加速電容在電路中的應(yīng)用

1 前言

最近在兩篇帖子中分別介紹了加速電容在電路中的妙用和加速電容在電路中如何選型。今天硬件花園再來介紹一下，加速電容在電路中的應(yīng)用都有哪些。

加速電容主要應(yīng)用在數(shù)字量輸出電路、示波器探頭、直流電機控制電路。

2 數(shù)字量輸出電路

在工業(yè)現(xiàn)場往往需要使用數(shù)字量信號來驅(qū)動外部的執(zhí)行機構(gòu)、顯示燈等負載，采用不同的輸出器件可以使數(shù)字量輸出信號具有不同的輸出形式，如繼電器輸出、可控硅輸出和三極管輸出等，其中三極管輸出電路應(yīng)用最為廣泛，下面以三極管輸出電路為例說明加速電容在數(shù)字量輸出電路中的應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用場合不同又可以分為低速數(shù)字量輸出電路和高速數(shù)字量輸出電路。，如圖4.1(a)所示為低速數(shù)字量輸出電路，電路采用了集電極開漏結(jié)構(gòu)，根據(jù)各種應(yīng)用可以外接不同類型的負載，R3為三極管基極的限流電阻，根據(jù)2.2節(jié)內(nèi)容可得輸出信號會受到三極管存儲時間影響。在Ui輸入幅值3.3V頻率200k的方波，外接510歐姆的純電阻負載，Uo端得到的輸出波形如圖4.1(b)所示，測量存儲時間ts1=1.6μs，當(dāng)輸入波形從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，輸出波形會延遲1.6μs才開始變化，因此對于高速信號或者對波形延遲參數(shù)要求很高的負載，該電路并不適用。

如圖4.2(a)所示為高速數(shù)字量輸出電路，其和低速數(shù)字量輸出電路相比多了一個加速電容C1，根據(jù)2.2節(jié)內(nèi)容可得電容C1可以減小三極管的存儲時間，在Ui輸入幅值3.3V頻率200k的方波，外接510歐姆的純電阻負載，Uo端得到的輸出波形如圖4.2(b)所示，存儲時間ts1=0，輸出波形幾乎沒有延遲，如果不考慮輸出信號邊沿速率，該電路可以適用于一般的高速應(yīng)用場合。

3 示波器探頭

示波器探頭一般都有×1檔和×10檔兩個量程，如圖4.3(a)所示為探頭簡化示意圖，選擇×1檔時輸入信號未經(jīng)衰減直接進入示波器，選擇×10檔時輸入信號經(jīng)過R1和R2的分壓衰減10倍后再進入示波器。

從上圖可以看出，×1檔的輸入電容為Cx+C2，輸入示波器信號的邊沿速率會因Cx和C2充放電過程而變緩慢，×10檔增加了C1加速電容，根據(jù)2.1節(jié)阻容負載加速電容的原理，C1消除了輸入電容的充放電影響，加快了輸入信號的邊沿速率，因此在測量高速信號時應(yīng)該選擇×10檔。選擇×10檔時，為了確保輸入示波器波形不失真，根據(jù)3.1節(jié)阻容負載加速電容選型要求應(yīng)該使得電阻分壓值和電容分壓值滿足如下表達式：

由于不同示波器的輸入電容C2存在差異，探頭制造廠商為了滿足不同輸入電容的要求，在探頭內(nèi)部加入了一個可調(diào)電容Cx，在使用×10檔測量信號前，必須先校準(zhǔn)探頭，調(diào)節(jié)Cx滿足表達式4，×1檔沒有加速電容不存在加速電容導(dǎo)致的波形失真問題，所以在使用×1檔時不需要校準(zhǔn)探頭。如圖4.3(b)所示，示波器面板有一個標(biāo)準(zhǔn)方波輸出端口，通過探頭測試標(biāo)準(zhǔn)方波，同時使用螺絲刀調(diào)節(jié)探頭末段的微調(diào)電容Cx，觀測示波器輸出波形，當(dāng)觀測的波形為圖4.4(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)方波時，探頭校準(zhǔn)完畢。

4直流電機控制電路

直流電機控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用H橋電路，H橋接法很多，圖4.5為其中一種電路接法（省略了邏輯控制電路和PWM發(fā)生電路），該電路在CD機中被廣泛應(yīng)用。圖4.5中的H橋電路通過控制U1和U2實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)功能，當(dāng)U1為高電平U2為低電平時，Q1和Q4關(guān)斷，Q2和Q3導(dǎo)通，驅(qū)動電流從+5V流出到Q2經(jīng)電機再到Q3最后流入地，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)U2為高電平U1為低電平時，Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3關(guān)斷，驅(qū)動電流從+5V電源流出經(jīng)Q1到電機再到Q4后流入地，電機反轉(zhuǎn)。

通過在U1和U2輸入PWM可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。以正轉(zhuǎn)為例，U2輸入低電平，U1輸入PWM信號，通過調(diào)整輸入信號的占空比控制電機驅(qū)動回路平均電流大小實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。根據(jù)2.2節(jié)晶體管驅(qū)動電路的加速電容原理，如果不接加速電容C1和C2，由于三極管存儲時間的影響，U1輸入信號的占空比和Uo輸出信號的占空比會存在差異，使用電阻代替直流電機負載，在U1輸入50%占空比信號，測試Uo在無加速電容和有加速電容情況下的輸出波形如圖4.6所示。

從上圖可得，無加速電容高電平時間為th1=5.7μs，占空比為：

有加速電容的高電平時間為：th2=5.02μs，占空比變?yōu)椋?/p>

通過上面的計算可得，加速電容幾乎消除了三極管存儲時間的影響，使輸出信號的占空比更接近輸入信號，對于一些需要較高頻率PWM信號驅(qū)動的電機，使用加速電容可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速更精確的控制。

審核編輯：湯梓紅