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用想象力进行测量

2020-07-01 09:11:54 John Dunn 阅读:
您是否曾经羡慕过能够使用各种精美、昂贵测试设备的工程师?您是否又曾经遇到过由于物理接触困难,参数无法测量的情况?某些情况下,我们唯一可用的实际测量工具就是自己的想象。本文提供了两个案例对此进行说明。

您是否曾经羡慕过能够使用各种精美、昂贵测试设备的工程师?您是否又曾经遇到过这样一种情况:您前方实验台上所放物品受某个参数影响,您如果能测量这个参数,那您就会去测量它,但是由于物理接触困难,这事做不到?ylwednc

面对现实吧,在某些情况下,我们唯一可用的实际测量工具就是自己的想象。考虑到这一点,我们来研究下以下两个案例。ylwednc

案例1

几年前,我写了一篇文章来讲述如何减少麻烦的开关电源中的脉冲抖动。我用一对串联RC对电源PWM芯片的Ct定时电容器进行了并联(图1)。ylwednc

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图1:将一对RC添加到RtCt电路上。ylwednc

这样做起作用的原因是,这里存在LC电路,它是由Ct电容本身和其上所连接的任何电感所构成,而这对串联RC的电阻损耗使其Q值得到了降低。这些电感是电容器本身的电感加上布线的电感,即使在物理上与该布线恰好一样短。ylwednc

即使我没有示波器和示波器探头,看不到可靠的波形,但我知道会发生什么。我知道,功率MOSFET开关所产生的脉冲,肯定对Ct产生了某种高速振铃。通过在Ct上添加一对RC,引入阻尼,就可以消除实际上看不到的麻烦的振铃。ylwednc

然后,我把那篇文章的相关链接发布在了领英和一个领英群里,却得到下面这个颇具讽刺意味的评论:“这就是个‘试试看’的例子,这种方法我在上世纪六十年代设计电路时就用过。”ylwednc

这不是什么“魔术电容器”工程学院所讲述的东西。我已经设想了Ct会发生什么情况,然后在此基础上找到了解决方法。我对可能发生的事情有一个直观的想象。ylwednc

案例2

几十年前,我设计了一个带自动增益控制(AGC)的正弦波振荡器。这是一个韦恩桥式电路,设置在+15V的单轨电压下运行。图2是其原理图,它所提供的输出为1Vp-pylwednc

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图2:这个正弦波振荡器是一个韦恩桥式电路,设置为在+15V的单轨电压下运行。ylwednc

U2a在AGC回路中起到精密整流器的作用。在D1的阴极处所得波形为输出正弦波的半波整流,但是把20kΩ电阻R6加进去后,所产生的、传递到U1b误差放大器求和点处的电流,就等效于全波整流了。ylwednc

基本概念很简单,如图3所示。ylwednc

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图3:将半波整流波形与正弦波相加,即可实现全波整流。ylwednc

但是有位同事却说我错了。他的意见是,半波整流器就是个半波整流器,20kΩ电阻在此没有任何作用,应将它去掉。ylwednc

当时我没有任何可用的SPICE版本,也没有办法把电流探头包裹在任何电路走线上。因此,我无法证明我的全波主张,我也就无法使这位错误的同事相信实际发生的事情。ylwednc

但是今天,通过使用SPICE,我们可以看到曾经所无法看到的(图4),即如果在误差放大器的求和点处设置2:1的比例(SPICE模型中的R11和R13),那么把正弦波本身加到半波整流波形上,就可以得到全波整流。ylwednc

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图4:仿真结果显示,在误差放大器的求和点处设置2:1的比例,可以实现全波整流。ylwednc

但是,我所使用的SPICE版本确实给我带来了一个问题。实际装置中所使用的结型FET(JFET)是2N4391,但那一版SPICE软件包中没有对这个器件进行建模。因此,我只能使用里面仅有的JFET模型来替代,但是要想使这个SPICE仿真振荡器真正振荡起来,就必须将JFET的1kΩ反馈电阻提高到10kΩ。ylwednc

如果这么做可以接受的话,就可以看到有全波整流的电流流入误差放大器的求和点。同样,这个电路得以工作,我也是通过在大脑里想象而实现的。ylwednc

有时,您的大脑可以让您做泰克、是德和福禄克等仪器制造商所无法企及的事情。ylwednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Making measurements with your mind's eyeylwednc

本文为《电子技术设计》2020年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ylwednc

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John Dunn
John Dunn是资深电子顾问,毕业于布鲁克林理工学院(BSEE)和纽约大学(MSEE)。
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