測控專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書新41頁

1、安徽工程大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器專業(yè)方向：測控技術(shù)機(jī)械與汽車工程2010年11月安徽工程大學(xué)測試與傳感器應(yīng)用設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器專業(yè)方向：測控技術(shù)機(jī)械與汽車工程學(xué)院2010年11月1、課程設(shè)計的目的設(shè)計設(shè)計一個結(jié)構(gòu)型壓力傳感器（敏感元件為電阻應(yīng)變片，貼在彈性體上，感知流體輸送管道壓力）。2、課程設(shè)計的題目和內(nèi)容設(shè)計題目：結(jié)構(gòu)型壓力傳感器的設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：1.設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)，畫出傳感器裝配圖。2.設(shè)計測量轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路。3.用LCD或LED實時顯示壓力。4.傳感器具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送能力，傳送方式可以是420mA電流，RS422，RS4

2、85或CAN，設(shè)計數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送接口。5.完成必要理論計算。6.設(shè)計軟件，畫出程序框圖，并編制程序部分。7.編寫設(shè)計計算說明書，提供系統(tǒng)硬件電路圖、元器件清單和程序清單。3、課程設(shè)計的一般步驟及進(jìn)度安排一.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計1.應(yīng)變片的貼片、布局綜合考慮傳感器靈敏度、溫度誤差、方便性等。2.應(yīng)變片的選型根據(jù)應(yīng)變的材料確定應(yīng)變片，選取最具代表性的材料，安排好應(yīng)變片的阻值。1）.應(yīng)變片的電阻值(R0)60,120,350,600,1000等各種規(guī)格.2）.絕緣電阻敏感柵與基底之間電阻值,一般應(yīng)大于1010 .3）.靈敏系數(shù)(K)4）.允許電流 靜態(tài)測量時，允許電流一般為25 mA ； 動態(tài)測量時，允許電流

3、可達(dá)75100 mA ；5）.橫向效應(yīng)與橫向靈敏系數(shù) 圖24橫向效應(yīng)3.應(yīng)變片的受力設(shè)計主要應(yīng)用材料力學(xué)知識找出貼片的最佳位置，一般選擇受力最大處。圖2 筒式壓力傳感器4.壓力傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計a.膜片式如圖1b.筒式如圖2c.組合式如圖35.應(yīng)變片靈敏度計算圖1 膜片式壓力傳感器圖3 組合式壓力傳感器二.信號測量電路和放大電路1.直流電橋2.交流電橋3.電橋靈敏度計算 單臂電橋： 半橋 ， 全橋 ，三.信號轉(zhuǎn)換和顯示電路1.AD轉(zhuǎn)換芯片08092.LED或LCD顯示3.RS232串行接口協(xié)議/串口通信1異步通信及其協(xié)議異步通信以一個字符為傳輸單位，通信中兩個字符間的時間間隔是不固定的，然而

4、在同一個字符中的兩個相鄰位代碼間的時間間隔是固定的。傳送一個字符的信息格式：規(guī)定有起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位等，其中各位的意義如下： 起始位：先發(fā)出一個邏輯”0”信號，表示傳輸字符的開始。 數(shù)據(jù)位：緊接著起始位之后。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是4、5、6、7、8等，構(gòu)成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鐘定位。 奇偶校驗位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。 停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。 空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳送。波特率：是衡量數(shù)據(jù)傳送速

5、率的指標(biāo)。表示每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)。例如數(shù)據(jù)傳送速率為120字符/秒，而每一個字符為10位，則其傳送的波特率為101201200字符/秒1200波特。4.壓力傳感器靈敏度計算5.精度校核進(jìn)度安排：按日學(xué)時8小時計算，共兩周時間完成，具體時間分配如下：1. 熟悉題目、查資料、擬定初步方案 3天2. 確定方案、參數(shù)計算、繪制圖紙 6天3. 撰寫設(shè)計說明書 2天4. 準(zhǔn)備答辯并上交 1天4、課程設(shè)計注意事項5、課程設(shè)計成果形式及成績評定方法設(shè)計成果形式：(1) 傳感器裝配圖1張（A2或A3幅面）；(2) 電路圖1張（A1或A2幅面）；(3) 撰寫設(shè)計說明書1份。成績評定方法：課程設(shè)計是綜合性實踐環(huán)

6、節(jié)，從四個方面按5級評分（優(yōu)、良、中、及格、不及格）評定成績。1. 學(xué)習(xí)紀(jì)律：要求不遲到、不早退，在工作時間不做與本課程無關(guān)的內(nèi)容，嚴(yán)格遵守各項規(guī)章制度。2. 工作態(tài)度要求：同學(xué)之間既要相互學(xué)習(xí)、相互配合，又要獨立思考、深入鉆研。3. 任務(wù)完成的情況：設(shè)計好的系統(tǒng)應(yīng)滿足任務(wù)書的要求，總結(jié)要全面，內(nèi)容正確，圖、表要求整潔、清晰。4. 答辯：學(xué)生在課程結(jié)束時應(yīng)進(jìn)行口試考核，學(xué)生應(yīng)根據(jù)課程設(shè)計的內(nèi)容講解、回答教師的提問，教師視學(xué)生回答問題的情況給予40的成績。6、參考資料1 強(qiáng)錫富主編，傳感器，機(jī)械工業(yè)出版社2 唐賢遠(yuǎn)，傳感器原理及應(yīng)用，成都電子科技大學(xué)出版社3 嚴(yán)鐘豪等，非電量電測技術(shù)，機(jī)械工作出

7、版社4 陳桂生，微弱信號檢測，中央廣播電視大學(xué)出版社5 雷麗文等，微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社6 周澤存等，檢測技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社7 張國雄 金篆芷.測控電路.機(jī)械工業(yè)出版，20008 張國雄、沈生培.精密儀器電路.機(jī)械工業(yè)出版，19889 李新民.單片微型計算機(jī)原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社測試與傳感器應(yīng)用課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計設(shè)計一個結(jié)構(gòu)型壓力傳感器（敏感元件為電阻應(yīng)變片，貼在彈性體上，感知流體輸送管道壓力）。二、具體內(nèi)容安排：1.設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)，畫出傳感器裝配圖。2.設(shè)計測量轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路。3.用LCD或LED實時顯示壓力。4.傳感器具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送能力，

8、傳送方式可以是420mA電流，RS422，RS485或CAN，設(shè)計數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送接口。5.完成必要理論計算。6.設(shè)計軟件，畫出程序框圖，并編制程序部分。7.編寫設(shè)計計算說明書，提供系統(tǒng)硬件電路圖、元器件清單和程序清單。三、具體參數(shù)：（一）指標(biāo)量 程: 0150(MPa) 綜合精度: 0.5%-1.0%FS 輸出信號: 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) （二）完成的文件材料傳感器裝配圖1張（A2或A3幅面）；電路圖1張（A1或A2幅面）；撰寫設(shè)計說明書1份。四、進(jìn)度安排： 6月16日、17日：閱讀文獻(xiàn)材料、擬出智能壓力傳感器設(shè)計方案；

9、 6月18、19、20日：完成傳感器裝配圖繪制，確定所有參數(shù)，并進(jìn)行精度校核； 6月21日、22日：完成測量轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路設(shè)計； 6月23日：完成顯示電路設(shè)計； 6月24日：完成接口電路設(shè)計； 6月25-26日：完成總電路圖繪制； 6月27日：完成設(shè)計計算說明書五、參考文獻(xiàn)：10 強(qiáng)錫富主編，傳感器，機(jī)械工業(yè)出版社11 唐賢遠(yuǎn)，傳感器原理及應(yīng)用，成都電子科技大學(xué)出版社12 嚴(yán)鐘豪等，非電量電測技術(shù)，機(jī)械工作出版社13 陳桂生，微弱信號檢測，中央廣播電視大學(xué)出版社14 雷麗文等，微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工業(yè)出版社15 周澤存等，檢測技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社16 張國雄 金篆芷.測控電路.機(jī)械

10、工業(yè)出版，200017 張國雄、沈生培.精密儀器電路.機(jī)械工業(yè)出版，198818 李新民.單片微型計算機(jī)原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社指導(dǎo)教師： 年 月 日安徽工程大學(xué)精密儀器課程設(shè)計指導(dǎo)書 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器專業(yè)方向：測控技術(shù)機(jī)械工程系系2010年1月1、課程設(shè)計的目的本課程設(shè)計是學(xué)生修完精密儀器設(shè)計課程后進(jìn)行的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的和意義如下：(1) 內(nèi)容涉及 “傳感器技術(shù)”，“電子技術(shù)”，“電工技術(shù)”，“精密機(jī)械設(shè)計”，“工程光學(xué)”，“光電技術(shù)”，“測控電路”，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”等各學(xué)科知識，是對機(jī)、光、電、算技術(shù)結(jié)合的綜合基礎(chǔ)理論知識的運用，是對原有課程體系進(jìn)行改革、優(yōu)化、精

11、簡、合理組合和創(chuàng)新的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。(2) 設(shè)計內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、光路系統(tǒng)三大部分，學(xué)習(xí)精密測試系統(tǒng)的一般方法，掌握精密儀器系統(tǒng)中的微位移機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計，精密測試系統(tǒng)中的誤差分析與誤差分配方法等。訓(xùn)練學(xué)生綜合已學(xué)過的理論知識，分析解決專業(yè)范圍內(nèi)解決實際問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)?，F(xiàn)代電子工業(yè)的飛速發(fā)展要求電子產(chǎn)品整機(jī)具有輕量化、微型化、高集成化、高可靠性的優(yōu)點，這促使表面組裝電子原件SMD逐漸取代插裝電子原件，表面組裝技術(shù)SMT得到更加廣泛的應(yīng)用。隨著SMD向著微型化方向發(fā)展，帶引線元件的引線間距不斷減小，這時采用像普通波峰焊、紅

12、外再流焊等整體再流焊方法實現(xiàn)元件與印刷電路板的機(jī)械和電的連接容易造成橋接缺陷，而采用像激光軟釬焊這樣的局部再流焊方法則避免了出現(xiàn)這種缺陷。但是，采用局部再流焊方法焊接系統(tǒng)需要預(yù)先擁有焊點的類型和位置數(shù)據(jù)信息。焊點的類型和位置數(shù)據(jù)信息的獲取有以下幾種方法：(1)人機(jī)示教法(2)從PCB的CAD文件中通過程序自動獲取數(shù)據(jù)的CAD法(3)通過圖像處理自動獲得數(shù)據(jù)的圖像法。人機(jī)示教法存在勞動強(qiáng)度大和容易漏教的缺點；CAD法忽略了在實際生產(chǎn)過程中由于PCB的制造和裝卡造成的誤差；圖像法是通過對裝卡后的印刷電路板采集圖像并處理而獲得焊點信息，從而可以避免上述問題的產(chǎn)生。所以采用第三種方法更為合適。該測量系

13、統(tǒng)的工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡變換形成平行光線，經(jīng)過光學(xué)元件投射在線陣CCD上，形成目標(biāo)影像，CCD上的光敏元件根據(jù)感受到的光強(qiáng)輸出高低不同的電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機(jī)。2、課程設(shè)計的題目和內(nèi)容設(shè)計題目：表面印刷電路板焊點信息獲取的光路及機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計包括以下內(nèi)容：(一) 涉及內(nèi)容為：設(shè)計一個精密機(jī)械四幅傳動系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)，完成設(shè)計內(nèi)容如下：1. 設(shè)計機(jī)械傳動、支承、導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)，畫出整個機(jī)械系統(tǒng)的裝配圖；2. 設(shè)計光路與照明系統(tǒng)，并完成相關(guān)工程計算；3. 分析系統(tǒng)誤差，并合理分配各環(huán)節(jié)誤差。4. 編寫設(shè)計計算說明書。 (二) 基本要求為：1. 每個同學(xué)課程設(shè)計的題目雖然相同，但在

14、功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)、光路與參數(shù)等方面應(yīng)有所區(qū)別。2. 在教師的指導(dǎo)下，每名學(xué)生應(yīng)獨立完成設(shè)計任務(wù)。3. 通過課程設(shè)計使學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)理論知識，使學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力得到應(yīng)有提高。4. 通過課程設(shè)計，使學(xué)生在查閱資料、方案選擇、分析計算等方面得到實踐。5. 鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生獨立從事工程設(shè)計的能力。6. 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。3、課程設(shè)計的一般步驟及進(jìn)度安排(一)、系統(tǒng)方案擬定1、系統(tǒng)總體組成框圖如下：圖像采集卡微 機(jī)CCD印刷電路板工作臺驅(qū)動系統(tǒng)精密工作臺位置檢測2、圖像采集過程1)待焊SMT-PCB放置在精密定位平臺上2)CCD攝像機(jī)垂直固定在平臺上方3)CCD攝像機(jī)采集有關(guān)圖像信息并將視頻

15、圖像信號輸入圖像處理卡二、精密機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計精密工作臺系統(tǒng)控制框圖如下：微 機(jī)PC接口板光電編碼器精密工作臺齒輪傳動結(jié)構(gòu)直流電機(jī)D/A板1、精密機(jī)械系統(tǒng)計算機(jī)械傳動系統(tǒng)運動設(shè)計與計算（速比的確定、減速器內(nèi)軸和齒輪的布置、滾珠絲桿導(dǎo)程和長度的確定等）；機(jī)械系統(tǒng)的動力計算（電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩計算、各齒輪模數(shù)和各軸的軸徑確定、滾珠絲桿與滾動導(dǎo)軌的選擇等）；壽命校核計算（齒輪、軸承、滾珠絲桿與滾動導(dǎo)軌的壽命校核等）；定位精度校核（主要是控制誤差計算）。具體參數(shù)：定位精度+0. 01mm；最大工作負(fù)荷FW= N；工作臺行程范圍 mm； 調(diào)速范圍D=50；電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速的啟動時間小于800ms;工作臺重量

16、G= Kg；工作臺最快進(jìn)給速度 m/min；使用年限為15年，每天使用6小時。注:本課程設(shè)計主要完成虛線框部分進(jìn)度安排：按日學(xué)時8小時計算，共兩周時間完成，具體時間分配如下：5. 熟悉題目、查資料、擬定初步方案 3天6. 確定方案、參數(shù)計算、繪制圖紙 6天7. 撰寫設(shè)計說明書 2天8. 準(zhǔn)備答辯并上交 1天三、光路系統(tǒng)設(shè)計典型光路系統(tǒng)組成框圖如下：光源噪聲顯示儲存目標(biāo)(信息源)接收器信號處理傳輸光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)介質(zhì)噪聲其中目標(biāo)就是觀察的標(biāo)本或欲測試的零件，即信息源，給出的是物體空間位置的信息。如果目標(biāo)不是自發(fā)光體，必須進(jìn)行人工照明。信息傳播介質(zhì)可以是氣體或液體。光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)是信息的調(diào)制器，它將

17、目標(biāo)的信息按預(yù)定的形式加以轉(zhuǎn)換。在信息傳遞的各個環(huán)節(jié)都可能帶來“噪聲”，它使像質(zhì)惡化，信噪比降低。接收器包括人眼、各種光電、熱電或光化學(xué)元件，其目的是將信息進(jìn)行處理，以便顯示、儲存、傳輸?shù)?。例如夜視望遠(yuǎn)鏡中對目標(biāo)要用紅外光照明，并由目標(biāo)的距離、大氣的情況、接收器的靈敏閾、目標(biāo)的反射率等來決定光源的功率；對接收器也只不過是從現(xiàn)有的品種中選用。光學(xué)系統(tǒng)與光源、接收器的性能密切相關(guān)，因此設(shè)計者實際上就是根據(jù)信息源及接收器的特征，按規(guī)定的功能插入一個正確的匹配器光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)。1、光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)的確定(1)總體設(shè)計原則(2)光源 (3)顯微系統(tǒng)及其參數(shù)確定顯微系統(tǒng)的特點及參數(shù)a) 放大率 b)數(shù)值孔

18、徑 c)視場 d)工作距離 e)光闌位置光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)的決定(3) 投影系統(tǒng)及其參數(shù)確定投影光學(xué)系統(tǒng)的特點光學(xué)參數(shù)的決定2、光電系統(tǒng)中參數(shù)的確定具體參數(shù)：PCB板寬15cm，CCD像元長度29.26mm4、課程設(shè)計注意事項5、課程設(shè)計成果形式及成績評定方法課程設(shè)計成果形式:(1) 設(shè)計機(jī)械傳動、支承、導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)，畫出整個機(jī)械系統(tǒng)的裝配圖1張（A1幅面）；(2) 設(shè)計光路與照明系統(tǒng)（A2幅面）； (3) 撰寫設(shè)計說明書1份。成績評定方法：課程設(shè)計是綜合性實踐環(huán)節(jié)，從四個方面按5級評分（優(yōu)、良、中、及格、不及格）評定成績。1. 學(xué)習(xí)紀(jì)律：要求不遲到、不早退，在工作時間不做與本課程無關(guān)的內(nèi)容，

19、嚴(yán)格遵守各項規(guī)章制度。2. 工作態(tài)度要求：同學(xué)之間既要相互學(xué)習(xí)、相互配合，又要獨立思考、深入鉆研。3. 任務(wù)完成的情況：設(shè)計好的系統(tǒng)應(yīng)滿足任務(wù)書的要求，總結(jié)要全面，內(nèi)容正確，圖、表要求整潔、清晰。4. 答辯：學(xué)生在課程結(jié)束時應(yīng)進(jìn)行口試考核，學(xué)生應(yīng)根據(jù)課程設(shè)計的內(nèi)容講解、回答教師的提問，教師視學(xué)生回答問題的情況給予40的成績。6、參考資料1、趙松年機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19962、王慶有光電技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，2005年4月3、楊公源微機(jī)在機(jī)電一體化傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，北京，1994年9月4、李慶祥現(xiàn)代精密儀器設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2004年 5、曹俊卿

20、工程光學(xué)基礎(chǔ)中國計量出版社，2003年 精密儀器課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一個精密機(jī)械傳動系統(tǒng)及光路系統(tǒng)，與測控總線及虛擬儀器課程設(shè)計中的伺服驅(qū)動系統(tǒng)、光電信號獲取、微機(jī)總線接口電路構(gòu)成一整體。二、具體要求：導(dǎo)軌采用滾動導(dǎo)軌；采用直流電機(jī)端面安裝形式，用聯(lián)軸器連接電機(jī)輸出軸和變速箱輸入軸； 采用CCD傳感器獲取圖像的一維尺寸，自行選擇放大率三、具體參數(shù)：定位精度+0. 001mm；最大工作負(fù)荷FW=100 N；工作臺行程范圍400 mm；調(diào)速范圍D=50； 電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速的啟動時間小于800ms;工作臺重量G=30 Kg；工作臺最快進(jìn)給速度 m/min；使用年限為15年，每天使用6

21、小時。PCB板寬 cm，CCD像元長度29.26mm四、具體任務(wù)：（一）計算與校核1、機(jī)械系統(tǒng)計算機(jī)械傳動系統(tǒng)運動設(shè)計與計算（速比的確定、減速器內(nèi)軸和齒輪的布置、滾珠絲桿導(dǎo)程和長度的確定等）；機(jī)械系統(tǒng)的動力計算（電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩計算、各齒輪模數(shù)和各軸的軸徑確定、滾珠絲桿與滾動導(dǎo)軌的選擇等）； 定位精度校核（主要是控制誤差計算）。2、光路系統(tǒng)設(shè)計計算光路系統(tǒng)放大率及各焦距的確定。透鏡、光源、光闌及相關(guān)光學(xué)元件的選擇設(shè)計。（二）完成的文件材料設(shè)計機(jī)械傳動、支承、導(dǎo)向與定位機(jī)構(gòu)，畫出整個機(jī)械系統(tǒng)的裝配圖1張（A1幅面）；設(shè)計光路與照明系統(tǒng)（A2幅面）； 撰寫設(shè)計說明書1份。五、進(jìn)度安排：12月17日：

22、查閱相關(guān)資料，總體方案確定；12月18日：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計方案確定；12月19日：光路系統(tǒng)設(shè)計方案確定；12月20日至12月21日：機(jī)械系統(tǒng)的計算與校核和設(shè)計參數(shù)確定12月22日至12月23日：光路系統(tǒng)的計算與校核和設(shè)計參數(shù)確定；12月24日至12月25日：機(jī)械系統(tǒng)裝配圖繪制；12月26日：光路與照明系統(tǒng)圖樣繪制；12月27日：撰寫課程設(shè)計說明書；12月28日：檢查并上交課程設(shè)計。六、參考文獻(xiàn)：1、趙松年機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19962、王慶有光電技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，2005年4月3、楊公源微機(jī)在機(jī)電一體化傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，北京，1994.9月4、李慶祥

23、現(xiàn)代精密儀器設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2004年 5、曹俊卿工程光學(xué)基礎(chǔ)中國計量出版社，2003年 指導(dǎo)教師： 年 月 日安徽工程大學(xué)測控總線及虛擬儀器課程設(shè)計指導(dǎo)書 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器專業(yè)方向：測控技術(shù)機(jī)械與汽車工程2010年11月1、課程設(shè)計的目的依據(jù)培養(yǎng)計劃，“測控總線及虛擬儀器”課程設(shè)計是“精密儀器”課程設(shè)計的后續(xù)教學(xué)內(nèi)容，著力訓(xùn)練學(xué)生微機(jī)接口電路、電機(jī)控制與伺服驅(qū)動電路、CCD信號獲取與處理電路的設(shè)計能力。它以“精密儀器”課程設(shè)計的機(jī)械平臺為對象，使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握測控系統(tǒng)硬件電路的整體面貌，為解決實際工程問題打下堅實基礎(chǔ)。2、課程設(shè)計的題目和內(nèi)容設(shè)計題目：表面印刷電路板的電機(jī)控

24、制及信號處理系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：選擇PC機(jī)組建控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的硬件電路通過總線形式與PC機(jī)連接，實現(xiàn)直流電機(jī)位置控制，直流電機(jī)采用PWM可逆方式驅(qū)動，當(dāng)直流電機(jī)拖動工作臺時，執(zhí)行電路板焊接缺陷檢測。本課程設(shè)計側(cè)重與硬件電路設(shè)計，要求完成如下設(shè)計任務(wù)：1總線接口硬件電路設(shè)計，總線形式可以選擇PCI/PC/ISA其中一種；2直流電機(jī)位置伺服控制硬件電路設(shè)計；3線陣黑白CCD傳感器信號獲取與處理電路設(shè)計3、課程設(shè)計的一般步驟及進(jìn)度安排(1)確定設(shè)計方案，繪制結(jié)構(gòu)原理示意圖。整個系統(tǒng)的工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡變換形成平行光線，通過被測目標(biāo)（工作臺上具有焊點信息的PCB板）調(diào)制后，投射在線陣CC

25、D（固定）上，形成目標(biāo)影像，CCD上的光敏元根據(jù)感受到的光強(qiáng)輸出高低不同的電信號，此時，讓直流伺服電機(jī)帶動工作臺進(jìn)行勻速移動，則CCD可以獲取一維運動方向尺寸信息，經(jīng)總線將這些高低電平送入單片機(jī)（計算機(jī)）進(jìn)行處理，通過軟件程序?qū)Λ@取的電信號進(jìn)行處理來獲取焊點信息的位置，通過LED或顯示器進(jìn)行顯示。其中，此系統(tǒng)中，機(jī)械本體系統(tǒng)和光路系統(tǒng)的設(shè)計在精密儀器課程設(shè)計中完成，而光電信號獲取電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路將在本課程設(shè)計中完成。檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。本課程設(shè)計利用伺服直流電機(jī)帶動被測對象（帶有焊點信息的工作臺）勻速運動，利用線陣CCD對焊點的位置信息進(jìn)行獲取，通過PC總線將CCD獲取的信息傳送到單

26、片機(jī)進(jìn)行計算和處理，從而得出焊點的位置信息。整個檢測系統(tǒng)由三部分組成：光電信號獲取電路的設(shè)計、CCD驅(qū)動時序系統(tǒng)設(shè)計以及伺服電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。CCD攝像頭二值化處理PC(ISA)總線PID控制伺服直流電機(jī)工作臺(焊點信息)驅(qū)動時序單片機(jī)計數(shù)器位置反饋H橋驅(qū)動電流和速度反饋帶動工作臺運動顯示PC機(jī)（8086）圖1 CCD檢測系統(tǒng)框圖（2）具體電路部分的設(shè)計1）光電信號獲取電路之CCD驅(qū)動電路設(shè)計光電獲取電路設(shè)計包括CCD傳感器的驅(qū)動時序電路的設(shè)計、CCD信號處理電路設(shè)計以及與單片機(jī)的接口電路設(shè)計上。這部分電路設(shè)計要求：1.掌握線陣CCD像傳感器的工作原理。理解線陣CCD像傳感器的結(jié)構(gòu)、性能及其

27、對驅(qū)動電路的要求；2.學(xué)會某些TTL集成電路的運用，學(xué)會數(shù)字邏輯電路的設(shè)計；3組裝出一個基本滿足要求的2048像素的CCD驅(qū)動電路以及CCD信號的二值化處理。一、 CCD原理描述被檢測對象的光信息通過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。CCD在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在CCD的輸出端可以獲得被測對象的視頻信號。視頻信號中的每一個離散的電壓信號的大小對應(yīng)于該光敏像元上圖像的光強(qiáng)，信號輸出的時序?qū)?yīng)于該光敏像元在 CCD上的空間位置，從而CCD用自身電子掃描方式完成信息的從空間域到時間域的變換。二、 線陣 CCD 時序脈沖電路產(chǎn)生的方法 設(shè)計 CCD

28、 驅(qū)動時序的方法有以下幾種：通用數(shù)字電路驅(qū)動方法EPROM 驅(qū)動方法 、單片機(jī)驅(qū)動方法 、專用 IC 驅(qū)動方法等。1通用數(shù)字電路驅(qū)動方法這種方法是用數(shù)字門電路和時序電路等直接搭成 CCD 時序驅(qū)動電路通過硬件電路來實現(xiàn)對 CCD 的驅(qū)動，它一般由主振 、計數(shù)器、分頻器觸發(fā)器和驅(qū)動器等中等規(guī)模集成芯片構(gòu)成 CCD 芯片的早期產(chǎn)品。由于需要復(fù)雜的三相或四相交疊脈沖， 一般整個驅(qū)動電路需要 20 個左右芯片 ，存在體積較大 、功耗大、 成本高 、設(shè)計復(fù)雜、 開發(fā)周期長 、故障率高 、電路不夠靈活等缺點 。但作為初次設(shè)計CCD驅(qū)動電路的同學(xué)，需要鍛煉運用基本電路實現(xiàn)CCD的驅(qū)動功能。 2EPROM 驅(qū)

29、動方法在 CCD 的一個積分周期中含有多個（一般以千計）移位時鐘，在一個移位時鐘中各路信號在不同的時刻發(fā)生變化，設(shè)計者將移位時鐘周期劃分成若干個等時間間隔，稱為狀態(tài)。時鐘波形電平變化發(fā)生在一定狀態(tài)變化時刻，這樣一行就被分為上萬個狀態(tài)，各路信號或1或0構(gòu)成一個狀態(tài)數(shù)據(jù)，依次裝到可擦除可編程只讀存儲器EPROM中。只要等時間間隔地依次輸出這些數(shù)據(jù)就形成了CCD所需要的各路波形。這種驅(qū)動電路一般由EPROM地址發(fā)生器（異步計數(shù)器）、地址信號同步電路（鎖存器）和強(qiáng)制復(fù)位電路組成。顯然這種電路的硬件依然比較復(fù)雜，同樣具有體積大、功耗大、成本高、設(shè)計復(fù)雜等缺點。但是，這種方法的最大優(yōu)點是對任何型號的CCD

30、來說，其硬件結(jié)構(gòu)幾乎不需要變化，故應(yīng)用比較靈活。3單片機(jī)驅(qū)動方法使用單片機(jī)的并行輸出端輸出所需的驅(qū)動脈沖信號，再經(jīng)驅(qū)動芯片接到 CCD對應(yīng)管腳上獲得所需要的脈沖序列。單片機(jī)產(chǎn)生的CCD驅(qū)動時序的方法主要是依靠程序編程直接輸出驅(qū)動時序信號，由于時序是由程序指令間的延遲產(chǎn)生，因此這種方法在驅(qū)動過程中要占用全部CPU時間，而且為了時序的嚴(yán)密一般在驅(qū)動過程中都禁止中斷響應(yīng)。這種驅(qū)動時序產(chǎn)生方法的特點是調(diào)節(jié)時序靈活，編程簡單，但由于受到單片機(jī)的時鐘頻率的限制，產(chǎn)生的頻率受到很大限制，使其不能應(yīng)用于高速領(lǐng)域。例如假定使用單片機(jī)機(jī)器周期為1s且假定一個移位周期含8個狀態(tài)，那么即使是全部采用單機(jī)器周期改變口輸

31、出數(shù)據(jù)，移位脈沖頻率也只能達(dá)到125KHz。4.專用 IC 驅(qū)動方法這種方法就是利用專用 IC 來產(chǎn)生時序。這種電路是專門為驅(qū)動CCD 而設(shè)計，集成度高，功能強(qiáng)，使用方便 在對攝像等視頻領(lǐng)域應(yīng)用的CCD或是功能強(qiáng)大的面陣CCD進(jìn)行驅(qū)動時使用這種驅(qū)動方法是首選。主要由普通數(shù)字芯片設(shè)計的驅(qū)動電路以及采用CPLD技術(shù)來完成驅(qū)動時序電路設(shè)計等。作為初次設(shè)計CCD驅(qū)動電路的學(xué)生，為了掌握基本的數(shù)字信號脈沖序列的產(chǎn)生原理，建議采用通用數(shù)字電路驅(qū)動方法。三、 驅(qū)動電路的設(shè)計原則首先根據(jù)光路系統(tǒng)選取CCD 接收到的光最敏感波長范圍的光源，然后根據(jù)焊點的分辨率和印刷電路板的寬度（電機(jī)帶動電路板沿長度方向運動，對

32、寬度進(jìn)行一行一行的掃描）來選取CCD。通過查閱器件手冊，根據(jù)數(shù)據(jù)速率的要求明確CCD象元信號的輸出速率頻率值，由它可以得到每個象元信號的讀出周期，是像元信號輸出控制脈沖，復(fù)位一次，輸出一個信號。積分控制脈沖的一個周期包含有CCD器件上所有光敏元區(qū) n1兩端設(shè)置的黑白電平參考區(qū) n2， 隔離區(qū) n3、和過渡區(qū)n4的所有 MOS 單元轉(zhuǎn)移所需要的時鐘周期。則積分控制脈沖一次掃描中共包含有 n 個時鐘周期n=n1+n2+n3+n4由此可以算出每次光積分所需要的最短時間為 =nCCD 光積分控制脈沖的最高頻率為 =是一個正極性脈沖，在光積分控制脈沖=“1”的時間為信號電平的并行轉(zhuǎn)移時間。=0的時間為光

33、積分時間，光積分時間應(yīng)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)移時間內(nèi)，才能使光電柵極下的勢阱中儲存足夠多的電荷信息，但轉(zhuǎn)移時間不可太長。在確定了、等驅(qū)動信號的頻率和特征之后，確定CCD的類型。查閱相關(guān)CCD器件的使用手冊，得到這些驅(qū)動信號的波形圖，然后根據(jù)它們的時序關(guān)系，設(shè)計出硬件邏輯框圖。三路脈沖均為TTL電平，經(jīng)驅(qū)動器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，送至CCD管腳的最大幅度為12。按照上述方法來確定驅(qū)動脈沖，就能夠驅(qū)動CCD器件正常工作。為了提高測量精度，將的下降沿超前電荷轉(zhuǎn)移脈沖的上升沿，這樣在信號脈沖輸出時，當(dāng)下一級信號到來前就復(fù)位完畢，可以避免MOS電容中的信號電荷包復(fù)位不完全，減小遺留電荷信號引起的誤差。四、 舉例這里以TCD

34、l02C1型2048像素的CCD為例進(jìn)行示例。TCDl02C1型結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。它包括：由存貯電極和電荷轉(zhuǎn)移電極組成的攝像機(jī)構(gòu)、兩個CCD移位寄存器、輸出機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)四個部分。圖中四周所畫小圓圈表示器件的管腳，也就是與外電路連接的電極。在圖的中央是器件的攝像機(jī)構(gòu)或稱攝像區(qū)，它具有2084個光敏元和存貯電極。由存貯電極和電荷轉(zhuǎn)移電極SH組成兩相MOS電容，它們起像傳感和向CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移電荷包的作用。在2084個MOS電容中，有效的為2048個，他們攜帶圖像信息，其余36個不帶圖像信息，只是為了保證輸出信號線性好而附加的。存貯電極上加固定電壓(由OD端外加直流電壓后獲得)，轉(zhuǎn)移電極S

35、H需外加脈沖電壓。當(dāng)脈沖低電平期間進(jìn)行攝像，高電平期間進(jìn)行電荷包轉(zhuǎn)移。圖2 TCDl02C1型結(jié)構(gòu)原理圖在攝像區(qū)的兩側(cè)為CCD移位寄存器，也是由一系列MOS電容組成。它們對光不敏感(光屏蔽了)只是接受攝像區(qū)轉(zhuǎn)移來的電荷包，把它們逐個移位到輸出機(jī)構(gòu)中去，最后送到器件外面。攝像區(qū)中2084個MOS電容在光照下獲得光生載流子形成電荷包。在電荷包轉(zhuǎn)移期間，按奇偶序號分開，分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的移位寄存器中去。即CCD移位寄存器1接受奇數(shù)序號的電荷包；而CCD移位寄存器2接受偶數(shù)序號的電荷包。兩個移位寄存器都有兩相電極和外電路連接。當(dāng)外電路對1和2提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖時，移位寄存器中的電荷包就由右向左(圖中位置

36、)移位。在結(jié)構(gòu)安排上已保證兩寄存器中的電荷包以奇、偶序號交替的方式把電荷包送到輸出機(jī)構(gòu)，以恢復(fù)攝像時的次序(可見，用兩個移位寄存器提高了轉(zhuǎn)移速度)。在圖的左端是器件的輸出機(jī)構(gòu)。Q1、Q2為場效應(yīng)管，它們構(gòu)成源極跟隨器，下接兩個管子作跟隨器負(fù)載電阻用。通過它們把攜帶圖像信息的電荷包以電壓的形式送到器件以外，也適合帶動外電路負(fù)載。OS端就是CCD信號輸出電極，RS電極為復(fù)位控制柵極，需要外加適當(dāng)?shù)膹?fù)位脈沖。每當(dāng)前一個電荷包輸出完畢，下一電荷包尚未輸出之前，RS電極上應(yīng)出現(xiàn)復(fù)位脈沖，它把前一電荷包電荷抽走，使輸出管Ql的柵極電位復(fù)原，以準(zhǔn)備接收下一電荷包到來。TCDl02C型CCD比其他型號CCD多

37、設(shè)了采樣保持電路。SP電極為采樣保持控制端。當(dāng)SP電極外加適當(dāng)?shù)拿}沖電壓時，CCD輸出信號得到了采樣保持，在OS輸出端可得到連續(xù)信號(如下圖的OS波形)。如果SP極不加脈沖電壓而接直流電壓，則采樣保持電路不工作，CCD輸出信號由電荷包直接形成負(fù)脈沖(如圖3的OS*波形)。輸出信號與入射光強(qiáng)成正比。 圖2的右端1S、1G電極組成補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，當(dāng)外加適當(dāng)脈沖電壓時，可實現(xiàn)過零補(bǔ)償(通?？梢圆挥?。SS電極是MOS電容的襯底(硅片)，通常接地。(二)驅(qū)動脈沖的時序要求 要使CCD器件正常工作，需要在電極SH、1、2和RS上分別加四路脈沖電壓。(必要時再加一路采樣保持用脈沖供給SP電極)。這四路脈沖的時序

38、關(guān)系如圖3所示。圖3中，SH為電荷轉(zhuǎn)移控制電極。SH脈沖高電平時，攝像區(qū)MOS電容中積累的光生電子按奇偶序號移向兩側(cè)的移位寄存器中(圖 1)，時間極短。SH脈沖低電平時為“采光”進(jìn)行攝像時期，MOS電容對光生電子進(jìn)行積累?？梢?，SH脈沖的周期決定了器件采光時間的長短。而在此期間，兩側(cè)移位寄存區(qū)在驅(qū)動脈沖作用下把上一次轉(zhuǎn)移來的電荷包逐個依次輸出到器件以外，圖3 驅(qū)動脈沖時序圖OS*為SP接十12V時CCD輸出信號；S1S2048是信號OS*為SP接脈沖電壓時CCD輸出信號可以看出，在SH低電平期間，兩個移位寄存器分別輸出20842個信號脈沖。這就決定了SH信號周期必須大于20842個1、2脈沖周

39、期。否則電荷包不能全部輸出，就會影響下一周期輸出信號的精確度。由此可得這兩路脈沖之間有確定的頻率關(guān)系。器件最佳驅(qū)動脈沖之頻率1、2為500kHz?？筛咝┗虻托邉t減小了電荷包傳輸效率，太低則暗噪聲影響增大。一股光照強(qiáng)時，SH周期可短些，反之則長些。兩側(cè)移位寄存器中，每當(dāng)1高電平時就輸出一個電荷包，在結(jié)構(gòu)上使兩側(cè)1電極輪流出現(xiàn)高電平，所以1、2脈沖一個周期內(nèi)輸出兩個電荷包。這樣復(fù)位脈沖也應(yīng)出現(xiàn)兩次。所以RS脈沖頻率為1、2脈沖頻率二倍。(三)驅(qū)動電路原理兩相線陣CCD的驅(qū)動電路應(yīng)有三個要求：(1)滿足圖3所示四路脈沖時序要求不考慮SP。(2)對CCD提供的脈沖應(yīng)滿足一定的電壓幅度(十12V)

40、和功率要求(800mw)。(3)CCD輸出信號便于和外電路連接。于是得出驅(qū)動電路方塊圖如圖4所示。圖中，時鐘和時序邏輯電路用來實現(xiàn)圖3所示的時序邏輯關(guān)系，通常用TTL數(shù)字電路實現(xiàn)。而電平轉(zhuǎn)換電平為了達(dá)到所需電壓幅度和功率要求，射極跟隨器用于引出CCD輸出信號。要滿足圖3中驅(qū)動脈沖的時序要求最常用的方法是用同一時鐘對幾路脈沖進(jìn)行控制，以保證相互間確定的時間關(guān)系。再用分頻器對鐘脈沖進(jìn)行分頻以產(chǎn)生各路脈沖所需之波形。下面是驅(qū)動電路的工作原理。1用與非門(或斯密特觸發(fā)器74LSl4)74LS00組成環(huán)形振蕩器作為時鐘，頻率為3MHz。經(jīng)三分頻電路輸出再和時鐘輸出相與非，即得RS脈沖，頻率為lMHz。(

41、此為典型值)。時鐘時序邏輯電路CCDD電平轉(zhuǎn)換電路射極跟隨器圖4 .驅(qū)動電路方框圖圖5 時序邏輯電路圖2三分頻輸出端再接JK觸發(fā)器組成的二分頻電路。其輸出即得到1、2脈沖。3由三個十分頻(十進(jìn)計數(shù)器)和一個二分頻電路進(jìn)行脈沖延時，然后去控制JK觸發(fā)器就得到了所需的SH脈沖的周期。在SH脈沖低電平期間，兩列移位寄存器需輸出20842個脈沖。所以SH脈沖周期必須大于(或等于)20842個1(亦2)脈沖周期。這里用三個十分頻和一個二分頻電路可得SH的周期為2000個1周期。若設(shè)CCD采光時間即SH周期為1400個1周期，當(dāng)計數(shù)器計滿1400脈沖時用與非門引出信號使JK觸發(fā)器和計數(shù)器同時置零。JK觸發(fā)

42、器翻轉(zhuǎn)即輸出了SH脈沖之前沿。隨后，由三分頻之端輸出觸發(fā)JK觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，JK觸發(fā)器翻回即提到SH脈沖之后沿,后沿比提前跳變，滿足波形要求。電子轉(zhuǎn)換電路一般采用MOS驅(qū)動器(如DS0026),把、反相即得所需之SH、1、2、RS脈沖。CCD信號輸出電路之射極跟隨器如圖6所示。 (3) 位置伺服控制電路設(shè)計這部分驅(qū)動電路設(shè)計要求：1、掌握直流伺服電機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上正確的選型；2、掌握伺服驅(qū)動控制器的設(shè)計。2）光電信號獲取電路之CCD 信號處理電路設(shè)計CCD信號處理電路設(shè)計方法包括：固定閥值法、浮動閥值法以及微分法等。1.固定閥值法：2.浮動閥值法：3.微分法：3）接口總線電路設(shè)計由CC

43、D信號經(jīng)過二值化處理后，將TTL信號接入計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，然后通過PC/ISA總線將信號送入微機(jī)進(jìn)行計算、顯示和存儲，并且將控制電機(jī)的單片機(jī)作為下位機(jī)，受控于上位PC機(jī)，即信號的啟動、發(fā)送利用PC機(jī)進(jìn)行，而工作臺的移動插補(bǔ)控制利用下位機(jī)進(jìn)行，可提高系統(tǒng)運行速度，提高工作效率。其總線的連接參照相應(yīng)的總線規(guī)范進(jìn)行。8086/8088CPU引腳功能a）8086/8088CPU的引腳分類（1）數(shù)據(jù)/地址復(fù)用線、地址線、地址/狀態(tài)復(fù)用線AD0AD7 、AD8AD15、）A16A19/S3S6；（2）常規(guī)信號GND（2個）、CLK；（3）常用信號ALE、；（4）中斷INTR、NaMI、；（5）、READY、

44、RESET；（6）HOLD、HLDA；（7）（8086）（8088）、。b).兩種模式下，名稱和功能相同的32個引腳 VCC、GND：電源、接地引腳 AD15AD0（Address Data Bus）:地址/數(shù)據(jù)復(fù)用信號輸入/輸出引腳(16)。 A19/s6A15/s3（Address Status Bus）:地址/狀態(tài)復(fù)用信號輸出引腳(4)。NMI(Non-Maskable Interrupt)、INTR（Interrupt Request）:中斷請求信號輸入引腳。（Read）:讀控制輸出信號引腳。CLK/(Clock）：時鐘信號輸入引腳8088/8088的時鐘頻率（又稱為主頻）為4.77M

45、Hz。最小模式下的系統(tǒng)典型配置Reset(Reset):復(fù)位信號輸入引腳。復(fù)位狀態(tài)IP、DS、SS、ES寄存器及指令隊列進(jìn)行清零操作，而將CS設(shè)置為0FFFFH。READY（Ready）:“準(zhǔn)備好”狀態(tài)信號輸入引腳。 (Test):測試信號輸入引腳。MN/MX（Minimum/Maximum Model Control）最小/最大模式設(shè)置信號輸入引腳。/S7（Bus High Enable/Status）:高8位數(shù)據(jù)允許/狀態(tài)復(fù)用信號輸出引腳(1)，輸出。利用信號和AD0信號，可知系統(tǒng)當(dāng)前的操作類型。c).最小模式下的24-31引腳 當(dāng)8088/8086CPU的引腳固定接+5V時，CPU處于最

46、小模式下：（Interrupt Acknowledge）中斷響應(yīng)信號輸出引腳。ALE（Address Lock Enable）:地址鎖存允許輸出信號引腳。（Data Enable）:數(shù)據(jù)允許輸出信號引腳，低電平有效，為總線收發(fā)器8286提供一個控制信號，表示CPU當(dāng)前準(zhǔn)備發(fā)送或接收一項數(shù)據(jù)。（Data Transmit/Receive）:數(shù)據(jù)收發(fā)控制信號輸出引腳。（Memory/Input &Output）。 (Write): 寫控制信號輸出引腳。 HOLD(Hold Request): 總線保持請求信號輸入引腳。 HLDA（Hold Acknowledge）。4）伺服電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計1.系統(tǒng)

47、組成原理44_1:offset null 14:-Vcc5: offset null 27:+ Vcc8:NC_+12348765_+UA741R1R2Rf+15V15V1567 10K 10K 2 3+10K10K501LM3111OUT1IN-1IN+GNDVcc2OUT2IN-2IN+12348765LM311TG光電編碼器MVABABPC總線AD569速 度 控 制 器電 流 控 制 器16AB15V+15V+比較比較三角波發(fā)生器825540193401934019340193PAPB444444442位置伺服控制原理1）、脈寬調(diào)制器（PWM）原理在脈寬調(diào)制器在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，脈寬調(diào)

48、制器的作用，是使電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓電平（隨時間按給定指令變化）與振蕩器產(chǎn)生的確定頻率的三角波疊加，然后利用線性組件產(chǎn)生寬度可變的矩形脈沖，經(jīng)基極的驅(qū)動回路放大后加到功率放大器晶體管的基極，控制其開關(guān)周期及導(dǎo)通的持續(xù)時間。電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓電平，是由插補(bǔ)器輸出的速度指令轉(zhuǎn)化而來的。經(jīng)過脈寬調(diào)制器變?yōu)橹芷诠潭?，脈寬可變的脈沖信號，脈沖寬度的變化隨著速度指令變化而變化。由于脈沖周期不變，脈沖寬度改變將使脈沖平均電壓改變。2）、脈寬調(diào)制器（PWM）的組成脈沖寬度調(diào)制器的種類很多，但從構(gòu)成來看，都是由兩部分組成，一是調(diào)制信號發(fā)生器，二是比較放大器。而調(diào)制信號發(fā)生器都是采用三角波發(fā)生器或鋸齒波

49、發(fā)生器。圖 6.37 為一種用三角波作為調(diào)制信號的脈寬調(diào)制器，該脈寬調(diào)制器適合雙極性可逆式開關(guān)功率放大器。其中圖(a)為三角波發(fā)生器，三角波發(fā)生器由二級運算放大器組成。第一級運算放大器 Q1組成的線路，實際上是頻率確定的自激方波發(fā)生器，在它的輸出端接上一個由運算放大器 Q2構(gòu)成的積分器。其工作過程如下：設(shè)在電源接通瞬間 Q1的輸出電壓均為 -Vd（運算放大器電源電壓），被送到 Q2的反相輸入端。Q2組成的電路是一個積分器，輸出電壓逐漸升高，按線性比例關(guān)系上升，同時又被反饋到 Q1的輸入端與 uB（uB通過 R2正反饋到 Q1的輸入端）進(jìn)行比較，當(dāng)比較之后的 uA0 時，也就立即翻轉(zhuǎn)，由于正反饋

50、的作用，瞬間達(dá)到最大值 uB= + Vd。此時，t= t1而 u = VdR5/R2。而在 t1t0 時，比較放大器 Q3的輸出脈沖正半波寬度小于負(fù)半波寬度，而當(dāng) uer0 時，比較放大器Q3輸出脈沖正半波寬度大于負(fù)半波寬度。如果三角波的線性度很好，則輸出脈沖寬度可正比于控制電壓uer，從而實現(xiàn)了模擬電壓脈沖的轉(zhuǎn)換。圖中 ub1、ub2、ub3和 ub4是在一種特定情況下（輸入信號為u+ uer）放大器 Q3、Q4、Q5和 Q6同時分別產(chǎn)生的 4 種脈沖信號。圖中晶體管T1、T2、T3、T4是為了脈寬調(diào)制器的驅(qū)動功率并保證它的正脈沖輸出。3）、開關(guān)功率放大器開關(guān)功率放大器是脈寬調(diào)制速度單元的主

51、回路。從結(jié)構(gòu)形式可分為 T型放大器和 H 型放大器，在工作方式上又都有雙極性和單極性 2 種工作方式。下面介紹一種用得最為廣泛的 H 型開關(guān)電路，其電路圖如圖 6.39 所示。它由 4 個晶體管和 4 個續(xù)流二極管組成的橋式回路。M 為直流伺服電機(jī)，直流供電電源 +Ed由三相全波整流電源供給。它的控制方法為：將脈寬調(diào)制器輸出的脈沖波 u b1，u b2，u b3和 u b4經(jīng)基極驅(qū)動電路、光電藕合電路變?yōu)?Ub1，Ub2，Ub3和 Ub4信號加到開關(guān)功率放大器 4 個晶體管的基極，它們的波形見圖 6.38，是 ub1，ub2，ub3和 ub4驅(qū)動放大后的脈沖波，Ub1，Ub2，Ub3和 Ub4

52、在相位、極性上與 ub1，ub2，ub3和 ub4相同。當(dāng)電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)時（即非制動、減速狀態(tài)），在 0tt1的時間區(qū)間內(nèi)，Ub2，Ub3電壓為正，T2和 T3飽和導(dǎo)通，在電樞兩端加上直流電源向電機(jī)供給能量，這時電流方向從電源+Ed經(jīng) T3、電機(jī)電樞、T2、回到電源。在 ttt2時，Ub1，Ub3均為負(fù)值，T1和 T3截止，電源 +Ed被切斷，而此時 Ub3為正，因此由電樞電感的作用，電流經(jīng) T2和續(xù)流二極管 D4繼續(xù)導(dǎo)通。在t2tt3時，Ub2，Ub3同時為正，+ Ed又經(jīng) T2和 T3加至電樞兩端，電流繼續(xù)流通。在 t3t T時，Ub2，Ub4同時為負(fù)，電源 +Ed再次被切斷，Ub3為正值，由于電樞電感的作用，電樞電流經(jīng) T3和 D1而繼續(xù)流通。由此可見，主回路輸出電壓（加在電樞上的電壓）UAB是在 0 和 +Ed之間變。4）、數(shù)字脈沖比較器圖 6.17 所示為該比較器的構(gòu)成原理圖。圖中 U1，U4，U5，Us，U9均為或非門；U2，U3，U6，U7為D觸發(fā)器；U12為八位移位寄存器；U10，U11為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；U14為可逆計數(shù)器。當(dāng)指令脈沖 Pc+（或 Pc-）與反饋脈沖 Pf+（或 Pf-）分別到來時，在 U1