电路部分Word文档格式.docx

1、谐振状态的出现在电源回路的表现为：压电陶瓷的电阻抗最小，电流最大。本文根据龚立娇在其实验中得到本设计模型的谐振频率f=33HZ,以后的仿真实验都采用此谐振频率。本文采用等效电路的模型图如下所示：4.2经典能量采集电路压电振子所产生的电量都必须经过整流滤波后，才能被各种电器组件所使用。电路由全波整流桥和一个电容构成。4.2.1仿真软件multisim介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地

2、搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。EDA就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真

3、、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚

4、刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NIMultisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NILa

5、bVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim9与LABVIEW8的完美结合：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;（3）所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。4.2.2经典能量采集电路图仿真能量采集系统的电路接口部分由一个二极管全波整流电桥和一个滤波电容所组成，这个电路实质上是一个普通的AC-DC变换电路。电路的终端所接的电子设备用一

6、个等效电阻器来替代，从能量回收电路输入到所接的电子设备的功率可以用电阻所消耗的功率来等效。用仿真软件Multisim绘出如图4.3所示的经典能量采集电路图，桥式整流电路的工作原理如下：正半周期时，对D1、D3加正方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成Dl、R1、D3通电回路，在R1上形成上正下负的半波整流电压。负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压D1、D3截止。电路中构成D2、R1、D4通电回路，同样在R1上形成上正下负的另外半波的整流电压。滤波电容的工作原理如下：电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器

7、两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。经典能量采集电路中滤波电路为最简单的电容滤波电路，即电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，在二极管导通期间，压电悬臂能量采集结构向负载电阻R1提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电

8、压。这时，D受反向电压不能导通，于是Uc便通过负载电阻R1放电。由于C和R1较大，放电速度很慢，在电压下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当能量采集下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻R1两端）便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图4.3经典能量采集电路设计图如上图4.3所示，用软件的电压探针先观察等效电路两端未经整流时的电压波形图：图4.4未整流端电压波形图4.2.3经典能量采集电路负载能力仿真为了从仿真中得到负载电阻多大时有最大功率输出，在软件中修改负载R1的参数，并记录R1的功率及两端的电压，绘出压电振子所输出的

9、有效电压和有效功率与负载电阻之间的关系曲线图如下所示图4.5输出电压与负载的关系图4.6输出功率与负载的关系图4.7输出功率与负载电压的关系由图4.5、图4.6、图4.7可以看出负载电压随负载电阻增大而增大，而负载功率有一最大值，当输出电压为开路电压一半时负载功率达到最大。根据软件仿真值，当负载电阻R1=28.5K时，负载功率达到最大值1.276mW。此时的负载电压为5.97V,而电路在开路时电压为12V,基本满足理论公式。经典能量回收电路具有电路简单的优点，但其能量回收效率比较低，并且其能量回收的效率会受到外界负载的影响。由上面的电路仿真，通过比较发现，当外接电阻发生变化时，能量回收的效率也

10、会发生改变，并且存在一个最佳的负载，在此负载下能量回收的效率最高，而当外接负载大于或小于最佳负载时，能量回收的效率会降低。4.3同步电荷提取能量采集电路同步电荷提取法的基本原理是利用特殊的电路主动提取压电片上电荷，并转移到储能组件中去。该方法的特点是电荷的提取是与结构的振动同步，压电陶瓷绝大部分时间处于开路工作状态。因此叫做同步开关电荷提取法。图4.8同步电荷提取电路如图4.8为带Buck型的DC-DC转换器的同步电荷提取电路的原理图。电路中的场效应管模拟开关Q是核心控制组件，在大多数时间内，控制电路输出低电平信号使得开关Q断开，这时压电片两极之间的电压的变化率与振动变形变化率成比例。加DC-

11、DC转换器目的是为了将进入负载的功率流达到最大化。它的主要功能为调节整流后的电压，把高电压小电流电信号转换成低电压大电流电信号，可以调整占空比使功率最大化。如果有效，压电装置将达到峰值功率，整流器的输出电压保持在最优值，大约为开路电压值的一半。工作过程：首先，上图中的Crect充电，当Crect上的电压达到最佳电压Vrectopt时，转换器开始工作。控制信号控制开关的导通和截止以保证电容Crect上的电压为最佳值。当开关Q导通时，DC-DC转换器的二极管反向偏置，由于电感的存在，电流ice将从0逐渐增大。控制电平降为低电平时，开关截止，电流ice将迅速降为0，但电流iL不会马上改变，二极管导通

12、续流，电感电流逐渐减小，电感上的能量逐步消耗在负载上，iL减小直至为0。由于二极管的单向导通性，iL不可能为负值，从而可在负载上获得单极性的输出电压。在Ton开关导通阶段，电流随时间线性增大。4.3.1DC-DC转换器为了深入研究Buck型的DC-DC转换器的同步电荷提取电路的原理，先简单介绍一下Buck型的DC-DC转换器 图4.9Buck型的DC-DC转换器如图4.9中全控型开关管Q和续流二极管构成了一个最基本的开关型直/直流降压变换电路。这种降压变换电路连同其输出滤波电路LC被称为Buck型DC-DC变换器。对开关管Q进行周期性通、断控制，能将直流电源的输入电压Vs变换为电压V0输出给负

13、载， （4-3）其中，Ts为开关周期，Ton为导通时间，D为导通占空比。通过改变开关管在一个开关周期Ts中的导通时间Ton，即改变导通占空比D。从而调节或控制输出电压V0。本文主要使用保持开关周期Ts不变，改变Ton，即改变输出脉冲电压的宽度，调控输出电压V0的脉冲宽度调制方式即PWM方式，因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程产生电磁干扰容易控制，此外由控制系统获得可变宽度信号比获得可变频信号容易实现。图4.10带DC-DC变换电路的同步电荷提取电路由于压电陶瓷成生的电压经过整流以后仍然非常的很大，不能直接应用于某些低功率的负载。为能得到所需要的输出电压

14、，所以在电容Cr和电池之间串联一个DC-DC变换电路如图4.10所示。这里的DC-DC变换器是降压式的并且工作在电感电流断流模式（DCM）下。它的主要功能为调节整流后的电压，把高电压小电流电信号转换成低电压大电流电信号，以满足应用场合的需求。由图4.10可以得到： （4-4） （4-5）其中的表达式为： （4-6）并代入（4-5）得: （4-7）忽略电压转换中的能量损耗，由能量守恒定律可得： （4-8）由公式（4-4）、（4-6）、（4-7）、（4-8）得： （4-9）由公式（4-4）可以得到: （4-10）从而可以求解出输入电压Vr，如式（4-10）： （4-11）所以压电陶瓷输出电能的功率

15、为： （4-12）当占空比D的取值为式（4-12）时，压电结构输出电能的功率最大。 （4-13）在功率峰值，压电极化电流的函数为 （4-14）代入公式（4-12）得： （4-15）由于最大功率传输，整流电压被保持在开路电压一半的状态；当电压越来越大的时候，最佳占空比也越来越接近于一个常量。假设有足够大的转换器输入输出电压的不同，最佳占空比开始成为一个相对常数，近似为： （4-16）由此可以看出转换器的最佳占空比依赖于电感和开关频率，压电组件的电容，压电组件的机械激发频率。4.3.2同步电荷提取电路仿真完整的同步电荷提取电路由两部分组成，分别为控制信号产生电路和带Buck型转换同步电荷提取电路。

16、上一节已经对Buck型转换器的同步电荷提取电路进行了理论分析，本小节我们根据最优占空比来设计控制信号，设计出完整的同步电荷提取电路，并通过软件进仿真。1、控制信号电路仿真由上一小节的理论知识可知对于带Buck型的DC-DCConverter同步电荷提取电路，为了让能量回收电路的功率达到最高，必须要有一个合适的脉冲控制电子开关的导通和断开，进而实现能量回收效率的最优，所以开关信号的仿真是这部分的关键。根据公式（4-22），当L=10mh,Cp=250Nf,则D=4.6%。因此设计一个采用555定时器产生固定占空比为4.6%的信号来控制Buck型的DC-DCConverter电路中的开关，具体电路

17、如下： 图4.11开关控制电路控制电路主要由一个555定时器构成，555定时器产生一定占空比的信号，然后通过与非门控制开关。模拟开关可以用场效应管来充当。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制。图4.12555定时器原理图555定时器含有两个电压比较器C1和C2、一个基本RS触发器、一个放电管T以及三个5K电阻构成的分压器。因其采用了3个5K的电阻，故被称为555定时器。由分压提供给比较器

18、C1和C2的参考电压分别为2/3UCC和1/3UCC。外引线8为电源端，1为接地端，5为电压控制端，在此端可外加一电压比较器的参考电压，不用时，可接0.01uF电容到地，防止干扰引入。图中所示的控制信号发生电路接通电源以后，电源通过电阻R1和二极管D1对电容C1充电，UC1上升到略高于2/3UCC时，比较器C1的输出为0（C2的输出为1），基本RS触发器被置0，U0为0.同时T管导通，电容C1通过R2、D2和T放电，UC1下降。当UC1下降到略低于1/3UCC时，比较器C2的输出为0（C1的输出为1），基本RS触发器置1，U0又由0变为1。此时T管截止，电源又将通过电阻R1和D1对电容C1充电

19、。如此周而复始，产生多谐振荡。在仿真实验中，PSPICE中555多谐振荡器不能起振，分析其原因在于起振源，实际振荡电路之所以能自行起振是由于起振源的存在。实际振荡电路的起振源主要由两方面因素构成：一是由振荡电路晶体管内部的噪声和电路噪声（电阻热噪声等）引起；二是由电路接通电源瞬间的冲击电流引起。但是直接利用PSPICE对图4.17电路进行模拟仿真时，PSPICE会将电路中的555定时器、电阻、电容、电源等组件和电路的接通过程都理想化，所以不能产生任何噪声。没有起振源，自然就不能产生振荡。可见仿真结果如图4.13所示：图4.13仿真控制开关波形图通过多次实验，找出了模拟实际振荡电路的两种有效起振

20、方法：第一，可在电容C1两端加一个微小的电压；第二，初始值进行瞬态分析时，在simulastionsettings中激活Skiptheinitialtransientbiaspointcalculation选项，从而忽略初始瞬态偏置点的计算，直接使用各组件的起始条件来作瞬态分析。利用电容上的初始电压来模拟起振源，从而激发振荡电路产生持续的振荡。2、完整的同步电荷提取电路完整的同步电荷提取电路图如下所示，首先555定时器产生最优占空比的控制信号使采集功率达到最优。然后通过N沟道增强场效应管模拟控制开关控制同步电荷提取电路，使其在最优占空比的条件下达到功率的最优化。图4.14完整的同步电荷提取电路4.4本章小结本章根据压电能量采集电路的等效电路，研究了经典能量采集电路和带BUCK型DC-DC转换器的同步电荷采集电路，并通过仿真软件ORCAD/PSpice分别对两种电路进行仿真得到如下结论：（1）经典能量采集电路当负载电压为开路电压一半时达到负载功率最大。（2）在同步电荷提取电路中通过调节占空比D可以改变负载功率的变化，存在一个最优占空比。（3）同步电荷提取电路的负载功率随负载的变化不大，是经典能量采集电路最大负载功率的3.8倍左右。通过仿真可以得知采用同步电荷提取电路可以大大的提高采集能量的效率。