刘长国董文银刘洋范国印。
前言。2008年9月8日–9月12日是吉林省电子设计大赛的时间，我作为指导教师和三名同学一起经历了五天三夜的考验，完成了本次比赛任务。期间有许多值得总结的地方，写出来与电子设计爱好者共勉。
一、选题。2008年9月8日早晨8点是网上选题时间。本次比赛共有a~i九个题目供选择，题目出来后，三个同学在选题上就开始出现了较大的分歧，董文银同学侧重选择与plc有关的几个题目，刘洋同学侧重选择与电力电子有关的几个题目，范国印同学侧重选择与单片机有关的几个题目，三个同学一时争执不下。
第一天下午，我只好安排三个同学分头查资料，晚上时，根据三个人的初步论证，确定选择本科组d题–单相正弦变频稳压电源。
二、方案论证
本科组d题–单相正弦变频稳压电源的任务如下：设计并制作一个单相正弦波变频稳压电源，电源框图如下图1所示。要求：
1. 基本要求（1）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（2）输出频率范围为20hz～100hz，电压有效值为10v～18v的正弦交流电；（3）当输入电压为198v～242v，负载电流有效值为0.5～1a时，输出电压有效值应保持在15v，误差小于5%；（4）具有过流保护，输出电流有效值达2a时动作；（5）dc-ac逆变器效率η≥70％。
2.发挥部分：（1）当输入电压为198v～242v，负载电流有效值为0.
5～1a时，输出电压有效值应保持在15v，误差小于1%；（2）设计制作具有测量、显示该变频稳压电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差小于5%；3.说明：（1）不能使用产生spwm（正弦波脉宽调制）波形的专用芯片；（2）输出功率可通过电流、电压的测量值计算。
图1 单相正弦波变频稳压电源框图。
经过论证，在多种方案可供选择的情况下，我们选择了如下方案：
1．图1中隔离变压器根据需要我们选择二次侧可提供50v、15v、15v三组交流电压的功率为200w的变压器。
2．单相整流电路选用了单相半控整流电路如图2所示。该电路控制灵活，输出电压大小在一定范围内可调节，因此成为被选方案。但我们做完这部分电路时发现，这个电路的触发电路还是有一定难度的。
在设计指标中没对整流器做出硬性指标规定的情况下，我们完全可以采用单相不可控整流电路，从而减少两个晶闸管的触发电路的设计。
本设计采用的rc过电压抑制电路r9、c5并联在变压器次级（元件侧），以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而储存起来，串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制rc回路可能产生的振荡。r10、c6作为直流侧阻容保护电路。
整流电路的触发电路选择由单结晶体管bt33（q3）组成的触发电路如图2所示，虽然移相范围及功率不高，但成本低，可满足设计要求，因此成为被选方案。vd1、vd2输出的触发脉冲做为vt1和vt2晶闸管的触发信号。通过调节电位器rp0来改变触发角的大小，从而改变输出直流电压的大小。
图2 整流器模块原理图。
由于我们是利用自己的pcb实验室来制作pcb板，受条件限制只能做单层板，图2所示原理图在一块pcb板上单层布线很困难。我们将本电路的pcb板分两块来做，一块是整流器的主电路及控制电路板如图3所示，另外一块是触发电路板如图4所示。
图3 整流器模块中主电路及控制角大小控制电路的pcb图。
图4 整流器模块中触发电路的pcb图
3．逆变稳压器选择带中心抽头变压器的逆变电路如图5右侧电路所示。交替驱动两个功率bjt（v1、v2），经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管（d1、d2）的作用也是提供无功能量的反馈通道。
该电路优点是控制电路简单，元件保护技术成熟。逆变开关元件选择功率bjt管是因其**便宜，控制灵活。
图5 逆变稳压器及控制器模块图。
4．单相变频控制器选择由555（u1）组成多谐振荡器与jk（jp1）触发器组成的整形和v4、v5组成的后级放大电路如图5左侧电路所示。此电路控制频率精度高，灵活方便，能完成设计要求指标。
由于555（u1）和jk（jp1）触发器是有源器件，因此本部分电路还需另外制作两组5v和15v的直流稳压电路如图6所示，做为其偏置直流电压源，15v稳压电源还为两个功放管（v3、v4）提供偏置电压。
图6 15v和5v稳压电源。
逆变稳压器及控制器模块图所对应的pcb板图如图7和图8所示。图7为逆变器及控制器模块pcb图；图8为逆变器及控制器模块图中直流稳压源的pcb图。
图7 逆变稳压器及控制器模块pcb图。
图8 逆变稳压器及控制器模块图中直流稳压源的pcb图。
根据设计要求，其中频率的测量采用单独的频率显示模块。需要制作一个led频率计，用来显示输出电压的频率。该部分电路采用的是仅用两块集成电路cd4069和at90s2313组成的频率计。
cd4069用于小信号的放大和整形，at90s2313则是一块精简指令的高速单片机，它在8m时钟下的性能超过了51系列在100m时钟下的性能，在电路中担任测量和显示驱动。由于这个电路比较常用，电路图就不介绍了。实物图请参见图9右上电路板所示。
三、实物制作。
方案确定后，三名同学分工开始绘图、制板、写报告。由于制作pcb板耗时较长，所以在一定程度上影响了进度。在pcb电路板制作过程中又有个别环节出现错误，后来在调试时又耽误了一些时间。
所以我建议以后在没规定必须用pcb板的情况下，尽量采用现成的孔式电路板制作可以节约大量的时间。制作好的实物如图9所示。
图9 制作好的实物。
四．系统调试过程与测试结果。
本实验需要调试的主要有几部分：晶闸管触发电路的测试；输出频率范围测试；用示波器观察输出电压波形等；通过努力，最后终于调好电路，大多数参数基本满足设计要求。
五．结束语
本设计以单相半控桥式电路为整流电路，整流触发电路由单结晶体管组成，调节方便，并设有必要的保护及显示设备。逆变电路采用功率bjt为开关器件，通过带中心抽头变压器形成方波，变换后形成交流波形。逆变触发信号由555组成的振荡电路产生周期可调的多谐信号，通过jk触发器整形及三极管组成的放大电路放大后驱动功率bjt的通与断。
频率显示部分采用单片机at89c2051为核心器件，充分发挥了软件编程的优点。本设计尽量做到了硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其它环境干扰。我们还想实现电流负反馈保护等功能。
但由于时间紧迫，未能如愿，留下了很大的遗憾。
后来在现场测试时看到，吉林大学等代表队大多数采用的是dsp软件编程控制的方法来完成本设计任务的，技术指标远远高于我们靠硬件来实现的设计技术指标。虽然我们的设计还存在不少的缺点，但通过这次活动我们开阔了视野，在和高手的切磋中得到了提高，从中感受到了电子设计与制作的乐趣。
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