机电一体化第四章机电一体化系统应用电路设计课件

第四章机电一体化系统应用

电路设计第一节电桥电路设计第二节检测信号放大电路设计第三节多功能式信号放大器设计第四节计算机输出接口电路设计第五节V/F-F/V转换器设计下一页第六节开关量控制电路设计第七节直流稳压电源电路设计第八节常用测试仪表选择方法习题与思考题上一页下一页第一节电桥电路设计一、电桥电路设计分析在机电一体化系统设计中，位移、流量、压力、力、角度、力矩、温度等物理信号检测与控制。选用的传感器在测量这些物理量时，首先转换为相对应电阻、电感、电容变化量，必须通过电桥电路转换成电压量输出，才能实现多种物理量的检测。

直流电桥电路的优点：(1)供桥电源采用直流电源，比较容易实现高稳定性，高精度的直流电源，准确度达到小于0.002％；(2)电桥平衡电路简单，输出零点调节方便；(3)电桥输出响应快，适应于静态和动态信号测量；(4)电桥输出电压是直流量，可以用一般的直流仪表测量显示；(5)电桥电路可实现温度补偿作用，减小温度的影响误差。下一页上一页图4-1电桥电路原理图上一页下一页2.应变量测量电桥电路设计在机械结构强度研究中，应变量的测量常采用应变计进行检测，当选择应变计是低阻值时，应变计的电阻为120Ω，应选配无感电桥盒中的三个标准电阻分别为120Ω与应变计组成全桥结构，按照上述方法设计电桥调零电路。若选择应变计是大电阻时，应选配无感电阻，电阻值的大小与所选用的应变计电阻值大小一致，误差不大于0.1％。3.高阻变化测量电桥电路设计在机电一体化系统设计中，温度、位移、湿度、角度等物理信号检测时所用的传感器电阻变化量从几欧姆到几百欧姆，而应变式传感器在测量时，电阻变化量小于1Ω，在设计电桥电路时，基本上是根据传感器应变计电阻大小来设计电桥。当测量传感器电阻变化量较大时，仍按照以上方法设计电桥，就无法实现高精度测量，因此，在设计电桥时，要根据电桥输出的电压大小设计电桥电路参数，电桥电路如图4-2。选择配桥电阻，精度小于0.1％如图4-3所示。电桥电压选用6V电压。上一页下一页图4-2单电阻电桥电路上一页下一页第二节检测信号放大电路设计目前所使用的各种各样的传感器受结构尺寸、体积、功耗及转换功能等因素的限制，传感器的输出信号都比较小，只有几个毫伏到几十毫伏，很难直接用来进行显示和记录，并且在信号传输过程中容易受环境的电磁场干扰，为此在设计检测系统中必须解决信号放大问题。常用的方法是在传感器输出配置电压放大器，对有用信号进行放大，对噪声进行抑制。一、电压放大器电路设计1.同相电压放大器电路设计同相电压放大电路如图4-4所示，同相电压放大器的增益计算式为上一页下一页图4-4同相电压放大器电路上一页下一页2.反相电压放大器电路设计反相电压放大器如图4-5所示，反相电压放大器的输入信号Ui经输入端电阻R1送入反相输入2端，同相输入端经平衡电阻Rp接地。Rf为反馈电阻，它跨接在输出端与反相端之间，形成深度电压并联负反馈，称之为反馈放大电路。输出电压与输入电压相反。电路参数计算方法上一页下一页图4-5反相电压放大器电路上一页下一页图4-6交流电压放大器电路上一页下一页二、测量放大器电路设计测量放大器是一种高性能的差动放大器，由几个运算放大器组成。一个理想的测量放大器的输出电压，仅取决于其输入端的两个电压U1和U2之差，即

Uo=A(U2-U1)(4-1)式中增益A是已知的，它可以在一个宽广的范围内变化。实际的测量放大器应该具有设计时所要求的增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低输入失调电压和低的失调电压温度系数。图4-7表示一个典型的测量放大器。对于共模增益，因U1=U2，所以IG=0，即I1=I2=0，则Uo1=U1，Uo2=U2，因此为单位共模增益。输出放大器A3为差动放大器，其增益为测量放大器的总增益为上一页下一页AD521和AD522集成测量放大器，是美国AnalogDevices公司的产品。使用接线如图4-8所示。以AD522为例，它的1号和3号脚是测量放大器的一对高输入阻抗输入端子。2脚和14脚用来连接电阻RG。4脚和6脚用于放大器调零，13脚为数据屏蔽端，用于连接输入信号引线的屏蔽端，以减少外电场对信号的干扰。放大器的增益由外接电阻RG来调节，输出电压uo由下式给出计算：其中Ui1是同相端输入电压，Ui2是反相端输入电压，当放大倍数为100，输出电压5Ｖ时，AD522的非线性误差小于0.005％。共模抑制比大于120dB。图4-9是AD522应用于测量电桥的典型应用电路。上一页下一页图4-8AD512和AD522的应用电路上一页下一页图4-9AD522的电桥测量电路上一页下一页图4-10LH0084电路原理图上一页下一页四、隔离式电压放大器在强电或强电磁场干扰的环境中，传感器输出的电压信号不可避免地混有静电耦合、电磁耦合和接地回路干扰信号。隔离电压放大器具有以下特点：(1)能保护系统中的器件不受高共模电压损害，防止高压对低压信号系统的损坏；(2)泄漏电流小，对于测量放大器的输入端无须提供偏置电流回路；(3)抗共模抑制比高，能对直流和低频信号准确安全地测量。1.AD202/AD204隔离电压放大器性能功率小于35mW（AD204）或75mW（AD202）；最大非线性度±0.025％；高的CMR130dB；频带宽度可达5kHz(AD204)。AD202/AD204是低成本隔离电压放大器。二者区别在于：AD202直接由+15V直流电压供电，而AD204则是通过外部提供时钟供电，AD202/204的应用电路如图4-11所示。上一页下一页图4-11传感器信号输入放大电路上一页下一页图4-12温度测量电压放大电路图上一页下一页图4-13AD290系列原理图上一页下一页图4-15

采用TD290系列的低电平信号放大电路图上一页下一页图4-16桥路检测隔离电路图上一页下一页五、集成运算放大器应用选择原则集成运算放大器有多种类型，主要有通用型、高输入阻抗型、高速型、低功耗型、低漂移型、高精度型、自动稳零型、单电源型等。对于市场品种繁多的集成运算放大器选择的一般原则是选用性能价格比高，通用性强的器件。针对不同需要，具体选用原则是：(1)设计没有特殊要求，一般可选用通用型，这类器件直流性能较好，种类较多，价格较低(2)通用型中有单放、双放、四放等多种。(3)设计要求放大器的输入阻抗很大，则可选用高输入阻抗型。(4)在毫伏级或更微弱信号检测时，精密模拟运算、高精度稳压源、高增益电流放大等，应选用高精度、低漂移、低噪声类型的运算放大器。(5)对于视频信号放大、高速采样/保持、高频振荡及波形发生器设计时，则需选用高速宽频带型运算放大器。(6)对于要求低功耗使用场合应选低功耗型。(7)设计放大器需要自动稳零时，应选择自动调零型运算放大器器件。上一页下一页六、运算放大器应用性能扩展技术在应用放大电路设计中，根据综合检测性能比和设计要求等多种因素，已经选定运算放大器型号以后，还可以利用相关技术，设计辅加电路，提高运算放大器性能以满足使用上更为广泛的需求。1.提高输出电压电路设计放大器的输出电压幅度在额定工作电压±15V条件下，一般只有±10V左右，要想得到更大的输出电压可外加辅助电路得到，如图4-17是一种常见的方法。浮动的正、负供电电压，相当于在输入端也加了一个浮动的共模电压，电路的输出幅度受运放共模电压范围限制，其最大输出幅度接近等于运放本身的输出幅度与它的共模电压范围之和。图4-18提供的另一种扩展输出幅度的电路。输出电压的扩展方法是利用分离元件实现，简单方便灵活。上一页下一页图4-17输出电压扩展电路图上一页下一页图4-18单极性输出电压扩展电路图上一页下一页2.提高输出电流电路设计运算放大器本身输出电流一般为5mA左右，当驱动扬声器、开关器件、电机等负载时，需要增大输出电流的能力。最简单的办法是运算放大器输出端接射极跟随器，如图4-19为互补双向输出式电流扩大电路，工作在B类状态，输出电流可大于1A。如图4-20为单向输出电流扩大电路，输出电流大于100mA，可提高带负载能力。上一页下一页图4-19双向输出式电流扩大电路图上一页下一页图4-20单向输出电流扩大电路上一页下一页3.提高电路输入电阻设计在微弱信号、电荷量信号、高运算精度的放大信号电路中，要求运算放大器具有109～1012Ω的输入电阻。在不能获得高阻抗运放的情况下，可选配一对场效应管作为运放的输入缓冲级，以提高输入阻抗，电路如图4-21所示，电路的设计关键是FET管参数配对和工作点的选择。使用FET要求工作在该管子的零温度系数电流值，其中T1、T2零温度系数电流要一致，T3零温度系数电流应等于T1、T2和T4之和。FET的零温度系数电流可用计算法或实验法求得，用经验公式计算零温度系数电流为：提高输入电阻方法之二为自举电路法，电路的基本原理是利用输出电流反馈输入，以补偿信号源所需提供给R1的电流，如图4-22所示。上一页下一页图4-21缓冲法提高输入电阻电路上一页下一页图4-22自举法提高输入电阻上一页下一页4.提高共模抑制比的设计方法图4-23是提高共模抑制比的电路原理图，图为共源-共栅串接电路。共栅电路的特点之一是输出电阻比共源电路约大一个数量级，相当于提高了恒流源的共模阻抗，此外将共栅对管的栅极和共源对管的源极短接，使T3、T4对管有自举作用，两种综合结果，可使运算放大器的共模抑制比达到120dB5.减小温度漂移电路的设计方法减小温度漂移的方法很多，比较简便的方法可采用“同特性运放组合补偿法”，这种方法可使零点漂移系数下降到2～3μV/℃以下。如要得到更低的温漂，通常采用斩波稳零式放大器。它有经典式和动态校零式两种方法，图4-24为动态校零式的原理图。上一页下一页图4-23提高共模抑制比电路上一页下一页图4-24动态校零式低漂移放大器电路上一页下一页6.安全保护电路设计运算放大器在工作中如果发生不正常的工作条件，而事先没有采取保护措施，电路就将损坏。运算放大器的安全保护主要有三个方面：电源故障保护、输入保护和输出保护。(1)电源故障保护。电源常见故障是电源反接和电压跳变。电源反接保护可采用如图4-25所示电路。电源电压跳变，多发生在电源的接通和断开的瞬间。性能不好的稳压电源，在电压建立或消失时出现的电压过冲，可能比正常的稳定电压高几倍。如图4-26所示，为一种电源电压突变保护电路，它采用FET电流源和稳压管箝位，稳压管击穿电压大于运算放大器正常工作电压，但小于运算放大器的极限电压，FET呈现为小电阻，它和电容器构成滤波网络。上一页下一页图4-25电源反接保护电路上一页下一页图4-26电源电压突变保护电路上一页下一页(2)输入保护电路设计。运放输入过载引起电路损坏分两种情况：一是差模电压过高，二是共模电压过高而超出运放设计的极限范围。电路的损坏都发生在运放进入饱和以后。产生哪一种过载情况的可能性大和应用电路有关，如开环应用时容易产生差模电压过大，压随器应用时容易产生共模电压过大，积分器应用时输入端容易引起瞬态高压。如图4-27为防止差模电压过大的保护电路。图4-28中为防止共模电压过大的保护电路，箝位二极管接一恒定电压，电压值略小于运放共模电压值。(3)输出保护电路设计。运放有可能出现过载、输出端对地短路、输出端误碰电源端或外壳等几种情况，因而需要输出保护。运放正常工作电流一般小于10mA，极限电流为20mA。目前一般采用正外延PN结隔离工艺，外壳已接负电源，是处于最低电位，使用中应注意上述要求和特点。现在很多品种的运放内部设有保护电路，如F007的输出保护性能比较良好。在一些对输出保护有重要意义的场合，也可外加保护电路。如图4-29提供了两种输出保护电路。图4-29（a）中FET与正向偏置的二极管构成电流源，起双向限流输出保护作用。上一页下一页图4-27差模电压过大保护电路上一页下一页图4-28共模电压过大保护电路上一页下一页上一页下一页图4-29输出保护电路7.电路板的制作和屏蔽设计优良的整机性能，除了要有高性能的运算放大器和其他元件外，运算放大器在印刷板上的安装工艺，对其性能的影响也很大，尤其是对高速、高阻、低漂移性能的运放，如电路板制作不良也不能发挥器件的作用。电路板在制作中应注意以下几个问题。(1)电源的交流旁路问题。电源在没有加旁路电容时，在高频情况下，电源线与地线的阻抗不能忽略，它对于输出级晶体管和负载是串联接入时，成为运放的负载，这样输出级信号将通过电源的耦合反馈到输入级。(2)输入漏电流的隔离问题。当用高输入阻抗运放对微弱信号进行放大时，输入端和电源端之间的电压差将产生漏电流，沿电路板表面流入输入端，即电路板本身作为漏电流通路降低了运放的输入阻抗。(3)接地问题。在一个运放电路中存在信号源地、放大器地、电源地、负载地等，而在电子系统中还将存在各单元地和整机地等，因此接地问题是很重要的，如接地不当会形成大面积电回路，严重影响系统的性能。在一个运放电路中要求只有一个接地点，通常是在运放的输入端接地，如果做不到这一点，将形成接地回路，回路中的感应电流产生输入误差信号，如图4-30所示，为了抑制接地干扰信号，采用差动输入式。上一页下一页图4-30接地不当形成地回路上一页下一页(4)屏蔽问题。在高阻抗交流电路应用中，干扰信号很容易通过电容耦合或电感耦合流入运放的输入端。如图4-31的反相放大电路，设输入信号Vs=100mV，输入电R1=1MΩ，则仅1011Ω的耦合阻抗，在200V交流源的作用下，将引入输入信号的2％的噪声干扰，而这样的耦合阻抗只要0.03pF的杂散电容在50Hz的条件下即可产生。这种干扰一般可用屏蔽方法防护，对于容性耦合可采用接地的静电屏蔽罩把运放包围。(5)抗电源干扰方法。集成器件在工作中，极容易受电源干扰的影响。电压中的脉冲干扰就可导致工作不正常，解决方法是在所用的集成器件供电电源两端并用1～0.033μF电容，可以提高抗电源干扰的作用。(6)输入干扰抑制方法。输入端并电容法消除高频干扰信号，根据实验确定电容值。上一页下一页图4-31噪声干扰示意图上一页返回第三节多功能式信号放大器设计一、检测显示控制电路设计1.检测显示控制电路原理图4-32所示是一个压力（温度、位移、水位）检测显示控制电路图，工作原理是：压力传感器检测信号经电桥转换为电压信号输出，由K1放大器放大输出，再由K2放大器放大输出由数字表显示检测结果。另一路控制信号，大于设定值时，DW1导通控制电路工作实现了报警控制或其他控制功能。2.电路设计方法(1)电路设计已知条件①检测压力0～0.8MPa，大于1MPa报警控制②检测精度小于0.5％③数字显示记录检测压力值④控制电压18V上一页下一页图4-32检测显示控制电路上一页下一页（２）电路设计参数选择Usr=50mV，U1=3V，Ｕ2=8V，R2=R5=2kΩ，R1=3kΩ（３）电路参数计算(4)电路元件选择：①压力传感器Uyy-1型②数字电压表41/2-DT9508型③控制继电器RJ-13型双路输出控制型④运算放大器F007或μF741，三极管选用9013型⑤D1采用2CP系列二极管，DW1采用低稳压元件2CW系列上一页下一页二、多路电压信号输出电路设计1.电路原理图图4-33所示放大电路是复杂信号单路输入，多路信号输出式放大器，应用于发动机试验复杂信号检测中，分别输出交流信号、直流电压信号、小电压信号。2.电路设计(1)交流放大电路设计：交流放大电路由K1、K2和功放电路组成(2)直流放大电路设计：直流放大电路由K1，K3放大电路组成(3)小信号放大电路设计：小信号放大电路由K1，K4放大电路组成上一页下一页图4-33多路输出信号放大电路上一页返回第四节计算机输出接口电路设计一、信号转换电路设计信号转换电路是把输入的小信号通过电路转换为大信号输出，再去实现控制。电路设计如图4-34所示。1.信号转换电路原理信号转换电路工作原理是:计算机输出的控制信号由8253输出方波电压信号最大值3.5V，电流小于5mA。当控制信号Uk输入到信号转换电路时，电路设计成饱和或截止状态下工作。当Uk等于3.5V时，T1饱和，T2截止输出高电压Uo；当Uk等于零电压时，T1截止，T2饱和输出低电压，在输入控制方波信号作用下，信号转换电路输出波形电压大于输入信号，频率不变。2.信号转换电路设计(1)已知条件(2)电路参数计算上一页下一页上一页下一页图4-34信号转换电路原理图二、多路电压信号控制电路设计1.多路电压信号控制电路工作原理电压控制电路如图4-35所示，工作原理：在计算机输出控制信号Uk作用下，电路工作饱和状态，RJ继电器工作，RJ继电器常开点闭合，即可实现控制电压输出，可以单路信号、双路信号、四路信号同时控制输出，控制电压0～380V，控制电流从0到几十安培。控制电压和电流由所选继电器性能确定，当Uk为零时，RJ控制输出不工作。2.多路电压信号控制电路设计(1)已知条件：Uk≤4V，工作电压12V，控制输出电压信号多路。(2)电路参数计算与选择上一页下一页上一页下一页图4-35电压控制电路图三、电压信号放大电路设计在利用计算机输出信号电压控制直流电机、力矩电机时，必须设计信号放大电路，采用何种信号放大电路，应根据实际控制要求确定。如果是控制直流电机，信号放大电路设计为功率放大器。功率大小根据电机功率设计放大器功率参数，并且放大器功率应大于电机功率2倍。确保控制的可靠性及安全性。如果是控制力矩电机驱动器时，信号放大电路设计为电压放大器。为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过计算机控制输出I/O电路进入计算机，影响正常工作，通常采用的是滤波吸收。根据干扰信号的频率大小，设计不同的滤波器消除，抑制干扰信号的产生及传输。在环境条件差，控制参数多，电机类有交流电机、直流电机及其他电机系统组合时，当各种噪声及干扰采用滤波法不能解决问题时，必须采用光电隔离的方法，使微机与强电单元不共地，抑制干扰信号的传输，光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如图4-36所示。上一页下一页上一页下一页图4-36光电耦合电路图1.光电耦合电路工作原理计算机输出的控制信号经非门74LS04反相后，加到光电耦合器G的发光二级管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。2.光电耦合电路的主要作用(1)可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。(2)可以进行电平转换。(3)提高驱动能力。(4)可以进行检测信号转换

上一页下一页3光电耦合器件的特点为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电干扰，通常采取将计算机的输入和输出通道与被连模块在电气设备上隔离的方法。过去常用的隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。图4-37所示为几种主要光电耦合器的类型和结构。(1)信号采取光-电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达Ω，绝缘电压为1000～5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端与输入端之间可能产生的反馈和干扰。(2)由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。(3)光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。上一页下一页上一页下一页图4-37几种光电耦合器示意图4.晶体管输出型光电耦合器驱动接口设计(1)在设计光电耦合器驱动接口电路时注意，各种类型器件的电流传输比差异较大，而且，电流传输比还受发光二极管的工作电流影响，电流为10～20mA时，CTR最大。图4-38中使用74LS07同相驱动器作为4N25输入端的驱动，电阻R1为限流电阻，其阻值计算如下当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图4-39所示。该电路为电流环发送和接受电路，可以极大提高系统的抗干扰性能，最大传输距离可达900m，传输速率可达50km/s。但必须保证传输线中环路连线电阻<30Ω，当该阻值过大时，100Ω的限流电阻R2要相应减小。上一页下一页图4-38晶体管输出型光电耦合器驱动接口图上一页下一页图4-39远距离信号

传输时的光电隔离接口电路上一页下一页(2)晶闸管输出型光电耦合器驱动接口设计。4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器，如图4-40所示。当输入端有10～30mA电流时，输出端的晶闸管导通，输出端额定电压为400V，额定电流有效值为300mA，输入输出隔离电压为1500～7500V。4N40采用6脚双列直插式封装，第6脚为输出晶闸管的控制端，不使用此端脚时，可将其通过一个电阻与阴极相连。MOC3041是常用的双向晶闸管输出型，带过零检测电路，如图4-40所示，输入端的工作电流为15mA，输出端额定电压为400V，最大重复浪涌电流为1A，输入隔离电压为7500V。它同样采用6脚双列直插式封装，第5脚是器件的衬底引出端，使用时不需要接线。MOC3041输入端限流电阻计算如下

上一页下一页图4-40晶闸管输

出型光电耦合器驱动接口电路上一页下一页5.光电耦合隔离常用电路采用光电耦合器可以将计算机的输入与输出通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。在微机应用系统中，由于端口的性质不同，接口电路也有所不同。如8031的P1口及P3口为双向口，作为输入时接成高电平，可由任何TTL或MOS电路所驱动。当外部输入信号为低电平时，P1口或P3口被拉成低电平，它与光电耦合器连接。如要输出较大电流以驱动输出设备，如继电器、电磁离合器等，则应接成达林顿型，如图4-41所示。在较恶劣环境中设计的前向通道，为了减少通道及电源的干扰，采用V/F转换器LM331的频率输出，再采用光电耦合器隔离方法，使V/F转换器与微机无电路联系，确保输出信号的稳定性能，并无干扰信号，可采用如图4-42所示电路。上一页下一页图4-41光电耦合

器与继电器输出接口电路上一页下一页图4-42

LM331频率输出的光电隔离电路上一页下一页第五节V/F-F/V转换器设计在机电一体化控制系统设计中，步进电机的实时控制，跟踪控制等，控制信号是由检测的电压信号转换成频率信号实现控制的，只有采用V/F转换器可实现这种功能。采用V/F、F/V转换器有如下优点：(1)利用单片机的高速输入和高速输出的功能，凭借单片机简便的测频和输出频率信号的软件编程技巧，使得接口简单，占用计算机资源少。(2)频率信号输入灵活。(3)抗干扰性好。(4)便于远距离传送信号。上一页下一页一、通用型V/F转换器1.AD654性能特点AD654是低价格V/F转换器。工作电源电压±5V～±18V，单电源电压5～36V。满量程输出最大频率为500kHz，选择不同的输出频率，线性误差大小不同。当选择200kHz时，误差最小为0.03％，选用其他频率时，转换非线性误差较大。AD654的主要特点如下：满刻度校正误差±10％(max)温度系数50×10－６/℃输入电压范围0～4V输入偏置电流50nA(max)输入失调电流5nA输入阻抗（同相）250MΩ输入失调电压0.5mV上一页下一页2.AD654应用方法(1)负电压信号输入时的典型应用电路如图4-43所示。(2)正电压信号输入时的典型应用电路如图4-44所示。3.AD537应用电路AD537是多功能V/F变换器。输出频率取决于外接RC，最高频率为150kHz。其典型用法如图4-45和图4-46所示。二、LM331系列V/F转换器原理与应用1.LM331系列性能特点(1)单电源供电，Vcc在4.0～40V均可工作(2)输出电平可与各类逻辑电路兼容(3)温度稳定性好(4)功耗低(5)成本低2.工作原理LM331系列V/F转换器功能框图如图4-47。上一页下一页上一页下一页图4-43AD654负输入时接线图上一页下一页图4-44AD654典型接线图上一页下一页图4-45AD537负输入接线图上一页下一页图4-46AD537正输入接线图上一页下一页图4-47LM331系列V/F转换器功能框图3.V/F转换器基本应用电路图4-48为LM331构成的V/F的基本电路。4.F/V转换器应用电路F/V转换器的电路，如图4-49是由LM331转换器构成的F/V转换电路。图4-50为精密F/V变换电路。其直流电压输出经由A1组成的双极点RC有源滤波器滤波，响应速度快。5.LM331组成的温度/频率转换电路设计由LM331组成的温度频率转换电路如图4-51所示。

上一页下一页上一页下一页图4-48V/F基本应用电路图上一页下一页图4-49F/V转换电路上一页下一页图4-50精密F/V转换电路上一页下一页图4-51温度/频率转换电路三、F/V转换器AD651原理与应用1.AD651的性能与特点AD651是美国模拟器件公司研制的一种多功能同步F/V转换器，它采用电荷平衡技术实现F/V转换，最大满度频率达2MHz。在输出频率100kHz时，非线性误差为0.002％，最大为0.005％。AD651采用外部时钟驱动和调定满度频率，可以使转换精确度与钟频变化无关。外接元件少，用一个积分电容即可工作，除作V/F外，尚可实现F/V转换器等。AD651采用低漂移齐纳标准，低温度系数定标电阻使增益飘移小，整体飘移小。时钟输入与TTL和CMOS兼容，输出级为开路式集电极输出，可提供足够的电流使TTL、CMOS、光电耦合器件或脉冲变压器工作。AD651的输入量可以是电流或电压。供电电源可用单电源或双电源。2.AD651应用方法双电源输入正、负信号的连接方法如下：当输入正信号时，外部连接如图4-52图

上一页下一页上一页下一页图4-52AD651双电源正、负信号的接线图单电源输入正信号时的接法如图4-53，这时数字地和模拟地同时接地，电源电压可取+12V～+16V，在(16)脚和+Vs间接入一个吸收电阻，使输入(16)脚的电流小于0.5mA。AD651的增益准确度是用激光微调到±0.5％以内，如需更高的精度则必须用2MΩ电阻分流，调整满标度时用串联500Ω电位器RW1实现微调，如图4-54.3.F/V应用电路设计AD651用于F/V变换器的实际电路如图4-55。从图中看出在时钟脉冲的下降沿输入时，脉冲fin是低的，在时钟脉冲上升沿输入时，1mA电流源送到积分器相加点，在(4)脚出现上斜率电压，由于与门作用在时钟脉冲一个周期后，1mA电流断开，相加点输出电流在0～0.5mA，经50Ω电阻，在(4)脚输出10V满度电压。上一页下一页上一页下一页图4-53单电源、正信号接线图图4-54AD651增益、失调调整图上一页下一页图4-55F/V转换器应用电路图四、VFC32转换器原理与应用1.VFC32转换器工作原理表4-1列出了上述V/F转换电路的基本设计参数。上一页下一页输入电压满值/V输出频率满值/kHzC1/pFC2/μFRin/kΩ11036500.014101036500.014011003301000410100330100040如果Vin<0，即负电压输入时，可从图-56的积分器A1的同相输入端输入Vin，而积分电阻Rin的一端接到地电位上，其余完全相同。关于参数的计算可用下式：2.VFC32-V/F转换器电路VFC32是一种通用单片集成V/F转换器。使用接法如图4-56所示。3.VFC32-F/V转换电路VFC32用作频率-电压转换的接法如图4-57。上一页下一页上一页下一页图4-56VFC32-V/F转换器接线图图4-57F/V转换器接线图上一页返回第六节开关量控制电路设计一、电磁继电器控制电路设计1.继电器分类(1)按照控制输出通道分类：单路式、双路式、四路式、多路组合式输出。(2)按照电磁继电器工作电压分类：3V、6V、9V、12V、18V、24V(3)按照电磁继电器触点控制电压和电流分类：2A/125V、5A/125V、10A/380V、20A/2500V、30A/2500V、50A/2500V(4)按照工作供电方式分类：直流电压供电式、交流电压供电式。(5)按照工作原理分类：固态式、电磁式等。上一页下一页2.电磁继电器特点(1)体积小、价格低、外形美观、多种安装形式。(2)切换电流大、工作电压大、切换功率达到2200V/A以上(3)工作稳定性、可靠性好。(4)规格品种齐全、外形和安装尺寸与国外同类产品一致，互换性好。(5)切换控制响应时间短t≤5～15ms。(6)切换控制触点通道多，1～4路，可扩展多路。(7)适用于自动控制、通讯设备、电子设备、家用电器及其他机电产品。上一页下一页3.电磁继电器工作原理电磁继电器由线圈，磁铁，触点组，壳体组成。工作原理是：当给继电器线圈输入直流电压大于额定工作电压的80％时，磁铁吸合，触点从开状态转换为闭合状态，原触点从闭合转换成开状态。4.电磁继电器的作用(1)多路信号同步控制，分别工作。(2)电子设备保护控制。(3)小信号控制高压信号输出。(4)多参数多路分时控制。5.电磁继电器控制电路设计(1)手动控制电路设计。在机电一体化产品设计中，如车床、铣床、钻床等各种加工设备，工作电压380V，工作电流在5～50A，不能直接用开关元件实现工作状态控制。常采用小型开关元件，控制电压采用12～24V，通过继电器控制380V电源。控制电路设计如图4-58所示。上一页下一页图4-58手动控制电路上一页下一页(2)小信号控制电路设计。在计算机输出信号控制系统设计中，在同步信号分别输出控制系统设计中，为了实现小信号控制电路达到控制大电压信号，分别同时输出双电压信号的要求。常采用电路控制继电器工作来完成。控制信号可以是计算机控制板中的D/A输出的小信号，也可以8255输出的I/O小电压信号，采用光电信号或其他检测信号均可实现控制作用。如图4-59所示。(3)延时控制电路设计。在机电一体化产品设计中，例如：打印机出纸控制电路，动态标定步进电机控制电路等，在外控信号作用下，经过一定时间后，再实现大信号控制作用，如图4-60所示，这个电路是利用RC充电延时电路达到设定电压后控制电路工作，继电器输出控制电压。具体控制电路设计方法如下：①已知条件：U=12V，R2=2kΩ，C=4700μＦ/16V②电路参数计算：t=0.24·R１Ｃ上一页下一页图4-59小信号控制电路图上一页下一页图4-60延时控制电路上一页下一页表4-2t-R1计算结果上一页下一页t/s1510152030R1/kΩ0.8874.438.86513.317.7326.66.多路串联控制电路设计

在自动化生产线控制系统设计中，在自动标定系统设计中，电路延时分路控制方法是常采用的电路控制方法，就是采用计算机控制，也要由继电器控制电路实现。如图4-61所示，是多组串联控制电路。(1)电路工作原理：在外控信号输入时，第一级分别输出两路信号，其中一路信号实现电压控制输出，另一路信号实现开关量控制第二级；第二级开始延时工作，在设定时间后，第二级分别输出两路信号，其中一路信号实现电压控制，另一路信号实现开关量控制第三级；第三级开始延时工作，在设定时间后，第三级分别输出两路信号，其中一路信号实现开关量控制接通或者断开，另一路输出电压信号。(2)电路参数计算控制延时时间t=0.24RCC=100～4700μFR值根据控制时间计算R=RW1，RW2，RW3C=C1，C2，C3(3)电路参数选择三极管采用3DG12，二极管采用2CP12系列，电磁继电器选择JQX系列等，根据控制要求选择电路器件型号。上一页下一页图4-61多路串联控制电路原理图上一页下一页7.多路并联控制电路设计(1)多路并联控制电路工作原理:在自动化生产线控制系统设计中，在机电产品设计中，多路信号控制，多路并联分时控制电路，顺序控制电路等，是常采用的电路控制方法。以动加载试验装置控制系统为例。如图4-62所示，说明控制原理及设计方法。(2)多路并联控制电路设计。多路控制器采用图4-62所示电路，继电器选择四路输出式，电路设计方法相同t1、t2、t3、t4、t5、t6时间控制电路可以按照上节设计方法设计，也可以选择ST48S，ZN48S系列的高精度时间继电器。控制时间可调范围宽，精度高，功耗低，双数字显示直观。由于采用了单片机控制方式，时间设定操作简单，使用方便。上一页下一页图4-62多路并联控制系统图上一页下一页二、接近开关控制电路设计在机电一体化系统设计中，如位置控制、定位控制、保护控制等，常采用接近开关和继电器组合电路来完成。接近开关有电感式、电容式、霍尔式、光电式、人体红外线光电开关等。在实际应用中，接近开关输出信号有6～12V，当用于速度检测时，接近开关的输出信号直接接上速度测试表，就可以实现速度检测。当用于其他控制场合时，无论采用何种接近开关，都可以利用接近开关的输出信号控制继电器工作，由继电器输出再实现各种状态及电压信号控制。如图4-63所示。1.接近开关的特点①工作电压范围宽10～30V②测试距离2～15mm③输出电流100～300mA④工作频率300Hz～10kHz⑤体积小、质量轻、安装使用方便上一页下一页图4-63接近开关控制电路上一页下一页2接近开关应用选择①工作频率fJ≥1.2fx②测试距离Lc≥2Lx③根据测试安装结构尺寸大小确定。④接近开关类型。根据测试环境条件，使用要求确定，例如：在烟雾较大的条件下测量旋转体速度时，采用电感式接近开关比较好；在位置控制条件下，采用电感式接近开关比较好；在快速位置检测控制条件下，采用响应频率高的霍尔式接近开关，也可采用光电式开关。3.接近开关性能指标常用接近开关性能指标如表4-3。上一页下一页表4-3接近开关性能参数上一页返回型号类型感应对象测试距离/mm工作电源/V工作频率/Hz输出电流/mAKHW-0108B霍尔式磁铁814～30DC5000200TK-10N8B电感式金属810～30DC600100GEN--3010电感式金属1010～30DC500250TK-22Y10D电感式金属1090～250AC15０00300VL180-N132反射板300012～24DV333100WT18-N112漫反射15012～30DV700200第七节直流稳压电源电路设计一、W7800（W7900）集成稳压电源设计W7800（W7900）系列集成稳压器是一种三端固定正（负）集成稳压器，由于是三端（输入、输出、公共端），不需外接元件，故应用十分方便。W7800为正稳压式、W7900为负稳压式，它们分别有+5V～+24V、-5V～-24V多种固定输出电压，输出电流分别为0.5A、1.5A。该集成稳压器内部设置了过流保护、芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路，所以使用安全可靠。1.固定电压输出应用电路设计图4-64所示是W7800稳压器应用电路原理图。W7800系列集成稳压器是采用标准的三极管外壳封装，两引线各为输入和输出端，外壳为公共端地。应用时，从变压器次级输出的交流电压经整流滤波后输出电压，从1、3端输入，从2、3端输出，就可以得到稳定的直流电压。因此，应用十分方便，设计制作简单。上一页下一页图4-64直流稳压电源电路上一页下一页2.可调输出电压电源电路设计图4-65所示是用W7806集成稳压器和F007运算放大器组成，可调输出电压6～30V的应用电路。电路中的运算放大器F007作为电压跟随器使用，在设计稳压电源电路时，也可以选择各种型号的运算放大器，它的工作电源借助于稳压器的输入直流电压。由于通用Ⅲ型运算放大器输入阻抗较高，而输出阻抗很低，所以，它们可以克服稳压器静态电流的变化。电路输出直流电压为：U0=Uw(1+R2/R1)3.提高输出电流电源电路设计W7800系列的集成稳压器是一种稳压稳流型器件。在设计直流稳压电源时，可根据稳定电压要求选择相应型号的稳压器或扩展输出电压电路。实际输出最大电流不超过15A，为了满足不同使用要求，可外接功率放大器件来扩展各种稳压电源的输出电流，如图4-66(a)所示。上一页下一页图4-65可调输出电压电路上一页下一页图4-66输出电流扩展电路上一页下一页(1)电路中电阻R的计算方法(2)电路中为了保护外接功率管而设计的，当功率管过流时，限流电阻R2上的压降启动BG2工作，BG2管集电极电流使BG3管饱和，从而降低功率管BG1的UBE值，使功率管输出电流得到控制，电路中BG2采用3AD30三极管，BG1和BG３采用3DG三极管。图4-67所示是用W7800系列集成稳压器和NPN型功率管组成扩大输出电流电路。图4-68所示是用W7806、W7812集成稳压器组成的多用途稳压电源电路。电路中两个稳压器分别接两个独立的整流滤波电路。二、W317（W337）集成稳压器电源设计W317、W337三端可调式集成稳压器是近几年来新研制的产品，它既保持了三端的简单结构，又实现了输出电压大小连续可调。它可以以一种通用化、标准化稳压器的形式用于各种电子设备及检测系统中的电源设计。1.W317应用稳压电源电路设计W317应用稳压电源电路设计如图4-69所示。上一页下一页图4-67

用NPN管扩大输出电流电路上一页下一页图4-68多路输出稳压电源电路上一页下一页图4-69W317应用稳压电源电路上一页下一页2.W317提高输出电流应用电路设计利用W317集成稳压器设计的稳压电源，输出电流最大1.5A，不能满足实际工程设计要求。只有采用外加电子元件的方法来提高稳压电路输出电流。如图4-70所示，是利用Ｗ317三端可调式正集成稳压器和F007运算放大器组成扩展电流输出的应用电路。3.W317应用提高输出电压电路设计利用W317稳压器设计的直流稳压电源最大输出电压只有35V，不能满足使用要求，只有采用外加元件方法来提高输出电压，电路设计如图4-71所示。4.开关式稳压电源电路设计图4-72所示是用W317三端可调式正集成稳压器组成的开关式稳压电源应用电路。电路中的3Ax63和3DD6组成复合管，用于开关作用。上一页下一页图4-70W317输出电流扩大电路上一页下一页图4-71W317输出电压扩大电路上一页下一页图4-72开关式稳压电源电路上一页返回第八节常用测试仪表选择方法在机电一体化系统设计中，在检测与控制系统设计中，所选择使用的传感器输出信号较小，不能直接记录和控制，可以采用本章论述的各种电路设计方法，设计相应的放大器，控制电路，达到检测与控制系统的设计要求。一、电阻类放大器应用电阻类放大器是电阻式类传感器、应变式类传感器、压阻式类传感器，测量压力、力、温度、位移、角度、扭矩、力矩、加速度等物理信号的配套专用放大器。它的作用是为传感器提供工作电源，系统调零，信号放大输出，阻抗变换等功能。它的工作原理，性能特点，应用选择原则论述如下：1.电阻类放大器分类（1）动态电阻应变仪（2）应变式放大器（3）信号调节器（4）适调放大器（5）自动校零放大器上一页下一页2.电阻类放大器技术指标(1)放大倍数：0～6000倍分挡可调式(2)工作频率：0～10kHz，0～30kHz，0～100kHz，0～150kHz(3)线性度：0.3%，0.1%，0.05%，0.02%(4)输出电压：±10V（电流10～50mA）(5)电桥电阻：60～2000Ω(6)供桥电压：4V，6V，8V，10V(7)标定应变量：±10～±9990με(8)输出方式:电压式、电流式双路分别输出。3.放大器工作原理电阻类放大器是电阻变化式传感器配套仪器。当配用外接传感器时，不用应变量校准，只进行调零，确定工作频率，进行模拟测试信号静态标定后，根据输出信号大小，确定放大倍数，即可以使用，原理图如4-73所示。上一页下一页图4-73动态电阻应变仪原理方框图上一页下一页二、电压放大器在设计检测系统中、在设计测试系统中，电压放大器是经常使用的一种放大器。该仪器的主要作用是信号放大。根据放大信号的应用不同，分为直流信号、交流信号、功率信号放大器等。本节介绍电压放大器的原理，作用及性能，供设计选择。1.电压放大器分类(1)直流电压放大器工作频率0～10kHz(2)交流电压放大器工作频率10Hz～30kHz(3)功率放大器工作频率10Hz～20kHz(4)数据放大器工作频率0～10kHz(5)多功能式放大器U、I、P分别放大，工作频率0～30kHz2