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一種雙路信號(hào)源電路的研制

2020-10-26 09:40邢變麗
通信電源技術(shù) 2020年13期
關(guān)鍵詞:雙路信號(hào)源技術(shù)指標(biāo)

邢變麗,溫 潔

(1.陜西華經(jīng)微電子股份有限公司,陜西 西安 710065;2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引 言

該雙路信號(hào)源電路的主要功能是產(chǎn)生兩路頻率400 Hz、相位相差90°的正弦信號(hào),外圍加上集成功率運(yùn)算放大器,完成功率驅(qū)動(dòng)功能。該產(chǎn)品主要用于平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,作為旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁信號(hào)。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是體積小、重量輕、外圍元件少、性能穩(wěn)定、可靠性高以及安裝方便[1]。電路經(jīng)過(guò)二次包封,產(chǎn)品的抗絕緣和抗干擾性能良好。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

雙路信號(hào)源電路的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示,產(chǎn)品的外形尺寸見圖1。

表1 雙路信號(hào)源電路的主要的技術(shù)指標(biāo)

圖1 產(chǎn)品外形尺寸

2 設(shè)計(jì)原理

該電路是一個(gè)信號(hào)發(fā)生電路,由時(shí)鐘產(chǎn)生電路、分頻電路、移相分頻電路以及濾波電路組成。它是一種輸出穩(wěn)定的正弦波產(chǎn)生電路。經(jīng)過(guò)對(duì)該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的仔細(xì)分析,擬定了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)對(duì)方案進(jìn)行論證和評(píng)審,最終確定了產(chǎn)品的工作原理,如圖2所示[2]。

U1、U2、U3三個(gè)數(shù)字集成電路均通過(guò)電壓基準(zhǔn)LM431提供±2.5 V的工作電壓,U4通過(guò)±15 V直接供電。U1外接晶體振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),通過(guò)U3對(duì)此時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行10分頻,然后通過(guò)U2對(duì)此時(shí)鐘信號(hào)再進(jìn)行分頻和移相。U4和外接的電阻、電容組成RC有源低通濾波電路,對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波,從而得到電路所要求的雙路正弦波信號(hào)。

圖2 電路原理圖

2.1 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

U1是14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器,是一種將振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制分頻器結(jié)合在一起的多功能集成電路。在它的10腳與11腳之間接上RC振蕩電路或晶體振蕩電路,則可通過(guò)不同的引腳輸出不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)作為后級(jí)U3的時(shí)鐘輸入信號(hào)。

U1各引出腳輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率的計(jì)算方法為f/2n,其中f為晶振頻率,n為分頻級(jí)數(shù)。根據(jù)輸出頻率的要求,該電路中晶振的頻率選用2 048 kHz,則6腳輸出的時(shí)鐘信號(hào)頻率為2 048 kHz/27=16 kHz。

2.2 移相分頻電路

U2、U3是一種預(yù)置N分頻器,由5個(gè)Johnson計(jì)數(shù)器位組成。若單獨(dú)使用,它可以實(shí)現(xiàn)10(Q5非連接data)分頻、8(Q4非連接data)分頻、6(Q3非連接data)分頻、4(Q2非連接data)分頻以及2(Q1非連接data)分頻功能,即偶數(shù)分頻功能;若與別的元件配合使用,還可以完成奇數(shù)分頻,同時(shí)也可以完成相移功能。此分頻器內(nèi)部包含5個(gè)級(jí)聯(lián)的D觸發(fā)器,將不同的Qn輸出端連接到DATA數(shù)據(jù)輸入端,完成不同的分頻功能。

為了達(dá)到所需頻率的要求,先將前級(jí)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行10分頻,再進(jìn)行移相分頻。在該產(chǎn)品中,由于A、B兩相要求90°的相位差,將其4腳(Q2非)和1腳(DATA)相連,則5腳(Q1非)和11腳(Q4非)輸出的方波相位相差90°,同時(shí)完成了4分頻的功能。

U2經(jīng)過(guò)10×4分頻后,頻率為16 kHz/10/4=400 Hz。

2.3 RC有源濾波電路

在方波轉(zhuǎn)化為正弦波的電路中,選用RC有源濾波電路。經(jīng)查閱大量的有關(guān)濾波電路的資料,最后選用有限增益單反饋環(huán)型4階低通濾波電路。如圖2所示,低通濾波電路部分,R、C與截止頻率有關(guān),R1、R2、R3決定濾波器的放大倍數(shù)。經(jīng)過(guò)周密的設(shè)計(jì)和計(jì)算,R選20 kΩ的電阻,C選0.02 μF(兩只0.01 μF的電容并聯(lián))的電容,R1、R2、R3均選用10 kΩ電阻。大量實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的雙路信號(hào)源電路能達(dá)到用戶的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品在整機(jī)中的作用、產(chǎn)品的安裝方式以及對(duì)體積、機(jī)械性能、使用環(huán)境等的要求,在產(chǎn)品達(dá)到用戶各方面要求的條件下,根據(jù)成本核算,決定選用厚膜組裝工藝。內(nèi)置芯組采用已封裝器件,封裝結(jié)構(gòu)采用雙列直插式環(huán)氧樹脂灌封塑料外殼封裝。

2.5 可靠性設(shè)計(jì)

為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性,從陶瓷基板到漿料、元器件選取,均選用公司經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的合格供方的材料,以保證原材料和元器件質(zhì)量的可靠性,并嚴(yán)格按照《采購(gòu)產(chǎn)品檢驗(yàn)規(guī)范》對(duì)進(jìn)廠原材料進(jìn)行檢驗(yàn)。在采購(gòu)和生產(chǎn)環(huán)節(jié),始終以質(zhì)量為核心。通過(guò)用戶使用和鑒定檢驗(yàn)環(huán)節(jié),充分說(shuō)明產(chǎn)品的可靠性達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)電路的工作原理及技術(shù)指標(biāo)要求,經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析電路中所使用元器件的選用,需選用滿足要求的元器件,并根據(jù)《設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)GJB/Z299C—2006》對(duì)整個(gè)電路的元器件進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。該產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間為1.882 74×105h。

結(jié)合以往類似產(chǎn)品的使用情況、驗(yàn)證結(jié)果及該產(chǎn)品的使用環(huán)境,加上該產(chǎn)品的輸出功率很小,對(duì)散熱沒有特殊要求,所以采用塑料外殼環(huán)氧樹脂灌封封裝,能滿足產(chǎn)品的使用要求。

3 技術(shù)難點(diǎn)和解決措施

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

此雙路信號(hào)源電路和產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)原理比較成熟。但是,在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同批次的容量相同的電容,盡管相同的精度要求,但供方提供的元件偏離標(biāo)稱值的方向不同,導(dǎo)致不同批次的電容對(duì)于同一批次的基片,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的程度不同,甚至整批超差,給該電路模塊在生產(chǎn)中造成了困難。

3.2 解決措施

(1)產(chǎn)品配套時(shí),所使用的電容進(jìn)行仔細(xì)分選、配對(duì),使配對(duì)后的電容容量之和盡量一致,再根據(jù)配對(duì)后的電容范圍將基片上的兩個(gè)電阻進(jìn)行修正,以保證所有的電容都能使用,并且產(chǎn)品的所有性能指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求。

(2)不同批次的電容對(duì)應(yīng)不同批次的基片時(shí),由于濾波電路部分所有電阻的影響程度不同,對(duì)每批次的產(chǎn)品都必須進(jìn)行試流。在試流的過(guò)程中進(jìn)行功能調(diào)阻,以確定要修正的電阻值,再根據(jù)確定的電阻值對(duì)同一批次的基片上的個(gè)別電阻進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)阻(確保批量生產(chǎn)和試流產(chǎn)品為同一批次的電容),然后批量投產(chǎn),保證整批產(chǎn)品的合格率。

4 結(jié) 論

該產(chǎn)品選用的是傳統(tǒng)的厚膜工藝和塑料外殼封裝結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)產(chǎn)品的體積要求越來(lái)越小,對(duì)產(chǎn)品的工作環(huán)境要求越來(lái)越嚴(yán)酷,這就要求改進(jìn)產(chǎn)品的工藝(如采用管芯化工藝)和封裝結(jié)構(gòu)(金屬全密封結(jié)構(gòu))縮小產(chǎn)品的體積。所以,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,為用戶提供更小、更可靠、更穩(wěn)定的小型化產(chǎn)品將是不斷追求的目標(biāo)。

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