一款基于集成運放LM324的脈寬調(diào)制電路

顧 達 張家港中等專業(yè)學(xué)校

一款基于集成運放LM324的脈寬調(diào)制電路

顧 達 張家港中等專業(yè)學(xué)校

脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓。

脈寬；PWM；取樣；反饋

引言

脈寬調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓。如圖1所示為一款以集成運放LM324為核心元件的比較常用且通俗易懂的脈寬調(diào)制電路,筆者從電路系統(tǒng)構(gòu)成、各模塊原理來全面剖析該電路。

1.系統(tǒng)工作原理

如圖2所示為脈寬調(diào)制電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由方波——三角波發(fā)生電路，PWM脈寬發(fā)生電路，驅(qū)動電路，取樣給定電路和直流穩(wěn)壓電源電路五大模塊構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理和具體各個模塊之間的關(guān)系如下：

直流穩(wěn)壓電源為各模塊提供±12V直流電壓；“方波—三角波發(fā)生電路”輸出三角波，送到“PWM脈寬發(fā)生電路”中的電壓比較器的反相輸入端即IC1-6腳，電壓比較器的同相輸入端的信號由“取樣給定電路”提供可微調(diào)的直流電壓信號。給定信號與三角波的比較結(jié)果決定了輸出電壓，不同的給定電壓信號產(chǎn)生不同占空比的矩形波，也將獲得不同平均直流電壓，再經(jīng)基本放大電路使發(fā)光二極管流過的電流不同，發(fā)出的亮光也不同，這就是用PWM脈寬調(diào)制實現(xiàn)直流電壓無級調(diào)節(jié)的基本工作原理。

2.模塊分析

2.1 取樣給定電路

該模塊由R1、R2、RW1、IC1A構(gòu)成。電位器RW1和電阻R1組成取樣給定環(huán)節(jié)。測試點A的電位由電位器決定：電位器調(diào)到最高端電壓為 —12V；電位器調(diào)到最低端電壓為-6.2V。因而取樣給定的電壓范圍為-6.2V≥VA≥—12V。

運放IC1A，反相輸入端與輸出端短接是同相輸入比例運算電路特例電壓跟隨器，電壓跟隨器在此時起到隔離、驅(qū)動的作用，為PWM脈寬發(fā)生器提供給定電壓。VB隨VA變化而變化，并且相位和數(shù)值一樣。

2.2 方波—三角波發(fā)生電路

由R5-R11、VZ1、VZ2、VZ3、C8、IC1C、IC1D構(gòu)成。由R5-R9、VZ1、VZ2、VZ3、IC1D構(gòu)成一滯回比較器，輸出電壓VE經(jīng)R8反饋到同相輸入端，構(gòu)成正反饋工作狀態(tài)。反相輸入端由于—12V經(jīng)VZ1（5.1V的穩(wěn)壓管）經(jīng)R5到地，提供-6.9V基準電壓。同相輸入端的另一輸入信號為IC1C輸出電壓VD經(jīng)R7加入。R9為限流電阻，主要防止當(dāng)IC1D輸入—Vom(-12V)時，灌電流過大，并保證流經(jīng)VZ2、VZ3的穩(wěn)壓管工作電流使穩(wěn)壓管能正常工作而設(shè)。根據(jù)VZ2、VZ3穩(wěn)壓值為5.1V，并為硅穩(wěn)壓管，正向工作電壓為0.7V，則運放輸出為±5.8V。（VZ2、VZ3總是一個工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，一個工作在正向?qū)顟B(tài)）此電路構(gòu)成方波發(fā)生器。

由R10、R11、C8、IC1C構(gòu)成起延遲作用的積分電路。輸出電壓VD等于電容兩端的電壓，輸入信號為VE提供的±5.8V的矩形波脈沖電壓，經(jīng)R10對C8進行充放電。此電路構(gòu)成三角波發(fā)生器。

此電路為同相輸入滯回比較器（IC1D）和延時作用的積分電路（IC1C），其中IC1C的輸出VD反送到IC1D作為輸入信號，同時作為PWM脈寬發(fā)生器中運放IC1B的反相輸入信號。

由于運放IC1D的電路中，U-=-6.9V，因此滯回比較器的閥值電壓UT可由U+過-6.9V的條件推出，由電路可知IC1D的U+=VE-（-VE-VD）÷（R8+R7）×R8。當(dāng)U+=-6.9V時，即可計算出輸入信號VD使輸出VE翻轉(zhuǎn)時的閥值電壓，而VE=±UZ=±5.8V，R7=2.4K，R8=10K,當(dāng)VE=-UZ=-5.8V時，UT+==7.164V,當(dāng)VE=+UZ=+5.8V時，UT-=-9.948V,VD與VE的波形如圖3所示。因延時積分電路的充放電電阻均為R10（36K），電容也均為C8（0.01uF）。故充放電時間常數(shù)是相同的，TL正程掃描時間和TH回程掃描時間是相等的。振蕩周期的計算，在運放IC1C組成的積分運算電路中，由積分運算關(guān)系計算可得TL=TH=o.17ms，周期T=TL+TH=0.34ms，F(xiàn)=1/T=3KHz，在E點利用示波器可測出±5.8V的方波，所產(chǎn)生的方波-三角波波形如圖3所示，在D點可測得三角波。方波、三角波頻率理論上都在3KHz左右。

2.3 PWM脈寬發(fā)生電路

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該模塊由R3、R4、IC1B構(gòu)成。運放IC1B組成單值電壓比較器，加入在反相輸入的信號三角波與同相輸入端給定的基準信號進行比較，當(dāng)三角波信號UD大于UB時，IC1B輸出C點電位VC=-12V。當(dāng)三角波小于UB時，IC1B輸出C點電位VC=+12V。這樣隨著給定電壓的不同，輸出Vc脈寬不同。給定電壓的變化范圍在 —6.2V到 —12V間。

2.4 驅(qū)動部分

驅(qū)動部分由R12、R13、VD1、VD2、VT1構(gòu)成。三極管工作在開關(guān)狀態(tài)下，當(dāng)+12V時，VT1飽和導(dǎo)通，VD2發(fā)光管導(dǎo)通發(fā)光，當(dāng)-12V時，VT1截止，VD2截止無光。VD2發(fā)光的亮度直接與PWM調(diào)制波占空比有關(guān)，當(dāng)占空比大時，VD2亮度高，當(dāng)占空比小時，VD2亮度低或熄滅。

[1]張金華.電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能.高等教育出版社.2014.

[2]鈴木雅臣.晶體管電路設(shè)計.科學(xué)出版社.2012.