大功率脉冲发生器的设计.docx

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大功率脉冲发生器的设计

摘要

传统的金属热处理将金属器件放到一定的介质中加热到适宜的温度。

热处理不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微结构，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

而本设计是在此基础上，利用电功率脉冲来加速其内部显微结构的变化，达到快速热处理的目的。

实施方法就是通过函数发生器产生波形，将信号波送入功率放大器中进行放大，产生大功率脉冲，利用大功率脉冲对金属内部显微结构进行作用。

在对输出波形的频率显示上，采用89C51为核心，通过译码器和移位寄存器同单片机的相互连接，最后经数码管显示。

关键词：

ICL8038，单片机，功率放大器，译码器，移位寄存器

Abstract

Traditionalmetaltreatmentofmetaldevicewillbeheatedinthemediumtotheappropriatetemperature.Andthedesignisbasedonthis,thenusetheelectricalenergytogetaauxiliaryheating.Themannerofexecutionisitwillgenerateawavethroughthefunctiongenerator,sendthesignalwaveintopoweramplifierwherethewavewillbegottenpoweramplification.Thenthehighpowerpulsecanbegeneratedtoheatmetal.Whentalkingaboutthedisplayfrequencyofoutputwaveform,weuse89C51ofMCUasthecore,gettheconnectionamongthedecoder,shiftregisterandMCUanddisplaythefrenquencythroughthedigitron.

Keywords：

ICL8038,MCU,poweramplifier,decoder,shiftregister

目录

1绪论1

1.1设计意义1

1.2设计中需要重点解决的问题2

2设计分析与方案的确定2

2.1设计方案2

2.2方案对比及确定2

3主要电路部分介绍3

3.1单片函数发生器ICL80383

3.1.1ICL8038简介及管脚分布3

3.1.2ICL8038典型应用电路4

3.2功率放大电路5

3.2.1功放电路介绍5

3.2.2功放电路方案比较及确定5

3.2.3甲乙类互补对称功率放大6

4波形频率显示及数字频率计8

4.1频率计简介8

4.2测频设计原理8

4.3所用芯片介绍8

4.3.189C51芯片介绍8

4.3.274LS16410

4.3.374LS14511

4.4频率计电路12

4.4.1单片机与74芯片连接方法12

4.4.2显示译码单元12

4.4.3数字显示单元12

4.4.4硬件设计13

4.4.5软件设计13

4.5测量结果及误差分析14

4.5.1测量结果14

4.5.2误差分析14

5电源模块15

5.1整流滤波电路15

5.278系列三端稳压器15

5.3供电电源电路16

6结束语16

致谢17

参考文献18

附图：

19

1绪论

1.1设计意义

金属热处理是制造机械中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的细小结构，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。

热处理可以大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能。

加热温度是热处理工艺的重要参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。

加热温度随被处理的金属材料和热处理目的不同而异，但一般都是加热到某特性转变温度以上，以获得高温组织。

另外转变需要一定的时间，因此当金属表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一段时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。

早在商代，就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物。

公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而发生变化。

　　公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。

中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。

　　随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。

三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。

这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。

中国出土的（公元前206～公元24）中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。

但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。

　　1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。

法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。

与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。

　　1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。

1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。

二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使其得到更大发展。

一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

本设计主要是对金属在采用传统的热处理基础上，利用脉冲辅助加速其内部显微组织的改变。

传统的金属热处理主要是进行物理方面的热处理，即将金属器件直接放到加热炉中通过高温来改变金属器件的内部显微结构。

而本次设计是在传统热处理的基础上利用电气方面产生的大功率脉冲作为辅助热处理设备，也就是通过产生大的功率脉冲加至金属器件上进行电气热处理。

1.2设计中需要重点解决的问题

本设计应当着重解决的问题有：

（1）怎样能输出不失真的函数波形

（2）如何将函数波形进行一次放大后接至功率放大电路（3）函数发生器频率和波形显示问题（4）如何提高功率值的问题

2设计分析与方案的确定

2.1设计方案

方案一，电流法。

采用集成函数发生器ICL8038产生正弦波、三角波和方波，且输出频率从20-50HZ任意可调；然后将输出接至功率放大电路进行功率放大，产生大功率，最后将金属器件接入电路形成闭合回路，达到改变金属器件内部显微结构的目的。

方案二，电压法。

采用集成函数发生器ICL8038产生正弦波、三角波和方波，且输出频率从20-50HZ任意可调；然后将输出接至功率放大电路进行功率放大，产生大功率，然后引出两根线分别接至两块金属板，将金属器件放在两块金属板之间，利用电场对金属器件内部显微结构进行改变。

2.2方案对比及确定

由于金属器件是良导体，其电阻阻值很小。

在采用电流方案时，在由功率放大直接接至金属导体时，会产生很大的电流，继而会产生很大的功率。

这样的功率是很大的，一般的功放达不到这种功率。

但是如果采用甲乙类功率放大，可以用多次放大来提升功率。

而如果产用电压方案时，可以避免产生大电流，直接将引线与两块隔开的金属板接触，将金属器件放在两板之间，利用电场作用来改变金属器件内部结构。

本设计采用第一种方案即电流方案。

总体设计框图如图1所示。

图1总体结构框图

3主要电路部分介绍

3.1单片函数发生器ICL8038

3.1.1ICL8038简介及管脚分布

ICL8038是可同时输出三角波、方波和正弦波的单片集成压控波形发生器，

内部方框图如图2所示。

它由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器（缓冲II）、一个三角波输出缓冲器（缓冲I）和一个正弦波变换电路组成。

在8038中，开关K1用内部触发器控制，用于切换电流，向定式电容CT充电，此电流为恒流源。

图2ICL8038内部原理框图

在K1为关时，恒流源I1向电容注入电流I1,电容电压随充电时间直线增加；当电容两端电压达到电源电压的2/3时，比较器1置位触发器使K1变为开，电容CT上的电荷经恒流源I2被恒值释放，此时电容上的电压直线下降，当达到电源电压的1/3时，比较器2置位触发器使K1为关，电路又回到初态，反复进行上述动作就可以得到振幅为1/3电源电压的三角波。

同理，通过触发器翻转也可以得到方波。

ICL8038的管脚排列如下图图3所示：

图3ICL芯片管脚排列

3.1.2ICL8038典型应用电路

图4为ICL8038的典型应用电路，该电路可产生10HZ-100KHZ可变频率的方波、三角波、正弦波三种标准的常用波形，8038用外接的RC网络就可以实现频率的选择，频率与工作电源的电压无关，而决定于芯片管脚8的偏压及R1、R2和CT的参数。

下图中电阻R1决定恒流电流I1,电阻R2决定恒流电流I2。

图4ICL8038应用电路

图中的各种电位器的作用说明如下：

VR1为输出波形最小频率设置电位器，VR2为频率调节电位器，VR3为输出波形最大频率设置电位器，VR4为对称度调节电位器，VR5、VR6为正弦波的幅值调节电位器，VR7为输出波形的电平调节电位器；8脚端与电源正极并接一只小电容C6，用来消除电路产生的噪声，从而保证输出波形质量。

S1为频率范围调节转换开关，将电路输出的波形的频率分为四档，以提高输出波形频率的精度。

S2为输出波形选择开关：

接“1”为方波，接“2”为三角波，接“3”为正弦波，通过S1可选择一种需要的波形送入高速放大器IC2（LF356）进行放大后输出。

3.2功率放大电路

3.2.1功放电路介绍

功率放大电路主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率。

在大信号下工作，只能用图解法进行分析，而不能用微变等效电路法。

它所存在的问题有：

1）要求输出功率尽可能大

为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

2）效率更高

由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。

所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。

这个比值越大，意味着效率越高。

3）非线性失真要小

功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就