具有死区PWM

XX级电气工程及其自动化

课 程 设 计 报 告

课题名称: 具有死区控制的互补型PWM发生器的设计

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学号: 姓名: 指导老师：

XXXX年XX月XX日

目录

摘要 .............................................................................. 3

一、课题名称：具有死区控制的互补型

PWM

发生器的设计 ................................................................ 4 二、设计要求 ................................................................ 4

1.电源特性参数： ............................................................... 4 2.工作频率 ......................................................................... 4

三、各功能模块设计： .................................. 4

1.电源模块 ......................................................................... 5 2.三角波模块 ....................................... 错误!未定义书签。 3.死区调节模块 .................................... 错误!未定义书签。 4.比较器模块 ....................................... 错误!未定义书签。 5.系统原理图 .................................................................... 11

6.集成电路封装及功能描述 ............................................... 12

五、调试：…………..……………………...……..14

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1.软件调试 .................................................... 14 2.硬件调试………………………………….18 六、工作总节：…………………..……………….23 七、参考文献：………………………………......24 八、附件：………………………………………..………25

附录1 ........................................................................... ………..25 附录2 ......................................................................................... ….26

附录3…………………………….……………………………………27

附录4…………………………………………………………27

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PWM

摘要

波形脉冲输出具有控制逆变电路驱动的功能，为了

使驱动电路的两个管子不能同时导通，以至于电源被短路，则输出的PWM波形必须具有一定的死区时间。电路中运用了运放LF347输出方波经积分电路后形成的三角波作为载波，再经过比较器与调制信号（这里用模拟误差信号）经比较器比较，输出占空比可调的矩形波，矩形波经快速开关1N4148二极管后形成单极脉冲，再通过RC电路的延迟，从CD4001或非门输出，即可形成具有死区时间、脉宽可调的PWM脉冲波形。本实验中，由自己设计一个直流稳压电源为系统供电。

关键词：LF347;CD4001；比较器；三角波电路；积分电路；延迟

环节；LM7805；LM7905，稳压电路

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一、 课题名称： 具有死区控制的互补型PWM发生

器的设计

二、 设计要求：

1：主芯片：LF347、CD4001或非门各1片

2电源特性参数：LM7805、LM7905实现±5V为系统供电

3工作频率：工作频率范围：5KHz～10KHz 4: 输出有效电平：高电平有效

5占空比可调 6死区时间：2~6us

三、设计任务

设计一个具有死区时间可调的互补型PWM发生器，电路中要自己设计一个电源为系统供电。

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四、设计方案（含系统总框图）

方案: ①由7805和7905以及电容设计一个直流电源

②采用集成运放电路LF347设计方案产生要求的波形（三角

波，方波、矩形波、脉冲），再经延迟跟门电路形成占空比可调的PWM脉冲。

主要思路：应用集成运放LF347与CD4001。先由运放LF347形

成方波，再经过积分可形成三角波，三角波再与一个由电位器控制的可变直流电压作为模拟误差信号，通过电压比较器可形成占空比可调的矩形波。矩形波先经1N4148变成脉冲，通过一个RC延迟环节，最后通过门电路CD4001，即可得到具有死区时间的PWM脉冲输出波形。

正负5V电源模块（原理图）

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在原理图中，D1，D2，D3，D4，组成一个全波整流桥，电容

E1,E2第一次滤波，使波形更平直；C4，C5对整流后的电压进行第一次滤除高频杂波；LM7805和LM7905分别稳定+5V和-5V的输出电压，再经过E3，E4，二次滤波，使电源输出电压更稳定，并且在负载突变是可以提供更大电流，使稳压管不会过流，使之损坏，电路更稳定；C6，C7第二次滤除高频杂波，使输出电压更稳定。因为电路的负载比较小，为了得到稳压较好的效果，所以电源电路中，E1，E2，可采用470uF/25v，而E3，E4可再小点，采用100uF/16v电解电容。C1，C2可采用0.33uF规格的瓷片电容，C3，C4可采用

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0.1uF规格的瓷片电容。并且功耗不大整流二极管D1，D2，D3，D4可采用额定电流1A的1N4007。 三角波模块

此图为三角波发生电路，左边部分为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。积分电路的输入电压是过零比较器的输出电压，即方波信号uO1，而且uO1不是UZ就是UZ,所以输出电压的表达式为

uO1uO1(t1t0)uO(t0) RC式中uO(t0)为初态时的输出电压。 设初态时uO(t0)正好从UZ跃变为UZ，则

uO1UZ(t1t0)uO(t0) RC7

积分电路反向积分，uO随时间的增长线性下降。 当uO1(t1)时正好从UZ跃变为UZ，则

uO1UZ(t2t1)uO(t1) RC积分电路正向积分，uO随时间的增长线性下降。 当输入信号为方波时，输出信号即为三角波。

积分电路中的电容容值影响三角波的波形，正向积分的起始值为UT,终了值为UT,积分时间为二分之一周期，得

UT1TuO(UT) RC2式中uOUZUD

电路中阈值及其三角波幅值的计算：若LF347的输出互补输出三极管的饱和管压降UCE所以

UO1R3R4UO2UP10R4R3R3R40.3V,所以输出最高电压为

3.7V，

R10KUT4UO14.71.95VR324K三角波幅值：UUT1.95V

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要求电路的开关频率为5KHz到10KHz。振荡频率

f=R3/(4*R4*（R2+RW3）*C)得：

24K24K5KC0.006uF4*10K*21K*C5K*4*10K*21K

24K24K10KC0.012uF4*10K*1K*C10K*4*10K*1Kfminfmax所以，C取0.01uF瓷片电容

调节R3，R4，RW2和C的电容，可以改变振荡频率，而在此R3，R4的阻值，可改变三角波的幅值，在此取

UO2R410KUO1UO10.42UO1。确定了电容的值为R324K0.01uF，R3的

阻值为24K,R4的阻值为10K,R1的阻值为500Ω,所以电位器RW3的阻值为20K。这样的电路使得三角波的电压为定值。

比较器模块

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该图为比较器模块，由一个电位器控制的可调直流电压与三角波电压进行比较，输出一个正负矩形波，经过1N4148快速二极管的单向导电作用使得输出一个只有单极的脉冲，由于后面门电路为CMOS或非门，不需要考虑输入特性，若为TTL系列，则要考虑输入特性的电阻不能太大，否则会一直为被钳位为高电平。

死区时间可控环节模块

此图为此图为

此图为死区时间可调的RC延迟电路，运用门电路与延迟环节结合，当门电路的输入电压为高电平的时候，延迟环节对电容

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充电，当充电电压达到门电路的可识别的高电平电压时，门电路输出电压为低电平，通过调节RW2，RW4可以改变死区时间。 死区时间：正常下电源为+5V时，比较器输出饱和电压

UO14.7V,CMOS门电路输入高于3V为高电平，输入低于1.5V

为低电平。 所以：trRClnV()V(0)4.7V1.5V2K331010ln4.2us

V()V(t)4.7V3V显然 2us< tr <6us满足要求

系统原理图

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1. 集成电路封装及功能描述

LF347带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大器可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下，静态电流较小，运算速度快，输出电压好。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

LF347芯片的引脚排列如下图所示：

相关参数及描述

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运放封装：DIP-14N 运放类型:低功率 放大器数目:4 针脚数:14

工作温度范围:0°C to +70°C 增益带宽:1.2MHz 工作温度最低:0°C 工作温度最高:70°C

电源范围：单电源3V至32V电源或双电源±1.5V至±16V 额定电源电压：+15V 低偏置电流：最大100nA 短路保护输出 真差动输入级 具有内部补偿的功能 行业标准的引脚排列

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输入端具有静电保护功能

综上所述，LF274芯片能满足设计要求，且具有多项优点，故选用此型号芯片 封装如下图所示：

三、 调试

1. 软件调试

原理初步确定后，先计算确定参数，各点波形情况，幅值大小，周期，频率等，再用Multisim软件画出原理图，进行仿真，测试输出信号频率范围及电压峰-峰值范围，经仿真测试，基本与理论计算结果相近，若各结果与设计要求符合，便可以设计PCB。

仿真效果如图 方波模块

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方波转三角波积分器模块

比较器输出及1N4148输出波形：

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最终具有死区控制的PWM波：

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死区时间4us：

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系统原理图

2. 硬件调试

1.1 根据原理图画出PCB图

1.2 电路板焊接

焊接时应注意元器件的正确摆放，注意有极性器件的正确安装（电解电容、集成芯片、稳压管、二极管等），焊点是否有虚焊等不良现象，集成芯片应

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先焊接插槽防止直接焊接时的高温照成永久性损坏，尽量一次性成功。 1.3 硬件调试结果

电路板六个接口分别为电源地接口和三个波形信号测试点。经过实际检测，波形与软件仿真基本一致，幅值、频率的实际值与理论值存在一定误差，但是，误差比较小。是因为元件参数选择上的偏差及电路图的不够完善，但频率及幅值基本满足设计要求，并且连续可调。

高电平有效的实验结果图示：

5KHz波形

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6KHz波形

死区时间4us

7KHz波形

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7KHz调节脉宽波形

8KHz波形

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10KHz波形

脉宽调节

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三角波 10kHz：

5kHz：

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四、 设计工作总结

在完成电路板的电焊工作后，不要立马上电，在不能保证绝对正确情况下，先通过万用表检查是否存在短路的地方，若电路正常，先不要装上芯片，先测量电源，电源电压正常了，再测量各个引脚电压(主要是两芯片的各引脚电位是否正常)，确保电源能正常加在芯片上时，芯片是正常工作的（电源极性、大小等），这时才能装上芯片对电路进行调试（装芯片是先要切断电源）。

通过这次的学习、设计、焊接过程中。使我对感受到了理论与实际结合的重要。在对函数信号发生器的设计，要认真选择好每一个器件，特别是一些有一定比例要求的器件等

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等。

在课程设计中，调试时一定要时刻关注芯片的稳定，因为本课程设计的功耗比较小不会有明显的发热现象，如果芯片发热就要释电检查电路，比如CD4001坏了上电后稳压管会明显发热，再者插芯片时要水平不要让芯片倾斜着插入插槽，如果倾斜可能导致接触不良，甚至烧坏芯片。还有在已经上电的情况下不要用手或导体什么去接触或触碰底层（焊点）以免造成短路（所以四角的螺丝固定是必须的），在接电源时一定要把双源接对，所以在制作PCB时可以先标好电源及地线等和信号线、测试线区别开，以免接到信号线上，造成不可恢复的损坏。

在这个课程设计中，要先准备好原理图要先画好，并且认真检查正确性（特别电源的连接），再导入PCB开始布板。最重要的还是PCB的设计（线的粗细：地线>电源线>信号线，最好注意数模隔离，信号顺着流向，大信号与小信号地线的单点接地等），完成PCB后，要对其进行检查是否有错误存在，检查好了再作板。若调试过程出现错误（没有波形、有些有有些没有等），那么调试过程就需要结合原理图一个一个去先排查是否有虚焊、短路。

课程设计重要的还是自己是否真正学会了原理，通过自己的设计调试是应该要有的，所以，设计、调试过程中要自己去认真推导电路各个地方的波形或应该的电位，再通过示

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波器调试或仿真对比。

参考文献：

清华大学电子学教研组 编， 童诗白 华成英 主编：《模拟电子技术基础》（第四版）， 高等教育出版社 2006.5

清华大学电子学教研组 编， 阎石 主编：《数字电子技术基础》（第五版）， 高等教育出版社 2006.5

五、 附件

 附录1 器件清单

器件类型 电阻 型号、参数 1K 500 10k 25k 2k2 数量 3 1 1 1 1 2 1 1 26

备注（作用） 限流 限流（这里可以不用） 反馈 正反馈 限流（保护1N4148和运放） 延迟死区调节 模拟误差信号（调节占空比） 频率调节 电位器 2KΩ 5KΩ 20k

电解电容 470Uf/25v 100Uf/16v 2 2 2 1 2 2 1 4 1 1 1 1 2 滤波 滤波 滤除高频杂波 积分 滤除高频杂波 延迟 产生单极脉冲 整流 稳压 稳压 产生双路PWM波 产生三角波、矩形波、比较器 保护芯片、便于更换 瓷片电容 334 103 104 332 快速二极管 普通二极管 集成芯片 1N4148 1N4007 LM7905 LM7805 CD4011 LF347 插槽  附录2

14脚 系统原理图

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附录3 PCB版图

附录4：实物图正面：

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