加速电容在电路中的应用

1 前言
最近在两篇帖子中分别介绍了加速电容在电路中的妙用和加速电容在电路中如何选型。今天硬件花园再来介绍一下，加速电容在电路中的应用都有哪些。
加速电容主要应用在数字量输出电路、示波器探头、直流电机控制电路。
2 数字量输出电路
在工业现场往往需要使用数字量信号来驱动外部的执行机构、显示灯等负载，采用不同的输出器件可以使数字量输出信号具有不同的输出形式，如继电器输出、可控硅输出和三极管输出等，其中三极管输出电路应用最为广泛，下面以三极管输出电路为例说明加速电容在数字量输出电路中的应用。
根据应用场合不同又可以分为低速数字量输出电路和高速数字量输出电路。，如图4.1(a)所示为低速数字量输出电路，电路采用了集电极开漏结构，根据各种应用可以外接不同类型的负载，r3为三极管基极的限流电阻，根据2.2节内容可得输出信号会受到三极管存储时间影响。在ui输入幅值3.3v频率200k的方波，外接510欧姆的纯电阻负载，uo端得到的输出波形如图4.1(b)所示，测量存储时间ts1=1.6μs，当输入波形从高电平变为低电平时，输出波形会延迟1.6μs才开始变化，因此对于高速信号或者对波形延迟参数要求很高的负载，该电路并不适用。
如图4.2(a)所示为高速数字量输出电路，其和低速数字量输出电路相比多了一个加速电容c1，根据2.2节内容可得电容c1可以减小三极管的存储时间，在ui输入幅值3.3v频率200k的方波，外接510欧姆的纯电阻负载，uo端得到的输出波形如图4.2(b)所示，存储时间ts1=0，输出波形几乎没有延迟，如果不考虑输出信号边沿速率，该电路可以适用于一般的高速应用场合。
3 示波器探头
示波器探头一般都有×1档和×10档两个量程，如图4.3(a)所示为探头简化示意图，选择×1档时输入信号未经衰减直接进入示波器，选择×10档时输入信号经过r1和r2的分压衰减10倍后再进入示波器。
从上图可以看出，×1档的输入电容为cx+c2，输入示波器信号的边沿速率会因cx和c2充放电过程而变缓慢，×10档增加了c1加速电容，根据2.1节阻容负载加速电容的原理，c1消除了输入电容的充放电影响，加快了输入信号的边沿速率，因此在测量高速信号时应该选择×10档。选择×10档时，为了确保输入示波器波形不失真，根据3.1节阻容负载加速电容选型要求应该使得电阻分压值和电容分压值满足如下表达式：
由于不同示波器的输入电容c2存在差异，探头制造厂商为了满足不同输入电容的要求，在探头内部加入了一个可调电容cx，在使用×10档测量信号前，必须先校准探头，调节cx满足表达式4，×1档没有加速电容不存在加速电容导致的波形失真问题，所以在使用×1档时不需要校准探头。如图4.3(b)所示，示波器面板有一个标准方波输出端口，通过探头测试标准方波，同时使用螺丝刀调节探头末段的微调电容cx，观测示波器输出波形，当观测的波形为图4.4(a)所示的标准方波时，探头校准完毕。
4 直流电机控制电路
直流电机控制系统中经常使用h桥电路，h桥接法很多，图4.5为其中一种电路接法（省略了逻辑控制电路和pwm发生电路），该电路在cd机中被广泛应用。图4.5中的h桥电路通过控制u1和u2实现电机的正反转功能，当u1为高电平u2为低电平时，q1和q4关断，q2和q3导通，驱动电流从+5v流出到q2经电机再到q3最后流入地，电机正转；当u2为高电平u1为低电平时，q1和q4导通，q2和q3关断，驱动电流从+5v电源流出经q1到电机再到q4后流入地，电机反转。
通过在u1和u2输入pwm可以实现电机转速的控制。以正转为例，u2输入低电平，u1输入pwm信号，通过调整输入信号的占空比控制电机驱动回路平均电流大小实现转速调节功能。根据2.2节晶体管驱动电路的加速电容原理，如果不接加速电容c1和c2，由于三极管存储时间的影响，u1输入信号的占空比和uo输出信号的占空比会存在差异，使用电阻代替直流电机负载，在u1输入50%占空比信号，测试uo在无加速电容和有加速电容情况下的输出波形如图4.6所示。
从上图可得，无加速电容高电平时间为th1=5.7μs，占空比为：
有加速电容的高电平时间为：th2=5.02μs，占空比变为：
通过上面的计算可得，加速电容几乎消除了三极管存储时间的影响，使输出信号的占空比更接近输入信号，对于一些需要较高频率pwm信号驱动的电机，使用加速电容可以实现对转速更精确的控制。