【正文】 技術(shù)。當(dāng)發(fā)送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質(zhì)中形成一個交變磁場，接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可供電給移動設(shè)備或者給電池充電。本文介紹了非接觸電能傳輸?shù)幕驹怼? 20xx 年 1 月 6 日至 20xx 年 1 月 10 日，方案選擇和電路設(shè)計(jì)。 要求完成的主要任務(wù) : 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 在不采用專用器件（芯片）的前提下，設(shè)計(jì)一個非接觸供電系統(tǒng)的電路如下圖所示，使其實(shí)現(xiàn)對小型電器供電或充電等功能。 二、 設(shè)計(jì)要求 （ 1）供電部分輸入 36V 以下的直流電壓，具有向多臺電器設(shè)備非接觸供電的功能。 20xx 年 1 月 11 日至 20xx 年 1 月 19 日，電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說明書撰寫。 無線供電系統(tǒng)主要利用電磁感應(yīng)原理。 無線供電系統(tǒng)的特點(diǎn)是能量接收端和次級線圈相連，可靈活移動，電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可用于距離要求不高但又不需要機(jī)械和電氣連接的場合。利用微波源將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?，由天線發(fā)射，經(jīng)長距離的傳播后再由天線接收，最后經(jīng)微波整流器等重新轉(zhuǎn)換為電能使用。然而，由于工作頻率高、系統(tǒng)效率較低，微波 WPT 并不適合于能量傳輸距離較短的應(yīng)用場合。 然而，電磁感應(yīng)式 WPT 仍存在一系列問題：傳輸距離較短，距離增大時(shí)效率急劇下降；傳輸效率對非接觸變壓器的原、副邊的錯位非常敏感等等。然而，目前該方向的研究要么過于理論化，要么為實(shí)驗(yàn)研究，缺乏對應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)有定量指導(dǎo)意義的研究成果，但毋庸置疑，電磁共振式 WPT 因?yàn)槟芰康母咝я詈蠈⒊蔀? WPT 技術(shù)的一個重要研究方向。 能量傳輸系統(tǒng)的工作原理 導(dǎo)線繞制的線圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場；與該諧振體相隔 一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場，所感應(yīng)的磁場能同樣在電場與磁場之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時(shí)兩個諧振體之間不斷地有磁場能交換，因此產(chǎn)生以兩個線圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時(shí)變磁場。正弦電流的方向周期性變化，接收線圈的電流被逐漸放大，直到接收線圈的電磁能達(dá)到最大。 由上式得到源線圈與接收線圈之間交替的無功功率為： 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 6 式中 接收線圈包含的無功功率； 源線圈與接收線圈的耦合磁鏈。直流穩(wěn)壓電源的供電電源大都是交流電源，當(dāng)交流電源的電壓或負(fù)載電阻變化時(shí)，穩(wěn)壓器的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 磁耦合諧振式無線能量是以時(shí)變電磁場為媒介，當(dāng)外加激勵源的頻率與系統(tǒng)的諧振頻率相同，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合諧振的前提。 下面選擇整體電路中的高頻振蕩電路與功率放大電路的實(shí)施方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。于是使振蕩器只有在某一頻率時(shí)才能滿足振蕩條件。有源晶振只要加上電源 配合合適的外部電路 就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。而且具有電路簡單，頻率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。 方案二，采用分立元件的功率放大器。能量發(fā)射模塊功率上限為5W，需要較大功率的功放管，故選用方案二。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓 U2 的正半周內(nèi)，二極管 D D3 導(dǎo)通， D D4 截止，在負(fù)載 RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反， D D3 截止， D D4 導(dǎo)通，流過負(fù)載 RL 的電流方向與正半周一致。在橋式整流電路中 ，由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半。在整流器的輸出端并聯(lián)一個容量很大的濾波電容 C。 高頻振蕩器設(shè)計(jì) 原理說明 晶振是晶體振蕩器的簡稱。有些晶振還可以由外加電 壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（ VCO）。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 電路設(shè)計(jì) 利用非門與晶振設(shè)計(jì)如下電路圖。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。功率放大器的效率是一個突出的問題，其效率的高武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 14 低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。 A 類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn) Q 設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有 25%，且有較大的非線性失真。其特點(diǎn)是效率較高 (78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是 交越失真 較大?？梢员苊饨辉绞д妗＞哂行矢叩耐怀鰞?yōu)點(diǎn)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便。基極直流偏壓 VBB使基極處于反向偏壓的狀態(tài)，對于 NPN 型管來說，只有在激勵信號為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有 集電極電流產(chǎn)生，所以耗散功率很小。設(shè) CCU 為 12V,功放的輸出功率為5W。 耦合系數(shù)體現(xiàn)了諧振體之間的耦合能力，對實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸起到至關(guān)重要的作用。相對于其他幾何形狀的線圈，圓柱線圈具有的最大優(yōu)勢在于：每單位體積繞線所產(chǎn)生的磁場最大。 同軸平行的線圈之間的互感 式中 —— 分別為線圈 1,2 的匝數(shù)； —— 分別為線圈 1,2 的半徑； d—— 兩線圈兩軸線中心距離。另一方面，磁耦合諧振無線能量傳輸系統(tǒng)是以時(shí)變磁場為傳輸媒介，不向外輻射電磁能，所以電磁波長遠(yuǎn)大于傳輸距離 (λ d)。其作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。橋式整流電路與全波整流電路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡單，且伏安容量小。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲能作用的電抗元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波 效果越差。 電路設(shè)計(jì) 此處采用 LC 低通濾波 圖 充電電路 整體電路圖 非接觸供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路五部分組成。 工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。通過對各部分的操作可以實(shí)現(xiàn)電路圖的輸入、編輯，并根據(jù)需要對電路進(jìn)行相應(yīng)的觀測和分析。 3 電源 電路 整體 部分仿真 圖 直流輸出波形 圖 直流輸出電壓 從圖 和圖 可以看出，直流穩(wěn)壓電路將交流電壓變成了相對平穩(wěn)的直流電壓。 充電電路仿真 圖 充電電路波形 如圖所示，輸出直流穩(wěn)恒電壓，能夠很好地對外供電。 圖 當(dāng)負(fù)載較小時(shí) 由圖片可知，最大功率大于 5W，滿足該項(xiàng)指標(biāo)。 這次課程設(shè)計(jì)綜合了這幾個學(xué)期的所有基礎(chǔ)課知識內(nèi)容，因此非常具有挑戰(zhàn)性，在進(jìn)行電子線路的設(shè)計(jì)過程中，我又重新復(fù)習(xí)了之前學(xué)習(xí)過的模電、數(shù)電、高頻等學(xué)科的相關(guān)知識，同 時(shí)也參考了很多書籍。 10 方案設(shè)計(jì)合理，有一定創(chuàng)新，計(jì)算正確，論證充分。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 36 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 10 能夠及時(shí)正確地回答教師所提出的問題。 在這次課程設(shè)計(jì)中，我不僅學(xué)會了如何應(yīng)用專業(yè)知識設(shè)計(jì)電子線路，同時(shí)也感受到了將理論應(yīng)用于實(shí)踐的樂趣，在學(xué)習(xí)中完善了自己。通過這次課程設(shè)計(jì)我加深了對電子線路設(shè)計(jì)的理解，同時(shí)在設(shè)計(jì)和仿真過程中掌握了通信電子線路的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)思想，對課本中學(xué)到的理論知識有了更深的理解。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 28 2)在輸出功率 ≥1W 的條件下，轉(zhuǎn)換效率 ≥15%； 圖 當(dāng)負(fù)載較大時(shí) 由 圖片 可以知道最小功率大于 1W 還 可以算出 效率 ，滿足該項(xiàng)指標(biāo)。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 25 高頻振蕩電路仿真 圖 高頻振動器仿真波形圖 如圖所示，得到上述振蕩波形，由于采用晶體振蕩器，波形較好，可以計(jì)算出頻率為 ，符合我們大于 100kHz 的設(shè)計(jì)要求 高頻功率放大器仿真 圖 高頻功率放大器仿真波形圖 如圖所示，高頻諧振功率放大器兩端得到 的正弦波，波形有所失真，峰峰值為 ，大于輸入的 5V，符合功率放大的要求 。 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 23 電源仿真 1 整流電路部分仿真 圖 整流電路波形 如圖 整流電路仿真波形圖中可以看出，整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流電壓變成了脈動直流電壓，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過 Multisim 和 虛擬儀器技術(shù) ， PCB 設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到 原型設(shè)計(jì) 和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 圖 系統(tǒng)整體電路圖 武漢理工大學(xué)《學(xué)科基礎(chǔ)課群綜合設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 22 4 仿真分析 仿真環(huán)境介紹 Multisi