǎn)生 IGBT 關(guān)斷電壓。 保護(hù)電 路設(shè)計(jì) 過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到 — 定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同 時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖 所示。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。 在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對(duì) IGBT 的保護(hù)。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為 短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。 直流降壓斬波電路整體電路圖如圖 所示 圖 直流降壓斬波電路整體電路圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工 程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 17 控制電路是用來產(chǎn)生 降壓斬波電路 的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。 當(dāng)工作的時(shí)候，電機(jī)帶動(dòng)斬波片轉(zhuǎn)動(dòng)，斬波片前端放著光源對(duì)著葉片部分，就會(huì)產(chǎn)生交替變化的光束。 為降低斬波輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 外載荷對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到在盡量降低部件重量的前提下，使部件具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本方案中斬波片采用的材質(zhì)是半硬度的黃銅，并進(jìn)行化學(xué)發(fā)黑處理 [20]。斬波調(diào)速裝置中整流器、斬波器、逆變器均采用模塊結(jié)構(gòu)，而且斬波器和逆變器都采用 IGBT 元件。當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)藏在電抗器中的能量使 IGBT 兩端的電壓升高并經(jīng)過二極管使電容器充電。 當(dāng)改變 IGBT 的關(guān)斷 時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的平均值 將會(huì)發(fā)生改變 ，電動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為 隨之改變 。用鎖相回路電動(dòng) 機(jī) 速度控制的設(shè)計(jì)來精確保持?jǐn)夭ㄋ俾屎蛥⒖夹盘?hào)的相位。底座上的槽在 2 英寸的中心，可以安裝兩個(gè) 1/4 英寸 20 的螺絲。通過這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門課程的了解，也大大提高了我們的實(shí)踐能力。通過對(duì)電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力 。電光調(diào)制器微波損耗的限制〔 J〕 .光電子 .激光， 2020， 12(6):608 一 610. [13] 任文平 . 高壓直流發(fā)生器中斬波電路的設(shè)計(jì) [ D]. 銀川 : 寧夏大學(xué) , 2020, [14] 范宇 , 楊君 . 采用自關(guān)斷器件的斬波器實(shí)驗(yàn)裝置的 研制 [ J ] .實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理 , 1997, 15( 3) : 3739. [15] Mergia K, Apostolopoulos G. Neutron reflectometryAprobe for Materials Surfaces Austria： IAEA, 2020, 109 [16] 王兆安，黃俊 .電力電子技術(shù)（第四版） [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 . [17] 董小偉，裴麗，李彬等 .新型高速電光調(diào) [J].， 2020,118:67 一 70. [18] 陳福深 .集成電光調(diào)制理論與技術(shù) [M〕 .北京 :國防工業(yè)出版社， 1995. [19] 李銀柱 .聲光調(diào)制器設(shè)計(jì) .長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院碩士論文 , 1996. 3 [20] 楊亞培，劉永智 .考慮光譜寬度的光波導(dǎo) F 一 P 調(diào)制器的靈敏度仁 J〕 .半導(dǎo)體光電，2020， 22(2):87 一 89. [21] 甘慶云 ,高致慧 ,萬俊康等 .脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu) LiNbO3 電光調(diào)制器研究與改進(jìn) [J].激光雜西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 志 ,2020,26(5): 3537 [22] 丁大釗 , 葉春堂 , 趙志祥 , 等 . 光學(xué)斬波器 . 北京 : 原子能出版社 , 2020. 584