機(jī)電一體化第四章機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)課件

第四章機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用

電路設(shè)計(jì)第一節(jié)電橋電路設(shè)計(jì)第二節(jié)檢測(cè)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)第三節(jié)多功能式信號(hào)放大器設(shè)計(jì)第四節(jié)計(jì)算機(jī)輸出接口電路設(shè)計(jì)第五節(jié)V/F-F/V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)下一頁第六節(jié)開關(guān)量控制電路設(shè)計(jì)第七節(jié)直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)第八節(jié)常用測(cè)試儀表選擇方法習(xí)題與思考題上一頁下一頁第一節(jié)電橋電路設(shè)計(jì)一、電橋電路設(shè)計(jì)分析在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，位移、流量、壓力、力、角度、力矩、溫度等物理信號(hào)檢測(cè)與控制。選用的傳感器在測(cè)量這些物理量時(shí)，首先轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)電阻、電感、電容變化量，必須通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓量輸出，才能實(shí)現(xiàn)多種物理量的檢測(cè)。

直流電橋電路的優(yōu)點(diǎn)：(1)供橋電源采用直流電源，比較容易實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性，高精度的直流電源，準(zhǔn)確度達(dá)到小于0.002％；(2)電橋平衡電路簡單，輸出零點(diǎn)調(diào)節(jié)方便；(3)電橋輸出響應(yīng)快，適應(yīng)于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量；(4)電橋輸出電壓是直流量，可以用一般的直流儀表測(cè)量顯示；(5)電橋電路可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償作用，減小溫度的影響誤差。下一頁上一頁圖4-1電橋電路原理圖上一頁下一頁2.應(yīng)變量測(cè)量電橋電路設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究中，應(yīng)變量的測(cè)量常采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)選擇應(yīng)變計(jì)是低阻值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的電阻為120Ω，應(yīng)選配無感電橋盒中的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻分別為120Ω與應(yīng)變計(jì)組成全橋結(jié)構(gòu)，按照上述方法設(shè)計(jì)電橋調(diào)零電路。若選擇應(yīng)變計(jì)是大電阻時(shí)，應(yīng)選配無感電阻，電阻值的大小與所選用的應(yīng)變計(jì)電阻值大小一致，誤差不大于0.1％。3.高阻變化測(cè)量電橋電路設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫度、位移、濕度、角度等物理信號(hào)檢測(cè)時(shí)所用的傳感器電阻變化量從幾歐姆到幾百歐姆，而應(yīng)變式傳感器在測(cè)量時(shí)，電阻變化量小于1Ω，在設(shè)計(jì)電橋電路時(shí)，基本上是根據(jù)傳感器應(yīng)變計(jì)電阻大小來設(shè)計(jì)電橋。當(dāng)測(cè)量傳感器電阻變化量較大時(shí)，仍按照以上方法設(shè)計(jì)電橋，就無法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，因此，在設(shè)計(jì)電橋時(shí)，要根據(jù)電橋輸出的電壓大小設(shè)計(jì)電橋電路參數(shù)，電橋電路如圖4-2。選擇配橋電阻，精度小于0.1％如圖4-3所示。電橋電壓選用6V電壓。上一頁下一頁圖4-2單電阻電橋電路上一頁下一頁第二節(jié)檢測(cè)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)目前所使用的各種各樣的傳感器受結(jié)構(gòu)尺寸、體積、功耗及轉(zhuǎn)換功能等因素的限制，傳感器的輸出信號(hào)都比較小，只有幾個(gè)毫伏到幾十毫伏，很難直接用來進(jìn)行顯示和記錄，并且在信號(hào)傳輸過程中容易受環(huán)境的電磁場(chǎng)干擾，為此在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)中必須解決信號(hào)放大問題。常用的方法是在傳感器輸出配置電壓放大器，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。一、電壓放大器電路設(shè)計(jì)1.同相電壓放大器電路設(shè)計(jì)同相電壓放大電路如圖4-4所示，同相電壓放大器的增益計(jì)算式為上一頁下一頁圖4-4同相電壓放大器電路上一頁下一頁2.反相電壓放大器電路設(shè)計(jì)反相電壓放大器如圖4-5所示，反相電壓放大器的輸入信號(hào)Ui經(jīng)輸入端電阻R1送入反相輸入2端，同相輸入端經(jīng)平衡電阻Rp接地。Rf為反饋電阻，它跨接在輸出端與反相端之間，形成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，稱之為反饋放大電路。輸出電壓與輸入電壓相反。電路參數(shù)計(jì)算方法上一頁下一頁圖4-5反相電壓放大器電路上一頁下一頁圖4-6交流電壓放大器電路上一頁下一頁二、測(cè)量放大器電路設(shè)計(jì)測(cè)量放大器是一種高性能的差動(dòng)放大器，由幾個(gè)運(yùn)算放大器組成。一個(gè)理想的測(cè)量放大器的輸出電壓，僅取決于其輸入端的兩個(gè)電壓U1和U2之差，即

Uo=A(U2-U1)(4-1)式中增益A是已知的，它可以在一個(gè)寬廣的范圍內(nèi)變化。實(shí)際的測(cè)量放大器應(yīng)該具有設(shè)計(jì)時(shí)所要求的增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低輸入失調(diào)電壓和低的失調(diào)電壓溫度系數(shù)。圖4-7表示一個(gè)典型的測(cè)量放大器。對(duì)于共模增益，因U1=U2，所以IG=0，即I1=I2=0，則Uo1=U1，Uo2=U2，因此為單位共模增益。輸出放大器A3為差動(dòng)放大器，其增益為測(cè)量放大器的總增益為上一頁下一頁AD521和AD522集成測(cè)量放大器，是美國AnalogDevices公司的產(chǎn)品。使用接線如圖4-8所示。以AD522為例，它的1號(hào)和3號(hào)腳是測(cè)量放大器的一對(duì)高輸入阻抗輸入端子。2腳和14腳用來連接電阻RG。4腳和6腳用于放大器調(diào)零，13腳為數(shù)據(jù)屏蔽端，用于連接輸入信號(hào)引線的屏蔽端，以減少外電場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾。放大器的增益由外接電阻RG來調(diào)節(jié)，輸出電壓uo由下式給出計(jì)算：其中Ui1是同相端輸入電壓，Ui2是反相端輸入電壓，當(dāng)放大倍數(shù)為100，輸出電壓5Ｖ時(shí)，AD522的非線性誤差小于0.005％。共模抑制比大于120dB。圖4-9是AD522應(yīng)用于測(cè)量電橋的典型應(yīng)用電路。上一頁下一頁圖4-8AD512和AD522的應(yīng)用電路上一頁下一頁圖4-9AD522的電橋測(cè)量電路上一頁下一頁圖4-10LH0084電路原理圖上一頁下一頁四、隔離式電壓放大器在強(qiáng)電或強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的環(huán)境中，傳感器輸出的電壓信號(hào)不可避免地混有靜電耦合、電磁耦合和接地回路干擾信號(hào)。隔離電壓放大器具有以下特點(diǎn)：(1)能保護(hù)系統(tǒng)中的器件不受高共模電壓損害，防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞；(2)泄漏電流小，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無須提供偏置電流回路；(3)抗共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)準(zhǔn)確安全地測(cè)量。1.AD202/AD204隔離電壓放大器性能功率小于35mW（AD204）或75mW（AD202）；最大非線性度±0.025％；高的CMR130dB；頻帶寬度可達(dá)5kHz(AD204)。AD202/AD204是低成本隔離電壓放大器。二者區(qū)別在于：AD202直接由+15V直流電壓供電，而AD204則是通過外部提供時(shí)鐘供電，AD202/204的應(yīng)用電路如圖4-11所示。上一頁下一頁圖4-11傳感器信號(hào)輸入放大電路上一頁下一頁圖4-12溫度測(cè)量電壓放大電路圖上一頁下一頁圖4-13AD290系列原理圖上一頁下一頁圖4-15

采用TD290系列的低電平信號(hào)放大電路圖上一頁下一頁圖4-16橋路檢測(cè)隔離電路圖上一頁下一頁五、集成運(yùn)算放大器應(yīng)用選擇原則集成運(yùn)算放大器有多種類型，主要有通用型、高輸入阻抗型、高速型、低功耗型、低漂移型、高精度型、自動(dòng)穩(wěn)零型、單電源型等。對(duì)于市場(chǎng)品種繁多的集成運(yùn)算放大器選擇的一般原則是選用性能價(jià)格比高，通用性強(qiáng)的器件。針對(duì)不同需要，具體選用原則是：(1)設(shè)計(jì)沒有特殊要求，一般可選用通用型，這類器件直流性能較好，種類較多，價(jià)格較低(2)通用型中有單放、雙放、四放等多種。(3)設(shè)計(jì)要求放大器的輸入阻抗很大，則可選用高輸入阻抗型。(4)在毫伏級(jí)或更微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)，精密模擬運(yùn)算、高精度穩(wěn)壓源、高增益電流放大等，應(yīng)選用高精度、低漂移、低噪聲類型的運(yùn)算放大器。(5)對(duì)于視頻信號(hào)放大、高速采樣/保持、高頻振蕩及波形發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)，則需選用高速寬頻帶型運(yùn)算放大器。(6)對(duì)于要求低功耗使用場(chǎng)合應(yīng)選低功耗型。(7)設(shè)計(jì)放大器需要自動(dòng)穩(wěn)零時(shí)，應(yīng)選擇自動(dòng)調(diào)零型運(yùn)算放大器器件。上一頁下一頁六、運(yùn)算放大器應(yīng)用性能擴(kuò)展技術(shù)在應(yīng)用放大電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)綜合檢測(cè)性能比和設(shè)計(jì)要求等多種因素，已經(jīng)選定運(yùn)算放大器型號(hào)以后，還可以利用相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)輔加電路，提高運(yùn)算放大器性能以滿足使用上更為廣泛的需求。1.提高輸出電壓電路設(shè)計(jì)放大器的輸出電壓幅度在額定工作電壓±15V條件下，一般只有±10V左右，要想得到更大的輸出電壓可外加輔助電路得到，如圖4-17是一種常見的方法。浮動(dòng)的正、負(fù)供電電壓，相當(dāng)于在輸入端也加了一個(gè)浮動(dòng)的共模電壓，電路的輸出幅度受運(yùn)放共模電壓范圍限制，其最大輸出幅度接近等于運(yùn)放本身的輸出幅度與它的共模電壓范圍之和。圖4-18提供的另一種擴(kuò)展輸出幅度的電路。輸出電壓的擴(kuò)展方法是利用分離元件實(shí)現(xiàn)，簡單方便靈活。上一頁下一頁圖4-17輸出電壓擴(kuò)展電路圖上一頁下一頁圖4-18單極性輸出電壓擴(kuò)展電路圖上一頁下一頁2.提高輸出電流電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器本身輸出電流一般為5mA左右，當(dāng)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器、開關(guān)器件、電機(jī)等負(fù)載時(shí)，需要增大輸出電流的能力。最簡單的辦法是運(yùn)算放大器輸出端接射極跟隨器，如圖4-19為互補(bǔ)雙向輸出式電流擴(kuò)大電路，工作在B類狀態(tài)，輸出電流可大于1A。如圖4-20為單向輸出電流擴(kuò)大電路，輸出電流大于100mA，可提高帶負(fù)載能力。上一頁下一頁圖4-19雙向輸出式電流擴(kuò)大電路圖上一頁下一頁圖4-20單向輸出電流擴(kuò)大電路上一頁下一頁3.提高電路輸入電阻設(shè)計(jì)在微弱信號(hào)、電荷量信號(hào)、高運(yùn)算精度的放大信號(hào)電路中，要求運(yùn)算放大器具有109～1012Ω的輸入電阻。在不能獲得高阻抗運(yùn)放的情況下，可選配一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管作為運(yùn)放的輸入緩沖級(jí)，以提高輸入阻抗，電路如圖4-21所示，電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是FET管參數(shù)配對(duì)和工作點(diǎn)的選擇。使用FET要求工作在該管子的零溫度系數(shù)電流值，其中T1、T2零溫度系數(shù)電流要一致，T3零溫度系數(shù)電流應(yīng)等于T1、T2和T4之和。FET的零溫度系數(shù)電流可用計(jì)算法或?qū)嶒?yàn)法求得，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算零溫度系數(shù)電流為：提高輸入電阻方法之二為自舉電路法，電路的基本原理是利用輸出電流反饋輸入，以補(bǔ)償信號(hào)源所需提供給R1的電流，如圖4-22所示。上一頁下一頁圖4-21緩沖法提高輸入電阻電路上一頁下一頁圖4-22自舉法提高輸入電阻上一頁下一頁4.提高共模抑制比的設(shè)計(jì)方法圖4-23是提高共模抑制比的電路原理圖，圖為共源-共柵串接電路。共柵電路的特點(diǎn)之一是輸出電阻比共源電路約大一個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于提高了恒流源的共模阻抗，此外將共柵對(duì)管的柵極和共源對(duì)管的源極短接，使T3、T4對(duì)管有自舉作用，兩種綜合結(jié)果，可使運(yùn)算放大器的共模抑制比達(dá)到120dB5.減小溫度漂移電路的設(shè)計(jì)方法減小溫度漂移的方法很多，比較簡便的方法可采用“同特性運(yùn)放組合補(bǔ)償法”，這種方法可使零點(diǎn)漂移系數(shù)下降到2～3μV/℃以下。如要得到更低的溫漂，通常采用斬波穩(wěn)零式放大器。它有經(jīng)典式和動(dòng)態(tài)校零式兩種方法，圖4-24為動(dòng)態(tài)校零式的原理圖。上一頁下一頁圖4-23提高共模抑制比電路上一頁下一頁圖4-24動(dòng)態(tài)校零式低漂移放大器電路上一頁下一頁6.安全保護(hù)電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器在工作中如果發(fā)生不正常的工作條件，而事先沒有采取保護(hù)措施，電路就將損壞。運(yùn)算放大器的安全保護(hù)主要有三個(gè)方面：電源故障保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。(1)電源故障保護(hù)。電源常見故障是電源反接和電壓跳變。電源反接保護(hù)可采用如圖4-25所示電路。電源電壓跳變，多發(fā)生在電源的接通和斷開的瞬間。性能不好的穩(wěn)壓電源，在電壓建立或消失時(shí)出現(xiàn)的電壓過沖，可能比正常的穩(wěn)定電壓高幾倍。如圖4-26所示，為一種電源電壓突變保護(hù)電路，它采用FET電流源和穩(wěn)壓管箝位，穩(wěn)壓管擊穿電壓大于運(yùn)算放大器正常工作電壓，但小于運(yùn)算放大器的極限電壓，F(xiàn)ET呈現(xiàn)為小電阻，它和電容器構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)。上一頁下一頁圖4-25電源反接保護(hù)電路上一頁下一頁圖4-26電源電壓突變保護(hù)電路上一頁下一頁(2)輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)。運(yùn)放輸入過載引起電路損壞分兩種情況：一是差模電壓過高，二是共模電壓過高而超出運(yùn)放設(shè)計(jì)的極限范圍。電路的損壞都發(fā)生在運(yùn)放進(jìn)入飽和以后。產(chǎn)生哪一種過載情況的可能性大和應(yīng)用電路有關(guān)，如開環(huán)應(yīng)用時(shí)容易產(chǎn)生差模電壓過大，壓隨器應(yīng)用時(shí)容易產(chǎn)生共模電壓過大，積分器應(yīng)用時(shí)輸入端容易引起瞬態(tài)高壓。如圖4-27為防止差模電壓過大的保護(hù)電路。圖4-28中為防止共模電壓過大的保護(hù)電路，箝位二極管接一恒定電壓，電壓值略小于運(yùn)放共模電壓值。(3)輸出保護(hù)電路設(shè)計(jì)。運(yùn)放有可能出現(xiàn)過載、輸出端對(duì)地短路、輸出端誤碰電源端或外殼等幾種情況，因而需要輸出保護(hù)。運(yùn)放正常工作電流一般小于10mA，極限電流為20mA。目前一般采用正外延PN結(jié)隔離工藝，外殼已接負(fù)電源，是處于最低電位，使用中應(yīng)注意上述要求和特點(diǎn)?，F(xiàn)在很多品種的運(yùn)放內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路，如F007的輸出保護(hù)性能比較良好。在一些對(duì)輸出保護(hù)有重要意義的場(chǎng)合，也可外加保護(hù)電路。如圖4-29提供了兩種輸出保護(hù)電路。圖4-29（a）中FET與正向偏置的二極管構(gòu)成電流源，起雙向限流輸出保護(hù)作用。上一頁下一頁圖4-27差模電壓過大保護(hù)電路上一頁下一頁圖4-28共模電壓過大保護(hù)電路上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-29輸出保護(hù)電路7.電路板的制作和屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)良的整機(jī)性能，除了要有高性能的運(yùn)算放大器和其他元件外，運(yùn)算放大器在印刷板上的安裝工藝，對(duì)其性能的影響也很大，尤其是對(duì)高速、高阻、低漂移性能的運(yùn)放，如電路板制作不良也不能發(fā)揮器件的作用。電路板在制作中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。(1)電源的交流旁路問題。電源在沒有加旁路電容時(shí)，在高頻情況下，電源線與地線的阻抗不能忽略，它對(duì)于輸出級(jí)晶體管和負(fù)載是串聯(lián)接入時(shí)，成為運(yùn)放的負(fù)載，這樣輸出級(jí)信號(hào)將通過電源的耦合反饋到輸入級(jí)。(2)輸入漏電流的隔離問題。當(dāng)用高輸入阻抗運(yùn)放對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，輸入端和電源端之間的電壓差將產(chǎn)生漏電流，沿電路板表面流入輸入端，即電路板本身作為漏電流通路降低了運(yùn)放的輸入阻抗。(3)接地問題。在一個(gè)運(yùn)放電路中存在信號(hào)源地、放大器地、電源地、負(fù)載地等，而在電子系統(tǒng)中還將存在各單元地和整機(jī)地等，因此接地問題是很重要的，如接地不當(dāng)會(huì)形成大面積電回路，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。在一個(gè)運(yùn)放電路中要求只有一個(gè)接地點(diǎn)，通常是在運(yùn)放的輸入端接地，如果做不到這一點(diǎn)，將形成接地回路，回路中的感應(yīng)電流產(chǎn)生輸入誤差信號(hào)，如圖4-30所示，為了抑制接地干擾信號(hào)，采用差動(dòng)輸入式。上一頁下一頁圖4-30接地不當(dāng)形成地回路上一頁下一頁(4)屏蔽問題。在高阻抗交流電路應(yīng)用中，干擾信號(hào)很容易通過電容耦合或電感耦合流入運(yùn)放的輸入端。如圖4-31的反相放大電路，設(shè)輸入信號(hào)Vs=100mV，輸入電R1=1MΩ，則僅1011Ω的耦合阻抗，在200V交流源的作用下，將引入輸入信號(hào)的2％的噪聲干擾，而這樣的耦合阻抗只要0.03pF的雜散電容在50Hz的條件下即可產(chǎn)生。這種干擾一般可用屏蔽方法防護(hù)，對(duì)于容性耦合可采用接地的靜電屏蔽罩把運(yùn)放包圍。(5)抗電源干擾方法。集成器件在工作中，極容易受電源干擾的影響。電壓中的脈沖干擾就可導(dǎo)致工作不正常，解決方法是在所用的集成器件供電電源兩端并用1～0.033μF電容，可以提高抗電源干擾的作用。(6)輸入干擾抑制方法。輸入端并電容法消除高頻干擾信號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定電容值。上一頁下一頁圖4-31噪聲干擾示意圖上一頁返回第三節(jié)多功能式信號(hào)放大器設(shè)計(jì)一、檢測(cè)顯示控制電路設(shè)計(jì)1.檢測(cè)顯示控制電路原理圖4-32所示是一個(gè)壓力（溫度、位移、水位）檢測(cè)顯示控制電路圖，工作原理是：壓力傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，由K1放大器放大輸出，再由K2放大器放大輸出由數(shù)字表顯示檢測(cè)結(jié)果。另一路控制信號(hào)，大于設(shè)定值時(shí)，DW1導(dǎo)通控制電路工作實(shí)現(xiàn)了報(bào)警控制或其他控制功能。2.電路設(shè)計(jì)方法(1)電路設(shè)計(jì)已知條件①檢測(cè)壓力0～0.8MPa，大于1MPa報(bào)警控制②檢測(cè)精度小于0.5％③數(shù)字顯示記錄檢測(cè)壓力值④控制電壓18V上一頁下一頁圖4-32檢測(cè)顯示控制電路上一頁下一頁（２）電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇Usr=50mV，U1=3V，Ｕ2=8V，R2=R5=2kΩ，R1=3kΩ（３）電路參數(shù)計(jì)算(4)電路元件選擇：①壓力傳感器Uyy-1型②數(shù)字電壓表41/2-DT9508型③控制繼電器RJ-13型雙路輸出控制型④運(yùn)算放大器F007或μF741，三極管選用9013型⑤D1采用2CP系列二極管，DW1采用低穩(wěn)壓元件2CW系列上一頁下一頁二、多路電壓信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)1.電路原理圖圖4-33所示放大電路是復(fù)雜信號(hào)單路輸入，多路信號(hào)輸出式放大器，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)復(fù)雜信號(hào)檢測(cè)中，分別輸出交流信號(hào)、直流電壓信號(hào)、小電壓信號(hào)。2.電路設(shè)計(jì)(1)交流放大電路設(shè)計(jì)：交流放大電路由K1、K2和功放電路組成(2)直流放大電路設(shè)計(jì)：直流放大電路由K1，K3放大電路組成(3)小信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)：小信號(hào)放大電路由K1，K4放大電路組成上一頁下一頁圖4-33多路輸出信號(hào)放大電路上一頁返回第四節(jié)計(jì)算機(jī)輸出接口電路設(shè)計(jì)一、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路是把輸入的小信號(hào)通過電路轉(zhuǎn)換為大信號(hào)輸出，再去實(shí)現(xiàn)控制。電路設(shè)計(jì)如圖4-34所示。1.信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理信號(hào)轉(zhuǎn)換電路工作原理是:計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)由8253輸出方波電壓信號(hào)最大值3.5V，電流小于5mA。當(dāng)控制信號(hào)Uk輸入到信號(hào)轉(zhuǎn)換電路時(shí)，電路設(shè)計(jì)成飽和或截止?fàn)顟B(tài)下工作。當(dāng)Uk等于3.5V時(shí)，T1飽和，T2截止輸出高電壓Uo；當(dāng)Uk等于零電壓時(shí)，T1截止，T2飽和輸出低電壓，在輸入控制方波信號(hào)作用下，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出波形電壓大于輸入信號(hào)，頻率不變。2.信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)(1)已知條件(2)電路參數(shù)計(jì)算上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-34信號(hào)轉(zhuǎn)換電路原理圖二、多路電壓信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)1.多路電壓信號(hào)控制電路工作原理電壓控制電路如圖4-35所示，工作原理：在計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)Uk作用下，電路工作飽和狀態(tài)，RJ繼電器工作，RJ繼電器常開點(diǎn)閉合，即可實(shí)現(xiàn)控制電壓輸出，可以單路信號(hào)、雙路信號(hào)、四路信號(hào)同時(shí)控制輸出，控制電壓0～380V，控制電流從0到幾十安培?？刂齐妷汉碗娏饔伤x繼電器性能確定，當(dāng)Uk為零時(shí)，RJ控制輸出不工作。2.多路電壓信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)(1)已知條件：Uk≤4V，工作電壓12V，控制輸出電壓信號(hào)多路。(2)電路參數(shù)計(jì)算與選擇上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-35電壓控制電路圖三、電壓信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)在利用計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)電壓控制直流電機(jī)、力矩電機(jī)時(shí)，必須設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路，采用何種信號(hào)放大電路，應(yīng)根據(jù)實(shí)際控制要求確定。如果是控制直流電機(jī)，信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)為功率放大器。功率大小根據(jù)電機(jī)功率設(shè)計(jì)放大器功率參數(shù)，并且放大器功率應(yīng)大于電機(jī)功率2倍。確保控制的可靠性及安全性。如果是控制力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)為電壓放大器。為了防止強(qiáng)電干擾以及其他干擾信號(hào)通過計(jì)算機(jī)控制輸出I/O電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，影響正常工作，通常采用的是濾波吸收。根據(jù)干擾信號(hào)的頻率大小，設(shè)計(jì)不同的濾波器消除，抑制干擾信號(hào)的產(chǎn)生及傳輸。在環(huán)境條件差，控制參數(shù)多，電機(jī)類有交流電機(jī)、直流電機(jī)及其他電機(jī)系統(tǒng)組合時(shí)，當(dāng)各種噪聲及干擾采用濾波法不能解決問題時(shí)，必須采用光電隔離的方法，使微機(jī)與強(qiáng)電單元不共地，抑制干擾信號(hào)的傳輸，光電隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換元件組成，如圖4-36所示。上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-36光電耦合電路圖1.光電耦合電路工作原理計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)非門74LS04反相后，加到光電耦合器G的發(fā)光二級(jí)管正端。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒有光發(fā)出。這時(shí)光敏三極管截止，輸出信號(hào)幾乎等于加在光敏三極管集電極上的電源電壓。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。2.光電耦合電路的主要作用(1)可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。(2)可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。(3)提高驅(qū)動(dòng)能力。(4)可以進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換

上一頁下一頁3光電耦合器件的特點(diǎn)為了避免外部設(shè)備的電源干擾，防止被控對(duì)象電路的強(qiáng)電干擾，通常采取將計(jì)算機(jī)的輸入和輸出通道與被連模塊在電氣設(shè)備上隔離的方法。過去常用的隔離變壓器或中間繼電器來實(shí)現(xiàn)，而目前已廣泛被性能高、價(jià)格低的光電耦合器來代替。圖4-37所示為幾種主要光電耦合器的類型和結(jié)構(gòu)。(1)信號(hào)采取光-電形式耦合，發(fā)光部分與受光部分無電氣回路，絕緣電阻高達(dá)Ω，絕緣電壓為1000～5000V，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端與輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。(2)由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號(hào)形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強(qiáng)，共模抑制比高，不受磁場(chǎng)影響，特別是用于長線傳輸時(shí)作為終端負(fù)載，可以大大地提高信噪比。(3)光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號(hào)，且響應(yīng)速度快（一般為幾毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信號(hào)的傳輸。上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-37幾種光電耦合器示意圖4.晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)(1)在設(shè)計(jì)光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口電路時(shí)注意，各種類型器件的電流傳輸比差異較大，而且，電流傳輸比還受發(fā)光二極管的工作電流影響，電流為10～20mA時(shí)，CTR最大。圖4-38中使用74LS07同相驅(qū)動(dòng)器作為4N25輸入端的驅(qū)動(dòng)，電阻R1為限流電阻，其阻值計(jì)算如下當(dāng)被控設(shè)備遠(yuǎn)離單片機(jī)時(shí)，光電隔離接口電路設(shè)計(jì)如圖4-39所示。該電路為電流環(huán)發(fā)送和接受電路，可以極大提高系統(tǒng)的抗干擾性能，最大傳輸距離可達(dá)900m，傳輸速率可達(dá)50km/s。但必須保證傳輸線中環(huán)路連線電阻<30Ω，當(dāng)該阻值過大時(shí)，100Ω的限流電阻R2要相應(yīng)減小。上一頁下一頁圖4-38晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口圖上一頁下一頁圖4-39遠(yuǎn)距離信號(hào)

傳輸時(shí)的光電隔離接口電路上一頁下一頁(2)晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器，如圖4-40所示。當(dāng)輸入端有10～30mA電流時(shí)，輸出端的晶閘管導(dǎo)通，輸出端額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA，輸入輸出隔離電壓為1500～7500V。4N40采用6腳雙列直插式封裝，第6腳為輸出晶閘管的控制端，不使用此端腳時(shí)，可將其通過一個(gè)電阻與陰極相連。MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出型，帶過零檢測(cè)電路，如圖4-40所示，輸入端的工作電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，最大重復(fù)浪涌電流為1A，輸入隔離電壓為7500V。它同樣采用6腳雙列直插式封裝，第5腳是器件的襯底引出端，使用時(shí)不需要接線。MOC3041輸入端限流電阻計(jì)算如下

上一頁下一頁圖4-40晶閘管輸

出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口電路上一頁下一頁5.光電耦合隔離常用電路采用光電耦合器可以將計(jì)算機(jī)的輸入與輸出通道以及其他相關(guān)部分切斷與電路的聯(lián)系，從而有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)。在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于端口的性質(zhì)不同，接口電路也有所不同。如8031的P1口及P3口為雙向口，作為輸入時(shí)接成高電平，可由任何TTL或MOS電路所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)外部輸入信號(hào)為低電平時(shí)，P1口或P3口被拉成低電平，它與光電耦合器連接。如要輸出較大電流以驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備，如繼電器、電磁離合器等，則應(yīng)接成達(dá)林頓型，如圖4-41所示。在較惡劣環(huán)境中設(shè)計(jì)的前向通道，為了減少通道及電源的干擾，采用V/F轉(zhuǎn)換器LM331的頻率輸出，再采用光電耦合器隔離方法，使V/F轉(zhuǎn)換器與微機(jī)無電路聯(lián)系，確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定性能，并無干擾信號(hào)，可采用如圖4-42所示電路。上一頁下一頁圖4-41光電耦合

器與繼電器輸出接口電路上一頁下一頁圖4-42

LM331頻率輸出的光電隔離電路上一頁下一頁第五節(jié)V/F-F/V轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，跟蹤控制等，控制信號(hào)是由檢測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制的，只有采用V/F轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)這種功能。采用V/F、F/V轉(zhuǎn)換器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)利用單片機(jī)的高速輸入和高速輸出的功能，憑借單片機(jī)簡便的測(cè)頻和輸出頻率信號(hào)的軟件編程技巧，使得接口簡單，占用計(jì)算機(jī)資源少。(2)頻率信號(hào)輸入靈活。(3)抗干擾性好。(4)便于遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)。上一頁下一頁一、通用型V/F轉(zhuǎn)換器1.AD654性能特點(diǎn)AD654是低價(jià)格V/F轉(zhuǎn)換器。工作電源電壓±5V～±18V，單電源電壓5～36V。滿量程輸出最大頻率為500kHz，選擇不同的輸出頻率，線性誤差大小不同。當(dāng)選擇200kHz時(shí)，誤差最小為0.03％，選用其他頻率時(shí)，轉(zhuǎn)換非線性誤差較大。AD654的主要特點(diǎn)如下：滿刻度校正誤差±10％(max)溫度系數(shù)50×10－６/℃輸入電壓范圍0～4V輸入偏置電流50nA(max)輸入失調(diào)電流5nA輸入阻抗（同相）250MΩ輸入失調(diào)電壓0.5mV上一頁下一頁2.AD654應(yīng)用方法(1)負(fù)電壓信號(hào)輸入時(shí)的典型應(yīng)用電路如圖4-43所示。(2)正電壓信號(hào)輸入時(shí)的典型應(yīng)用電路如圖4-44所示。3.AD537應(yīng)用電路AD537是多功能V/F變換器。輸出頻率取決于外接RC，最高頻率為150kHz。其典型用法如圖4-45和圖4-46所示。二、LM331系列V/F轉(zhuǎn)換器原理與應(yīng)用1.LM331系列性能特點(diǎn)(1)單電源供電，Vcc在4.0～40V均可工作(2)輸出電平可與各類邏輯電路兼容(3)溫度穩(wěn)定性好(4)功耗低(5)成本低2.工作原理LM331系列V/F轉(zhuǎn)換器功能框圖如圖4-47。上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-43AD654負(fù)輸入時(shí)接線圖上一頁下一頁圖4-44AD654典型接線圖上一頁下一頁圖4-45AD537負(fù)輸入接線圖上一頁下一頁圖4-46AD537正輸入接線圖上一頁下一頁圖4-47LM331系列V/F轉(zhuǎn)換器功能框圖3.V/F轉(zhuǎn)換器基本應(yīng)用電路圖4-48為LM331構(gòu)成的V/F的基本電路。4.F/V轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路F/V轉(zhuǎn)換器的電路，如圖4-49是由LM331轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路。圖4-50為精密F/V變換電路。其直流電壓輸出經(jīng)由A1組成的雙極點(diǎn)RC有源濾波器濾波，響應(yīng)速度快。5.LM331組成的溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)由LM331組成的溫度頻率轉(zhuǎn)換電路如圖4-51所示。

上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-48V/F基本應(yīng)用電路圖上一頁下一頁圖4-49F/V轉(zhuǎn)換電路上一頁下一頁圖4-50精密F/V轉(zhuǎn)換電路上一頁下一頁圖4-51溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路三、F/V轉(zhuǎn)換器AD651原理與應(yīng)用1.AD651的性能與特點(diǎn)AD651是美國模擬器件公司研制的一種多功能同步F/V轉(zhuǎn)換器，它采用電荷平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換，最大滿度頻率達(dá)2MHz。在輸出頻率100kHz時(shí)，非線性誤差為0.002％，最大為0.005％。AD651采用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和調(diào)定滿度頻率，可以使轉(zhuǎn)換精確度與鐘頻變化無關(guān)。外接元件少，用一個(gè)積分電容即可工作，除作V/F外，尚可實(shí)現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換器等。AD651采用低漂移齊納標(biāo)準(zhǔn)，低溫度系數(shù)定標(biāo)電阻使增益飄移小，整體飄移小。時(shí)鐘輸入與TTL和CMOS兼容，輸出級(jí)為開路式集電極輸出，可提供足夠的電流使TTL、CMOS、光電耦合器件或脈沖變壓器工作。AD651的輸入量可以是電流或電壓。供電電源可用單電源或雙電源。2.AD651應(yīng)用方法雙電源輸入正、負(fù)信號(hào)的連接方法如下：當(dāng)輸入正信號(hào)時(shí)，外部連接如圖4-52圖

上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-52AD651雙電源正、負(fù)信號(hào)的接線圖單電源輸入正信號(hào)時(shí)的接法如圖4-53，這時(shí)數(shù)字地和模擬地同時(shí)接地，電源電壓可取+12V～+16V，在(16)腳和+Vs間接入一個(gè)吸收電阻，使輸入(16)腳的電流小于0.5mA。AD651的增益準(zhǔn)確度是用激光微調(diào)到±0.5％以內(nèi)，如需更高的精度則必須用2MΩ電阻分流，調(diào)整滿標(biāo)度時(shí)用串聯(lián)500Ω電位器RW1實(shí)現(xiàn)微調(diào)，如圖4-54.3.F/V應(yīng)用電路設(shè)計(jì)AD651用于F/V變換器的實(shí)際電路如圖4-55。從圖中看出在時(shí)鐘脈沖的下降沿輸入時(shí)，脈沖fin是低的，在時(shí)鐘脈沖上升沿輸入時(shí)，1mA電流源送到積分器相加點(diǎn)，在(4)腳出現(xiàn)上斜率電壓，由于與門作用在時(shí)鐘脈沖一個(gè)周期后，1mA電流斷開，相加點(diǎn)輸出電流在0～0.5mA，經(jīng)50Ω電阻，在(4)腳輸出10V滿度電壓。上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-53單電源、正信號(hào)接線圖圖4-54AD651增益、失調(diào)調(diào)整圖上一頁下一頁圖4-55F/V轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路圖四、VFC32轉(zhuǎn)換器原理與應(yīng)用1.VFC32轉(zhuǎn)換器工作原理表4-1列出了上述V/F轉(zhuǎn)換電路的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。上一頁下一頁輸入電壓滿值/V輸出頻率滿值/kHzC1/pFC2/μFRin/kΩ11036500.014101036500.014011003301000410100330100040如果Vin<0，即負(fù)電壓輸入時(shí)，可從圖-56的積分器A1的同相輸入端輸入Vin，而積分電阻Rin的一端接到地電位上，其余完全相同。關(guān)于參數(shù)的計(jì)算可用下式：2.VFC32-V/F轉(zhuǎn)換器電路VFC32是一種通用單片集成V/F轉(zhuǎn)換器。使用接法如圖4-56所示。3.VFC32-F/V轉(zhuǎn)換電路VFC32用作頻率-電壓轉(zhuǎn)換的接法如圖4-57。上一頁下一頁上一頁下一頁圖4-56VFC32-V/F轉(zhuǎn)換器接線圖圖4-57F/V轉(zhuǎn)換器接線圖上一頁返回第六節(jié)開關(guān)量控制電路設(shè)計(jì)一、電磁繼電器控制電路設(shè)計(jì)1.繼電器分類(1)按照控制輸出通道分類：單路式、雙路式、四路式、多路組合式輸出。(2)按照電磁繼電器工作電壓分類：3V、6V、9V、12V、18V、24V(3)按照電磁繼電器觸點(diǎn)控制電壓和電流分類：2A/125V、5A/125V、10A/380V、20A/2500V、30A/2500V、50A/2500V(4)按照工作供電方式分類：直流電壓供電式、交流電壓供電式。(5)按照工作原理分類：固態(tài)式、電磁式等。上一頁下一頁2.電磁繼電器特點(diǎn)(1)體積小、價(jià)格低、外形美觀、多種安裝形式。(2)切換電流大、工作電壓大、切換功率達(dá)到2200V/A以上(3)工作穩(wěn)定性、可靠性好。(4)規(guī)格品種齊全、外形和安裝尺寸與國外同類產(chǎn)品一致，互換性好。(5)切換控制響應(yīng)時(shí)間短t≤5～15ms。(6)切換控制觸點(diǎn)通道多，1～4路，可擴(kuò)展多路。(7)適用于自動(dòng)控制、通訊設(shè)備、電子設(shè)備、家用電器及其他機(jī)電產(chǎn)品。上一頁下一頁3.電磁繼電器工作原理電磁繼電器由線圈，磁鐵，觸點(diǎn)組，殼體組成。工作原理是：當(dāng)給繼電器線圈輸入直流電壓大于額定工作電壓的80％時(shí)，磁鐵吸合，觸點(diǎn)從開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，原觸點(diǎn)從閉合轉(zhuǎn)換成開狀態(tài)。4.電磁繼電器的作用(1)多路信號(hào)同步控制，分別工作。(2)電子設(shè)備保護(hù)控制。(3)小信號(hào)控制高壓信號(hào)輸出。(4)多參數(shù)多路分時(shí)控制。5.電磁繼電器控制電路設(shè)計(jì)(1)手動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如車床、銑床、鉆床等各種加工設(shè)備，工作電壓380V，工作電流在5～50A，不能直接用開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)控制。常采用小型開關(guān)元件，控制電壓采用12～24V，通過繼電器控制380V電源?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)如圖4-58所示。上一頁下一頁圖4-58手動(dòng)控制電路上一頁下一頁(2)小信號(hào)控制電路設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在同步信號(hào)分別輸出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)小信號(hào)控制電路達(dá)到控制大電壓信號(hào)，分別同時(shí)輸出雙電壓信號(hào)的要求。常采用電路控制繼電器工作來完成?？刂菩盘?hào)可以是計(jì)算機(jī)控制板中的D/A輸出的小信號(hào)，也可以8255輸出的I/O小電壓信號(hào)，采用光電信號(hào)或其他檢測(cè)信號(hào)均可實(shí)現(xiàn)控制作用。如圖4-59所示。(3)延時(shí)控制電路設(shè)計(jì)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，例如：打印機(jī)出紙控制電路，動(dòng)態(tài)標(biāo)定步進(jìn)電機(jī)控制電路等，在外控信號(hào)作用下，經(jīng)過一定時(shí)間后，再實(shí)現(xiàn)大信號(hào)控制作用，如圖4-60所示，這個(gè)電路是利用RC充電延時(shí)電路達(dá)到設(shè)定電壓后控制電路工作，繼電器輸出控制電壓。具體控制電路設(shè)計(jì)方法如下：①已知條件：U=12V，R2=2kΩ，C=4700μＦ/16V②電路參數(shù)計(jì)算：t=0.24·R１Ｃ上一頁下一頁圖4-59小信號(hào)控制電路圖上一頁下一頁圖4-60延時(shí)控制電路上一頁下一頁表4-2t-R1計(jì)算結(jié)果上一頁下一頁t/s1510152030R1/kΩ0.8874.438.86513.317.7326.66.多路串聯(lián)控制電路設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電路延時(shí)分路控制方法是常采用的電路控制方法，就是采用計(jì)算機(jī)控制，也要由繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)。如圖4-61所示，是多組串聯(lián)控制電路。(1)電路工作原理：在外控信號(hào)輸入時(shí)，第一級(jí)分別輸出兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)電壓控制輸出，另一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制第二級(jí)；第二級(jí)開始延時(shí)工作，在設(shè)定時(shí)間后，第二級(jí)分別輸出兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)電壓控制，另一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制第三級(jí)；第三級(jí)開始延時(shí)工作，在設(shè)定時(shí)間后，第三級(jí)分別輸出兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制接通或者斷開，另一路輸出電壓信號(hào)。(2)電路參數(shù)計(jì)算控制延時(shí)時(shí)間t=0.24RCC=100～4700μFR值根據(jù)控制時(shí)間計(jì)算R=RW1，RW2，RW3C=C1，C2，C3(3)電路參數(shù)選擇三極管采用3DG12，二極管采用2CP12系列，電磁繼電器選擇JQX系列等，根據(jù)控制要求選擇電路器件型號(hào)。上一頁下一頁圖4-61多路串聯(lián)控制電路原理圖上一頁下一頁7.多路并聯(lián)控制電路設(shè)計(jì)(1)多路并聯(lián)控制電路工作原理:在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，多路信號(hào)控制，多路并聯(lián)分時(shí)控制電路，順序控制電路等，是常采用的電路控制方法。以動(dòng)加載試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)為例。如圖4-62所示，說明控制原理及設(shè)計(jì)方法。(2)多路并聯(lián)控制電路設(shè)計(jì)。多路控制器采用圖4-62所示電路，繼電器選擇四路輸出式，電路設(shè)計(jì)方法相同t1、t2、t3、t4、t5、t6時(shí)間控制電路可以按照上節(jié)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，也可以選擇ST48S，ZN48S系列的高精度時(shí)間繼電器。控制時(shí)間可調(diào)范圍寬，精度高，功耗低，雙數(shù)字顯示直觀。由于采用了單片機(jī)控制方式，時(shí)間設(shè)定操作簡單，使用方便。上一頁下一頁圖4-62多路并聯(lián)控制系統(tǒng)圖上一頁下一頁二、接近開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如位置控制、定位控制、保護(hù)控制等，常采用接近開關(guān)和繼電器組合電路來完成。接近開關(guān)有電感式、電容式、霍爾式、光電式、人體紅外線光電開關(guān)等。在實(shí)際應(yīng)用中，接近開關(guān)輸出信號(hào)有6～12V，當(dāng)用于速度檢測(cè)時(shí)，接近開關(guān)的輸出信號(hào)直接接上速度測(cè)試表，就可以實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)。當(dāng)用于其他控制場(chǎng)合時(shí)，無論采用何種接近開關(guān)，都可以利用接近開關(guān)的輸出信號(hào)控制繼電器工作，由繼電器輸出再實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)及電壓信號(hào)控制。如圖4-63所示。1.接近開關(guān)的特點(diǎn)①工作電壓范圍寬10～30V②測(cè)試距離2～15mm③輸出電流100～300mA④工作頻率300Hz～10kHz⑤體積小、質(zhì)量輕、安裝使用方便上一頁下一頁圖4-63接近開關(guān)控制電路上一頁下一頁2接近開關(guān)應(yīng)用選擇①工作頻率fJ≥1.2fx②測(cè)試距離Lc≥2Lx③根據(jù)測(cè)試安裝結(jié)構(gòu)尺寸大小確定。④接近開關(guān)類型。根據(jù)測(cè)試環(huán)境條件，使用要求確定，例如：在煙霧較大的條件下測(cè)量旋轉(zhuǎn)體速度時(shí)，采用電感式接近開關(guān)比較好；在位置控制條件下，采用電感式接近開關(guān)比較好；在快速位置檢測(cè)控制條件下，采用響應(yīng)頻率高的霍爾式接近開關(guān)，也可采用光電式開關(guān)。3.接近開關(guān)性能指標(biāo)常用接近開關(guān)性能指標(biāo)如表4-3。上一頁下一頁表4-3接近開關(guān)性能參數(shù)上一頁返回型號(hào)類型感應(yīng)對(duì)象測(cè)試距離/mm工作電源/V工作頻率/Hz輸出電流/mAKHW-0108B霍爾式磁鐵814～30DC5000200TK-10N8B電感式金屬810～30DC600100GEN--3010電感式金屬1010～30DC500250TK-22Y10D電感式金屬1090～250AC15０00300VL180-N132反射板300012～24DV333100WT18-N112漫反射15012～30DV700200第七節(jié)直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)一、W7800（W7900）集成穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)W7800（W7900）系列集成穩(wěn)壓器是一種三端固定正（負(fù)）集成穩(wěn)壓器，由于是三端（輸入、輸出、公共端），不需外接元件，故應(yīng)用十分方便。W7800為正穩(wěn)壓式、W7900為負(fù)穩(wěn)壓式，它們分別有+5V～+24V、-5V～-24V多種固定輸出電壓，輸出電流分別為0.5A、1.5A。該集成穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)置了過流保護(hù)、芯片過熱保護(hù)及調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路，所以使用安全可靠。1.固定電壓輸出應(yīng)用電路設(shè)計(jì)圖4-64所示是W7800穩(wěn)壓器應(yīng)用電路原理圖。W7800系列集成穩(wěn)壓器是采用標(biāo)準(zhǔn)的三極管外殼封裝，兩引線各為輸入和輸出端，外殼為公共端地。應(yīng)用時(shí)，從變壓器次級(jí)輸出的交流電壓經(jīng)整流濾波后輸出電壓，從1、3端輸入，從2、3端輸出，就可以得到穩(wěn)定的直流電壓。因此，應(yīng)用十分方便，設(shè)計(jì)制作簡單。上一頁下一頁圖4-64直流穩(wěn)壓電源電路上一頁下一頁2.可調(diào)輸出電壓電源電路設(shè)計(jì)圖4-65所示是用W7806集成穩(wěn)壓器和F007運(yùn)算放大器組成，可調(diào)輸出電壓6～30V的應(yīng)用電路。電路中的運(yùn)算放大器F007作為電壓跟隨器使用，在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源電路時(shí)，也可以選擇各種型號(hào)的運(yùn)算放大器，它的工作電源借助于穩(wěn)壓器的輸入直流電壓。由于通用Ⅲ型運(yùn)算放大器輸入阻抗較高，而輸出阻抗很低，所以，它們可以克服穩(wěn)壓器靜態(tài)電流的變化。電路輸出直流電壓為：U0=Uw(1+R2/R1)3.提高輸出電流電源電路設(shè)計(jì)W7800系列的集成穩(wěn)壓器是一種穩(wěn)壓穩(wěn)流型器件。在設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源時(shí)，可根據(jù)穩(wěn)定電壓要求選擇相應(yīng)型號(hào)的穩(wěn)壓器或擴(kuò)展輸出電壓電路。實(shí)際輸出最大電流不超過15A，為了滿足不同使用要求，可外接功率放大器件來擴(kuò)展各種穩(wěn)壓電源的輸出電流，如圖4-66(a)所示。上一頁下一頁圖4-65可調(diào)輸出電壓電路上一頁下一頁圖4-66輸出電流擴(kuò)展電路上一頁下一頁(1)電路中電阻R的計(jì)算方法(2)電路中為了保護(hù)外接功率管而設(shè)計(jì)的，當(dāng)功率管過流時(shí)，限流電阻R2上的壓降啟動(dòng)BG2工作，BG2管集電極電流使BG3管飽和，從而降低功率管BG1的UBE值，使功率管輸出電流得到控制，電路中BG2采用3AD30三極管，BG1和BG３采用3DG三極管。圖4-67所示是用W7800系列集成穩(wěn)壓器和NPN型功率管組成擴(kuò)大輸出電流電路。圖4-68所示是用W7806、W7812集成穩(wěn)壓器組成的多用途穩(wěn)壓電源電路。電路中兩個(gè)穩(wěn)壓器分別接兩個(gè)獨(dú)立的整流濾波電路。二、W317（W337）集成穩(wěn)壓器電源設(shè)計(jì)W317、W337三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器是近幾年來新研制的產(chǎn)品，它既保持了三端的簡單結(jié)構(gòu)，又實(shí)現(xiàn)了輸出電壓大小連續(xù)可調(diào)。它可以以一種通用化、標(biāo)準(zhǔn)化穩(wěn)壓器的形式用于各種電子設(shè)備及檢測(cè)系統(tǒng)中的電源設(shè)計(jì)。1.W317應(yīng)用穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)W317應(yīng)用穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)如圖4-69所示。上一頁下一頁圖4-67

用NPN管擴(kuò)大輸出電流電路上一頁下一頁圖4-68多路輸出穩(wěn)壓電源電路上一頁下一頁圖4-69W317應(yīng)用穩(wěn)壓電源電路上一頁下一頁2.W317提高輸出電流應(yīng)用電路設(shè)計(jì)利用W317集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源，輸出電流最大1.5A，不能滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求。只有采用外加電子元件的方法來提高穩(wěn)壓電路輸出電流。如圖4-70所示，是利用Ｗ317三端可調(diào)式正集成穩(wěn)壓器和F007運(yùn)算放大器組成擴(kuò)展電流輸出的應(yīng)用電路。3.W317應(yīng)用提高輸出電壓電路設(shè)計(jì)利用W317穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源最大輸出電壓只有35V，不能滿足使用要求，只有采用外加元件方法來提高輸出電壓，電路設(shè)計(jì)如圖4-71所示。4.開關(guān)式穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)圖4-72所示是用W317三端可調(diào)式正集成穩(wěn)壓器組成的開關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路。電路中的3Ax63和3DD6組成復(fù)合管，用于開關(guān)作用。上一頁下一頁圖4-70W317輸出電流擴(kuò)大電路上一頁下一頁圖4-71W317輸出電壓擴(kuò)大電路上一頁下一頁圖4-72開關(guān)式穩(wěn)壓電源電路上一頁返回第八節(jié)常用測(cè)試儀表選擇方法在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所選擇使用的傳感器輸出信號(hào)較小，不能直接記錄和控制，可以采用本章論述的各種電路設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大器，控制電路，達(dá)到檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。一、電阻類放大器應(yīng)用電阻類放大器是電阻式類傳感器、應(yīng)變式類傳感器、壓阻式類傳感器，測(cè)量壓力、力、溫度、位移、角度、扭矩、力矩、加速度等物理信號(hào)的配套專用放大器。它的作用是為傳感器提供工作電源，系統(tǒng)調(diào)零，信號(hào)放大輸出，阻抗變換等功能。它的工作原理，性能特點(diǎn)，應(yīng)用選擇原則論述如下：1.電阻類放大器分類（1）動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（2）應(yīng)變式放大器（3）信號(hào)調(diào)節(jié)器（4）適調(diào)放大器（5）自動(dòng)校零放大器上一頁下一頁2.電阻類放大器技術(shù)指標(biāo)(1)放大倍數(shù)：0～6000倍分擋可調(diào)式(2)工作頻率：0～10kHz，0～30kHz，0～100kHz，0～150kHz(3)線性度：0.3%，0.1%，0.05%，0.02%(4)輸出電壓：±10V（電流10～50mA）(5)電橋電阻：60～2000Ω(6)供橋電壓：4V，6V，8V，10V(7)標(biāo)定應(yīng)變量：±10～±9990με(8)輸出方式:電壓式、電流式雙路分別輸出。3.放大器工作原理電阻類放大器是電阻變化式傳感器配套儀器。當(dāng)配用外接傳感器時(shí)，不用應(yīng)變量校準(zhǔn)，只進(jìn)行調(diào)零，確定工作頻率，進(jìn)行模擬測(cè)試信號(hào)靜態(tài)標(biāo)定后，根據(jù)輸出信號(hào)大小，確定放大倍數(shù)，即可以使用，原理圖如4-73所示。上一頁下一頁圖4-73動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀原理方框圖上一頁下一頁二、電壓放大器在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)中、在設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)中，電壓放大器是經(jīng)常使用的一種放大器。該儀器的主要作用是信號(hào)放大。根據(jù)放大信號(hào)的應(yīng)用不同，分為直流信號(hào)、交流信號(hào)、功率信號(hào)放大器等。本節(jié)介紹電壓放大器的原理，作用及性能，供設(shè)計(jì)選擇。1.電壓放大器分類(1)直流電壓放大器工作頻率0～10kHz(2)交流電壓放大器工作頻率10Hz～30kHz(3)功率放大器工作頻率10Hz～20kHz(4)數(shù)據(jù)放大器工作頻率0～10kHz(5)多功能式放大器U、I、P分別放大，工作頻率0～30kHz2