论文部分内容阅读
【摘要】从开关电源的思路出发，对双折射测试仪的可调直流电压电路部分进行了改进。用开关电源PWM控制芯片UC3842设计取代了原来的单管自激式直流变换器，并对差动输出电路进行了重新设计。阐述了电路工作原理，并对改进后的电压源进行了连机调试，结果性能良好。
【关键词】双折射测试仪；UC3842；高压逆变；差动输出
1.引言
双折射率是表征各向异性晶体光学特性的一个重要的光学参数，它决定于材料的成分结构以及生成条件等多种因素，并且与波长有关[1]。测量双折射率的方法多样，电光调制法就是其中一种。这里的双折射测试仪便是基于电光调制的原理测量双折射率的一台仪器。
本文对北京大学无线电厂在1982年生产的一台双折射率测试仪的可调直流电压源部分进行了改进，用开关电源代替了原来的高压逆变电路，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。
2.双折射率测试仪的原理
该双折射测试仪采用激光—电光调制的方法[2]，即：
这里代表待测样品的双折射率，和分别代表半波电压和调制电压，代表样品厚度，对一个电光调制器来说，它的半波电压在温度不变的情况下是一个确定值，而此时光程差和的比值可看做一常数，因此双折射率只和這里的调制电压有关。
双折射率测试仪是一种测量双折射率的仪器。其本身是由氦-氖激光管及电源、光具座、电光调制器等光学部分和光电调制器的交、直流调场电源、调制信号检测、显示及直流电压测试等电路部分组成。其核心器件是电光调制器。经高压电路生成的可调直流电压上加载一个同步载波信号，两者共同输入电光调制器用以对通过电光调制器的入射光的光程差进行控制，如图1所示。
其中可调直流电压电路部分如图中虚线框中所示，主要包括高压逆变、整流滤波、稳流控制、差动输出四部分[3]。高压逆变、整流滤波电路采用晶体管和高频变压器等器件构成单管自激式直流变换器。将稳压电源供给的-18V电压逆变成20KHz左右的方波，经变压器升压，得到建立高压电场所需的+1KV电压，以及信号显示部分示波管所需的+1150V、-400V、-450V，共四组电压，分别经高压硅堆整流、滤波送至各部。稳流控制电路实际上就是一个电压-电流转换器，通过控制震荡管的基极电流，使变换器的输出电压保持稳定。差动输出电路采用高压的差分对，以差分管两个集电极作为输出端，用三极管接成恒流源的形式，电位器W用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。
经分析，原电路的高压逆变电路具有分立元器件过多、输出不稳当等缺点，这里可以对其重新设计。
3.可调直流电压电路设计
新的设计思路主要对高压逆变部分进行设计，其设计方法采用开关电源的思想。
3.1 脉冲宽度调制（PWM）控制芯片UC3842
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源[4]。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。其工作原理框图如图2所示。
UC3842是美国Unitorde公司生产的一种高性能单端输出电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率半导体器件，并具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，故广泛应用于计算机、显示器、便携式电子产品等系统电路中作开关电源控制芯片[5]。
3.2 高压逆变电路设计
改进后的高压逆变电路如图3所示。220V市电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻R1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器W1降压后加到UC3842的供电端（7脚），为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组3、4脚的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另一方面经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端2脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。4脚和8脚外接的R6、C7决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C5用于改善增益和频率特性。6脚输出的方波信号经R8、R10分压后驱动BG1功率管，变压器原边绕组1、2脚的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R11用于电流检测，经R9、C9滤波后送入UC3842的3脚形成电流反馈环。所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的3脚电压高于1V时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。
3.3 差动输出电路设计
差动输出电路基本上沿用原来的思想.由直流变换器得到的+1KV高压，还不能直接送到电光调制器上，必须将其变成极性可变，电压连续可调的电压源，供给调制器。根据使用要求，这里采用的是高压的差分对，以差分管T5、T9的两个集电极作为输出端，电位器W1用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。输出电压的连续调整由设置在面板上的多圈电位器W2、W3实现。由+12V和-12V稳压电源经过两稳压管D2、D4做二次稳压，分别接到W2、W3的两端，使电位器在整个调节范围内，输出端电压由+1KV至-1KV连续可调。电位器W2做为电压细调，W3做为电压粗调。设计后的电路图如图4所示。
整个电路用到一些常用压值的电压如+12V、-12V。因此电源的设计可以采用传统的变压、整形、滤波、稳压的方法得到。由于这两电源输出的电流都小于1A，所以+12V电压的获得可以利用稳压芯片7812，而单片机所需要的-12V电压同理可采用7912电源模块得到。
4.双折射率测试仪改进后实施与调试
双折射测试仪测量玻片双折射率时，除了必须读取电压表的数值外主要需要观察示波器波形的变化。
先将改进后的直流电压电路连接至原仪器的其他电路，然后调试。
如图5所示。调试时先打开开关，调节面板，使示波器波形呈标准正弦波。然后加上样品，并转动放玻片的转盘450，这时波形发生变化，不再是标准正弦波。最后打开电压输入装置，并调节输入电压，使波形重新变为正弦波。这时用电压表测量出直流电压电路接入电光调制器的电压便可计算出样品的双折射率。经过多次试验表明改进后该仪器效果良好。
5.结束语
经过长时间使用，改造后的可调直流电压源工作稳定、可靠性高、成本低等优点，可在测量仪器中推广使用。
参考文献
[1]周文平.晶体材料折射率的测量方法研究[D].曲阜师范大学，2007.
[2]马玲，沈小丰，王杰.电光调制系统设计[J].电子工程师，2007，33（3）：38-39.
[3]北京大学无线电厂.SZY-1型双折射测试仪说明书[S].
[4]路秋生.开关电源技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2009：1-2.
[5]朱俊林，刘细平，许伦辉.基于UC3842的电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究[J].现代电子技术，2003（9）：23-25.
作者简介：高彬（1962—），男，山东临沂人，广播电视工程工程师，山东省广播电影电视局蒙山转播台台长助理。
【关键词】双折射测试仪；UC3842；高压逆变；差动输出
1.引言
双折射率是表征各向异性晶体光学特性的一个重要的光学参数，它决定于材料的成分结构以及生成条件等多种因素，并且与波长有关[1]。测量双折射率的方法多样，电光调制法就是其中一种。这里的双折射测试仪便是基于电光调制的原理测量双折射率的一台仪器。
本文对北京大学无线电厂在1982年生产的一台双折射率测试仪的可调直流电压源部分进行了改进，用开关电源代替了原来的高压逆变电路，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。
2.双折射率测试仪的原理
该双折射测试仪采用激光—电光调制的方法[2]，即：
这里代表待测样品的双折射率，和分别代表半波电压和调制电压，代表样品厚度，对一个电光调制器来说，它的半波电压在温度不变的情况下是一个确定值，而此时光程差和的比值可看做一常数，因此双折射率只和這里的调制电压有关。
双折射率测试仪是一种测量双折射率的仪器。其本身是由氦-氖激光管及电源、光具座、电光调制器等光学部分和光电调制器的交、直流调场电源、调制信号检测、显示及直流电压测试等电路部分组成。其核心器件是电光调制器。经高压电路生成的可调直流电压上加载一个同步载波信号，两者共同输入电光调制器用以对通过电光调制器的入射光的光程差进行控制，如图1所示。
其中可调直流电压电路部分如图中虚线框中所示，主要包括高压逆变、整流滤波、稳流控制、差动输出四部分[3]。高压逆变、整流滤波电路采用晶体管和高频变压器等器件构成单管自激式直流变换器。将稳压电源供给的-18V电压逆变成20KHz左右的方波，经变压器升压，得到建立高压电场所需的+1KV电压，以及信号显示部分示波管所需的+1150V、-400V、-450V，共四组电压，分别经高压硅堆整流、滤波送至各部。稳流控制电路实际上就是一个电压-电流转换器，通过控制震荡管的基极电流，使变换器的输出电压保持稳定。差动输出电路采用高压的差分对，以差分管两个集电极作为输出端，用三极管接成恒流源的形式，电位器W用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。
经分析，原电路的高压逆变电路具有分立元器件过多、输出不稳当等缺点，这里可以对其重新设计。
3.可调直流电压电路设计
新的设计思路主要对高压逆变部分进行设计，其设计方法采用开关电源的思想。
3.1 脉冲宽度调制（PWM）控制芯片UC3842
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源[4]。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。其工作原理框图如图2所示。
UC3842是美国Unitorde公司生产的一种高性能单端输出电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率半导体器件，并具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，故广泛应用于计算机、显示器、便携式电子产品等系统电路中作开关电源控制芯片[5]。
3.2 高压逆变电路设计
改进后的高压逆变电路如图3所示。220V市电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻R1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器W1降压后加到UC3842的供电端（7脚），为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组3、4脚的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另一方面经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端2脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。4脚和8脚外接的R6、C7决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C5用于改善增益和频率特性。6脚输出的方波信号经R8、R10分压后驱动BG1功率管，变压器原边绕组1、2脚的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R11用于电流检测，经R9、C9滤波后送入UC3842的3脚形成电流反馈环。所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的3脚电压高于1V时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。
3.3 差动输出电路设计
差动输出电路基本上沿用原来的思想.由直流变换器得到的+1KV高压，还不能直接送到电光调制器上，必须将其变成极性可变，电压连续可调的电压源，供给调制器。根据使用要求，这里采用的是高压的差分对，以差分管T5、T9的两个集电极作为输出端，电位器W1用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。输出电压的连续调整由设置在面板上的多圈电位器W2、W3实现。由+12V和-12V稳压电源经过两稳压管D2、D4做二次稳压，分别接到W2、W3的两端，使电位器在整个调节范围内，输出端电压由+1KV至-1KV连续可调。电位器W2做为电压细调，W3做为电压粗调。设计后的电路图如图4所示。
整个电路用到一些常用压值的电压如+12V、-12V。因此电源的设计可以采用传统的变压、整形、滤波、稳压的方法得到。由于这两电源输出的电流都小于1A，所以+12V电压的获得可以利用稳压芯片7812，而单片机所需要的-12V电压同理可采用7912电源模块得到。
4.双折射率测试仪改进后实施与调试
双折射测试仪测量玻片双折射率时，除了必须读取电压表的数值外主要需要观察示波器波形的变化。
先将改进后的直流电压电路连接至原仪器的其他电路，然后调试。
如图5所示。调试时先打开开关，调节面板，使示波器波形呈标准正弦波。然后加上样品，并转动放玻片的转盘450，这时波形发生变化，不再是标准正弦波。最后打开电压输入装置，并调节输入电压，使波形重新变为正弦波。这时用电压表测量出直流电压电路接入电光调制器的电压便可计算出样品的双折射率。经过多次试验表明改进后该仪器效果良好。
5.结束语
经过长时间使用，改造后的可调直流电压源工作稳定、可靠性高、成本低等优点，可在测量仪器中推广使用。
参考文献
[1]周文平.晶体材料折射率的测量方法研究[D].曲阜师范大学，2007.
[2]马玲，沈小丰，王杰.电光调制系统设计[J].电子工程师，2007，33（3）：38-39.
[3]北京大学无线电厂.SZY-1型双折射测试仪说明书[S].
[4]路秋生.开关电源技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2009：1-2.
[5]朱俊林，刘细平，许伦辉.基于UC3842的电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究[J].现代电子技术，2003（9）：23-25.
作者简介：高彬（1962—），男，山东临沂人，广播电视工程工程师，山东省广播电影电视局蒙山转播台台长助理。