第二章模拟系统设计(2)

1、电子系统设计电子系统设计BTR2.7 A/D转换器、转换器、D/A转换器转换器和采样和采样/保存（保存（S/H）电路）电路1.ADC主要技术指标主要技术指标 是指ADC的输出数码变化一个LSB时，输入模拟量的最小变化量，反映ADC对微小变化模拟量的分辨能力； 分辨率VFS/2N，工程上常用相对满量程的百分值来表示，即：分辨率1/2N100。例如上述的10位分辨率为0.1%，因此，也可直接用输出的位数来表示分辨率。v分辨率一一ADC、DAC主要技术指标主要技术指标电子系统设计电子系统设计BTR 量化误差：是一种固有误差，也称舍入误差，一般为1/2LSB； 零误差：也称偏移误差，指的是产生零代码的

2、非零平均模拟输入值； 满量程误差：差也称增益误差，指的是ADC在输出满量程时的误差； 线性误差：也称非线性度，它表示了实际ADC输出各代码中点连线与理想直线的偏离程度； 滞后误差：是指使输出数码变化相同数量时，输入模拟量增加或减小的量的差别；v精度（误差）电子系统设计电子系统设计BTR 是指ADC从启动转换到转换完成所需的总时间； ADC的转换时间与其转换原理有关，并行比较型ADC的转换时间从几纳秒到几百纳秒，逐次逼近型ADC的转换时间从几微秒到几百微秒，双积分型ADC的转换时间从几毫秒至几十毫秒。v转换时间2.DAC主要技术指标主要技术指标 是指数字量变化一个LSB时，对应输出模拟量的变化量

3、； DAC的分辨率常用满度值的百分比来表示，也可直接用位数来表示。v分辨率电子系统设计电子系统设计BTR 是指输入数码变化为满度值时，其输出达到终值附近一定误差范围内（如1/2LSB）所需的时间； 例如DAC0832的ts1s。v建立时间ts 与ADC类似，有零位误差、满量程误差、线性误差等。v精度(误差) 电子系统设计电子系统设计BTR1.主要技术指标的正确理解和选择主要技术指标的正确理解和选择 ADC和DAC的位数愈多即转换器的分辨率愈高。虽然分辨率与精度不是同一件事，但分辨率高的转换器，通常其精度也高。过高的精度没有实际意义，且其价格很贵，因而应根据实际要求选定合理位数； 例如8位ADC

4、的价格较便宜，其精度(误差)能达到0.5%。v分辨率与精度二二ADC、DAC应用知识应用知识 转换速度是一个关键技术指标，双积分型ADC速度很慢，但精度可做得很高；并行比较型ADC速度很快，但价格昂贵；逐次逼近型ADC目前应用最广泛，其转换时间从1微秒到几百微秒，位数从8位到12位以上，且价格相对较低； 总之，对精度、速度及价格要权衡利弊、全面考虑。v转换速度电子系统设计电子系统设计BTR2.输入模拟量的通道数目和量程输入模拟量的通道数目和量程 多数ADC只有一个模拟输入通道，要对多个模拟信号进行转换时，则要另加一个多路转换开关； 有的ADC内部已包含多路转换开关（如ADC0809），可以对多

5、路输入模拟信号进行转换。v输入模拟量通道 ADC的模拟输入范围（量程）常用的有05V，010V，-5V+5V，-10V+10V等； 一般的ADC只有一个模拟输入量程，但有些ADC在不同的输入引脚则有不同的模拟输入范围； 在使用中要尽可能使输入信号最大值接近于ADC的模拟输入的满量程，这样有利于充分利用该ADC的精度性能。v量程 电子系统设计电子系统设计BTR3.与数字系统的接口与数字系统的接口 大部分ADC的输出和DAC的输入为TTL逻辑电平，但也有ECL或CMOS电平，这时要连接电平转换电路； 带有三态锁存器的ADC和DAC，一般可直接连到计算机总线上，否则还得外加三态锁存器作为接口电路。

6、参考电源也称基准电源，是ADC和DAC 进行转换时的基准源。为了保证转换精度，基准电源必须是高精度的稳定电源，一般不要与工作电源合用。4.参考电源与工作电源的要求参考电源与工作电源的要求 工作环境对保证一个系统的性能有很大关系，使用时要考虑诸如环境温度、电网波动对转换器精度的影响。5.工作环境的考虑工作环境的考虑 电子系统设计电子系统设计BTR1.主要技术指标主要技术指标 采样保持电路是数据采集系统中常用的一个部件，常用于逐次逼近型A/D转换器的前端，以保证A/D转换的精度。三三采样保持电路采样保持电路 TAC为开始采样（t0）到Vo(t)跟随Vi(t)变化（t1）之间的时间。采样脉冲宽度必须

7、大于捕获时间TAC 。v捕获时间TAC电子系统设计电子系统设计BTR 又称断开延时时间，指发出保持命令（t2）到开关真正断开（t3）这一小段延迟时间。显然，在孔径时间内，输入模拟信号的任何变化都会引入误差，称作孔径误差。v孔径时间TAP 在保持期间内，电容器CH上电压的下降值。v保持电压下降 电子系统设计电子系统设计BTR2.应用说明应用说明 外接保持电容CH要用高质量的电容器，如聚苯乙烯电容、聚四氟乙烯电容、云母电容等。vCH品种 CH电容值要根据输入信号的频率和转换精度要求来选择， CH太大有利于保持但不利于跟踪，太小则反之； 例如采样/保持器AD582，当CH100pF时，tAC6S，0

8、.1；当CH1000pF时，tAC25S，0.01。vCH电容值电子系统设计电子系统设计BTR 根据采样定理，采样频率必须大于输入的模拟信号频谱中最高频率成分的两倍以上； 如果考虑到采集精度，则会对输入信号的最高频率有十分严格的限制。v是否要接入采样/保持电路的说明 u 例：有一数据采集系统，AD转换器的转换时间Tconv10s，位数为10位，试分析接入采样/保持器的作用。分析：1.根据采样定理，fiMAX1/(2Tconv)=50kHz；2.考虑转换精度，要求转换误差不大于1LSB，则：kHzHzTfVVfTLSBVfdtdVtfSinVVconvNiMAXNFSFSiconvFSiMAXi

9、iFSi50312121|22即：，则若：，则设：电子系统设计电子系统设计BTR3.若在A/D之前接入采样/保持器，设TAP1nS，则：kHzTfVVfTdtdVTAPNiMAXNFSFSiAPMAXiAP310212|即：4.若采样/保持器用AD582 ，且根据精度要求选取CH100pF，则tAC6S，0.1，则：Tconv=TAC+TAP+Tconv16 S根据采样定理： fiMAX1/(2Tconv)31.25kHz5.综合（3）、（4）分析： fiMAX31.25kHz 常用采样/保持器芯片有：AD582、AD583、LF198、LF298、LF398等。3.常用采样常用采样/保持器保

10、持器电子系统设计电子系统设计BTR2.8 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。1.光耦结构光耦结构 光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成； 当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。电子系统设计电子系统设计BTR2.光耦特点光耦特点 光耦输入阻抗小，而干扰源的内阻很大，因而分到光耦输入端的噪声很小； 光耦是在电流状态下工作的，干扰源即使有很高的电压幅度，但由于不能提供足够的电流而被抑制

11、掉； 光耦是在密封条件下工作的，因而不会受外界光的干扰； 光耦的输入与输出回路间分布电容极小，而绝缘电阻很大，所以回路一边的干扰很难通过光耦馈送到另一边。电子系统设计电子系统设计BTR3.光耦主要参数光耦主要参数 以TLP-521为例：型号正向压降VF(V)最大正向电流IFMAX(mA)电流传输比CTR()输出饱和压降VCE(V)反向击穿电压VCEO(V)输入与输出绝缘电压BVS (V)TLP-5211.15(IF=10mA)50100(IF=5mA Vce=5V)0.4(IF=8 mAIC=2.4mA)552500电子系统设计电子系统设计BTR4.应用电路应用电路 除隔离放大器外，光电耦合器

12、主要用于数字系统的输入、输出隔离； 当输入Vi为高电平（或低电平）时，发光二极管流过电流IF并发出红外光，光敏三极管受光激发后导通产生电流IC ，并在RL上产生压降，使输出Vo变为高电平（或低电平）。 光电耦合可以实现3个作用：隔离（抑制干扰）、电平转换、反相。RFViRLVoVCCRFViRLVoVCCVDD电子系统设计电子系统设计BTR5.常用光耦常用光耦 普通光耦：TLP521-1、TLP521-2 、 TLP521-4、4N25、TIL117 ； 达林顿输出：4N32、TIL113； 高速型：6N136、6N137； 双向可控硅输出：MOC3041、MOC3061。电子系统设计电子系统

13、设计BTR2.9 集成稳压器和稳压电源电路集成稳压器和稳压电源电路 电子系统中需要各种直流供电电源，但电力部门提供的是50Hz交流市电。所以，必须先将交流市电降压，整流为直流电，并用滤波器去除脉动成分。再通过直流稳压措施，获得稳定、可靠的直流供电电源。整流滤波稳压降压交流输入直流输出电子系统设计电子系统设计BTR1.降压变压器降压变压器 变压器的输出电压、电流（或功率）应根据稳压电源的输出情况而定； 输出直流电压平均值Vo(AV)及其纹波与RLC时间常数密切相关，RL时，Vo(max)=1.4V2，当C0时， Vo(min)=0.9V2，一般情况下可用下式估算： Vo(AV)=1.1V2 。一

14、一降压、整流与滤波电路降压、整流与滤波电路电子系统设计电子系统设计BTR2.整流桥整流桥 一般采用桥式整流； 整流桥参数应满足：VB(1.21.5)V2(max)，IB(1.21.5)IO 。3.滤波电容滤波电容 在中、小功率整流电路中应用最广泛的滤波方法是使用滤波电容； 当RL（或IO）一定时，C越大，VO波形的脉动就越小。v分析方法： 充电相角cos-1(Vmin/Vmax)， 放电时间t=(-)/2f， 电容储能E=0.5CV2， 电容放电时提供能量: E=Pt=0.5C(Vmax2Vmin2)， C2Pt/(Vmax2Vmin2)电子系统设计电子系统设计BTRu 例：+5V直流稳压电路

15、中，变压器输出V29V，负载电流I1A，求滤波电容的容值。解：Vmax=1.414V2=12.73V，Vmin取为8.5V，cos-1(Vmin/Vmax)=48.1(度)=0.84(弧度)， t=(-)/2f=7.3310-3(秒)，P=0.5(Vmax +Vmin)I=10.6(瓦） C2Pt/(Vmax2Vmin2)=1.73 10-3(法)，取C=2200(微法)。电子系统设计电子系统设计BTR1.固定三端集成稳压器固定三端集成稳压器78/79系列系列 电源电路中最常用的有固定三端集成稳压器78/79系列和可调三端集成稳压器117/137系列。二二集成线性稳压电路集成线性稳压电路 78

16、00系列是正电压输出的三端集成稳压器， 7900系列是负电压输出的三端集成稳压器； 78/79系列内部有能带间隙式基准稳压源，器件根据此基准和输出电压采样值对输出电压进行调整； 稳压器内部还有过流保护和过热保护电路，可靠性很高； 器件只有3个管脚：输入、输出和公共端，使用很方便。v特点电子系统设计电子系统设计BTR 图中：Ci可以改善纹波，Co可以减小纹波和改善负载的瞬态响应。v应用电路 v管脚排列 电子系统设计电子系统设计BTR 能同时输出正、负压的稳压电源。v应用电路 电子系统设计电子系统设计BTR2.可调三端集成稳压器可调三端集成稳压器117/137系列系列 如果需要非标称电压或者要输出

17、电压连续可调，则可采用可调三端集成稳压器117/137系列。 117系列是正电压输出的三端集成稳压器， 137系列是负电压输出的三端集成稳压器； 117/137系列内部有一个稳定性很高的基准源，其电压VR=1.25V； 当输入电压为40V时，输出电压可在1.2537V范围内调整。v特点电子系统设计电子系统设计BTRv应用电路 Iadj=50A，可忽略不计， Vo=1.25(R1+R2)/R1。电子系统设计电子系统设计BTR三三开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路 功耗小、效率高，效率可高达8090或以上； 有降压型和升压型电路，输出电压可低于或高于输入电压； 能得到与输入电压反极性的输出电压，

18、能得到多个直流输出电压； 线路复杂，对模拟电路有一定干扰。v特点电子系统设计电子系统设计BTRvLM2576 开关电源控制器 有3.3V、5.0V、12V、15V固定输出，或1.23 to 37V 可调输出； 输出电流达3.0A； 740V宽输入电压范围； 应用电路简单，只需要4个元件； 高效率：高达88（15V输出）； 有过热和过流保护。电子系统设计电子系统设计BTR 固定输出v典型应用电路 电子系统设计电子系统设计BTR 可调输出电子系统设计电子系统设计BTR 反极性输出电子系统设计电子系统设计BTRvMC34063 开关电源控制器 340V输入电压范围； 输出电压可调：Vout=1.25

19、(1+R2/R1)； 低静态电流（2.5mA）； 开关电流高达1.5A； 工作频率100kHz； 有过流限制功能。电子系统设计电子系统设计BTR 降压输出v典型应用电路 电子系统设计电子系统设计BTR 升压输出电子系统设计电子系统设计BTR 反极性输出电子系统设计电子系统设计BTR2.10 执行机构执行机构 在控制类电子系统中，总有相应的执行机构，具体地实现系统指令所要求的动作和功能。 所谓执行机构，是指把动力源获得的能量变换成机械能，使机械工作的一种装置。它包括电气元件和机械装置两大部分。一一电气元件电气元件 在机电一体化的执行机构中，最常使用的电气元件有步进电机、直流电机和交流电机等； 除

20、此之外，螺线管和电磁铁可获得微小行程，也在一些小型、快速响应系统中获得应用。电子系统设计电子系统设计BTR1.步进电机步进电机 步进电机是一种能将输入脉冲信号转换成相应角位移的旋转电机，它很容易与微处理器系统相连接，是机电一体化产品中重要的电气元件之一。 步进电机按其结构与工作原理，可分为反应式、永磁式、混合式和特种电机四种主要形式。电子系统设计电子系统设计BTRv工作原理 反应式步进电机是利用磁阻转矩使转子转动的； 当A相绕组通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1，3和定子A，A极对齐； 当A相断电，B相通电时，转子将在空间上转过30，使转子与定子B,B极对齐； 如果再使B相断

21、电，C相通电，转子又在空间上转过30； 如此循环往复，并按ABCA顺序通电，电机将按一定的方向转动，若电机按ACBA的顺序通电，则电机将反向运转； 电机的转向取决于绕组通电顺序，电机的转速取决于控制信号的通断变化频率。电子系统设计电子系统设计BTRv驱动电路 单电源驱动电路：u 当功率开关T开通时，Vs通过限流电阻R产生激磁电流流过绕组L；u 当功率开关断开时，绕组L中的能量通过释放电阻RF和释放二极管D释放掉；u 单电源驱动电路结构简单，但效率较低，起动和运行频率不高。电子系统设计电子系统设计BTR 高低压驱动电路：u 接通某相绕组时，高压开关T2和低压开关T1同时接通。此时，二极管D1和D

22、2均处于反偏截止状态，VH和VL串联后向绕组L供电，使绕组电流迅速上升；u 经过很短时间，高压开关T2关断，于是只有低压电源VL经二极管D2和低压开关T1向绕组供电，维持绕组流过额定电流；u 当需要断开绕组电流时，同时关断高、低压开关T1和T2，绕组电流经二极管D1和D2和高压电源VH流通，并迅速衰减至零；u 高低压驱动电路高频特性相当好，电源效率也较高。但电路需要两组电源供电，并且在低频工作时使电机振荡加重，影响电机的平稳运行。电子系统设计电子系统设计BTR 恒流驱动电路：u 当vi输入通电信号时，三极管T1、T2、T3均导通，高压电源VH通过T2、T3使绕组L中的电流迅速上升；u 当绕组电

23、流超过额定电流时，采样电阻R4两端产生高于参考电压VR的电平信号，使电压比较器C的输出由高电平跳变为低电平，并使T1、T2关断。此时，绕组L中的电流通过二极管D2、三极管T3和采样电阻组成的回路缓慢泄放；u 当电流降到额定值以下时，T1，T2再次导通，电源VH又使绕组电流上升。上述过程不断重复，绕组中的电流便保持在额定值上下，呈类似锯齿形波动；u 当vi0时，T1、T2、T3均截止，绕组中的电流通过D2、R5、D3和VH迅速泄放，故电流泄放的时间较短；u 恒流驱动电路有较高的工作频率和电源效率，但由于电流波形顶部呈锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。电子系统设计电子系统设计BTR2.直流电机

24、直流电机 使用直流电源工作的电机叫做直流电机。只要把直流电机的端子接到直流电源上就可以简单地使其运转。 直流电机是一种具有优良控制特性的电机，在角位移控制和速度控制的伺服系统中有着十分广泛的应用。v工作原理 当电流通过电刷和换向器流过线圈时产生转子磁场，并与组成定子的永磁钢产生吸引力或推斥力，从而带动转子旋转； 直流电机由电刷和换向器来切换绕组电流方向，使电机按同一方向旋转，从而带动负载做功。电子系统设计电子系统设计BTR 直流电机的机械特性(nT特性)和调节特性(nU特性)都是直线，因此直流电机具有优良的控制特性； 直流电机的转速和各参量的关系：n=(U-IR)/Ke，因此，直流电机的调速有

25、三种方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通。直流电机调速系统以调压调速为主。v直流电机基本特性 电子系统设计电子系统设计BTR 起停控制v直流电机控制 u 用三极管控制u 用继电器控制电子系统设计电子系统设计BTR 正反转控制u 用三极管控制u 用继电器控制l有正转、反转、断电和能耗制动等四种工作状态。电子系统设计电子系统设计BTR 调速控制u 单向运行u PWM控制u 双向运行l线性控制方式调节平滑，但效率很低，多用于小电机的控制系统；lPWM控制方式具有良好的经济性，但会导致噪声、振动以及电刷和换向器损伤等问题出现；lPWM控制方式已经成为现代电机控制技术的主流。电子系

26、统设计电子系统设计BTR3.交流电机交流电机 使用交流电源工作的电机叫做交流电机； 交流电机的最大优点是结构简单、造价低廉、不需要维护； 但要使交流电机具有和直流电机相媲美的调控特性，就要有相对复杂的控制系统； 典型的交流电机有以下三种：感应电机、同步电机和无刷直流电机。v感应电机工作原理 感应电机的定子由铁芯、线圈构成，定子线圈由交流电源供电，产生旋转磁场。转子由铁芯、线圈或鼠笼构成，由定子磁场感应出旋转磁场，并带动转子旋转。电子系统设计电子系统设计BTRv交流电机调速 调压调速u 调压调速采用改变施加在感应电机定子绕组上的电压进行调速，实质上是一种改变转差率S的调速方法；u 调压调速的方法

27、特别适用于带动风机、水泵的感应电机。在这类负载中，负载转矩T是和转子转速n的平方成正比的。 交流感应电机的转速公式为n=60fI(1-S)/p，因此，可采取以下三种方式调速：改变电机定子供电频率fI，改变转差率S，改变极对数p。 常用的有调压调速、串级调速、变频调速、矢量控制和无换向器电机调速等。电子系统设计电子系统设计BTRu 相位控制调压需要对交流电源的过零时刻进行检测。在电源电压波形一个周期的选定时刻(相位)触发可控硅，使可控硅导通，将负载与电源接通，负载上仅得到部分交流电压；u 改变可控硅的起始导通时刻(触发相位角)，即可得到不同的负载电压波形，从而起到调压的作用；u 改变470k电位器的阻值时，可改变了阻容充电回路的时间常数，改变了双向可