電氣自動化專業(yè)英語1,2,3,5,8,13章翻譯

1、第一章電子測量儀表 電子技術(shù)人員使用許多不同類型的測量儀器。一些工作需要精確測量面另一些工作只需粗略估計。有些儀器被使用僅僅是確定線路是否完整。最常用的測量測試儀表有：電壓測試儀，電壓表，歐姆表，連續(xù)性測試儀，兆歐表，瓦特表還有瓦特小時表。所有測量電值的表基本上都是電流表。他們測量或是比較通過他們的電流值。這些儀表可以被校準并且設計了不同的量程，以便讀出期望的數(shù)值。11安全預防儀表的正確連接對于使用者的安全預防和儀表的正確維護是非常重要的。儀表的結(jié)構(gòu)和操作的基本知識能幫助使用者按安全工作程序來對他們正確連接和維護。許多儀表被設計的只能用于直流或只能用于交流，而其它的則可交替使用。注意：每種儀表

2、只能用來測量符合設計要求的電流類型。如果用在不正確的電流類型中可能對儀表有危險并且可能對使用者引起傷害。許多儀表被設計成只能測量很低的數(shù)值，還有些能測量非常大的數(shù)值。警告：儀表不允許超過它的額定最大值。不允許被測的實際數(shù)值超過儀表最大允許值的要求再強調(diào)也不過分。超過最大值對指針有傷害，有害于正確校準，并且在某種情況下能引起儀表爆炸造成對作用者的傷害。許多儀表裝備了過載保護。然而，通常情況下電流大于儀表設計的限定仍然是危險的。12基本儀表的結(jié)構(gòu)和操作許多儀表是根據(jù)電磁相互作用的原理動作的。這種相互作用是通過流過導體的電流引起的（導體放置在永久磁鐵的磁極之間）。這種類型的儀表專門適合于直流電。不管

3、什么時候電流流過導體，磁力總會圍繞導體形成。磁力是由在永久磁鐵力的作用下起反應的電流引起。這就引起指針的移動。導體可以制成線圈，放置在永久磁鐵磁極之間的樞鈕（pivot中心）上。線圈通過兩個螺旋型彈簧連在儀器的端子上。這些彈簧提供了與偏差成正比的恢復力。當沒有電流通過時，彈簧使指針回復到零。表的量程被設計來指明被測量的電流值。線圈的移動（或者是指針的偏移）與線圈的電流值成正比。如果必須要測量一個大于線圈能安全負載的電流，儀表要包含旁路或者分流器。分流器被容納在儀表盒內(nèi)或者連接到外部。例子一個儀表被設計成最大量程是10A。線圈能安全負載0。001A，那分流器必須被設計成能負載9。999A。當時。

4、001A流過線圈時指針指示10A。圖1。1（A）說明了一個永久磁鐵類型儀表。圖1。1（B）顯示了一個外部分流器連接到儀表端子上。永久磁鐵類型儀表可以被用作安培表或者電壓表。當量程被設計成指示電流并且內(nèi)阻保持最小時，這個表可以作為安培表用。當量程被設計成指示電壓，內(nèi)阻相對高一些時，這個表可以用來測量電壓值。注意：不管如何設計，指針移動的距離取決于線圈的電流值。為了讓這類表用在交流電中，在設計時必須作微小的改動。整流器可以把交流變成直流電。整流器合并進儀表中并且量程要指示出正確的交流電壓值。整流器類型的儀表不能用于直流電中并且它一般被設計成電壓表。如圖1。2，電測力計是另一種能用于交流電的既能作安

5、培表也能作電壓表的儀器。它由兩個固定線圈和一個移動線圈構(gòu)成。這三個線圈通過兩個螺旋型彈簧串聯(lián)在一起。這個彈簧支撐住移動線圈。當電流流行性過線圈時移動線圈順時針方向移動。電測力計因為屬永久磁鐵型儀表，量程不是均勻分布的。作用在動線圈上的力根據(jù)流過該線圈的電流平方來變化。有必要在量程開始比量程結(jié)束分割的密一點。分割點之間距離越大，儀表的讀數(shù)越精確。爭取精確的讀值是重要的。移動葉片結(jié)構(gòu)是儀表的另一種類型。電流流過線圈引起兩個鐵片（葉片）磁化。一個葉片是可動的，另一個是固定的。在兩個葉片間的磁的作用引起可動葉片扭轉(zhuǎn)。移動的數(shù)值取決于線圈的電流值。警告：所有描述的取決于磁力作用的儀器，都不要放置在另一個

6、磁性物質(zhì)附近。它的磁力可能對引起儀表故障或者導致測量值不準確。13測量儀器的使用電壓表是設計來測量電路的電壓或者通過元器件的壓降。電壓表必須與被測量的電路或元器件并聯(lián)。131壓力檢驗計交-直流電壓檢驗計是一種相當粗糙但對電工來說很有用的儀器。這種儀器指示電壓的近似值。更常見類型指示的電壓值如下：AC，110，220，440，550V，DC，125，250，600V。許多這種儀器也指示直流電的極性。那就是說(i.e=that is)電路中的導體是陽性（正）的還是陰性（負）。電壓檢驗計通常用來檢驗公共電壓，識別接地導體，檢查被炸毀的保險絲，區(qū)分AC和DC。電壓檢驗計很小很堅固，比一般的電壓表容易攜

7、帶和保存。圖1。31。4描述了用電壓檢驗計檢查保險絲的用法。為了確定電路或系統(tǒng)中的導體接地，把測試儀連接在導體和已建立的地之間。如果測試儀指示了一個電壓值，導體沒有接地。對每一個導體重復這個步驟直到零電壓出現(xiàn)（見圖1。5）。為了確定任意兩個導體間的近似電壓值，把測試儀連接在導體之間。警告：要認真讀并遵守電壓檢驗計提供的說明書。132電壓表電壓表比電壓檢驗計測量更精確。因為電壓表與被測量的電路或元件并聯(lián)，必須有相對高一點的電阻。內(nèi)阻要保證通過儀表的電流最小。流過儀表的電流越小，對電路特性的影響越小。儀表的靈敏度用符號O/V表示。這個數(shù)值越高儀表的質(zhì)量越好。高靈敏度可使電路特性的改變減到最小。電工

8、使用的儀表精確度在95%到98%之間。這個精確度范圍對大多數(shù)應用是滿意的。然而，電力工作者力求最精確的可能讀數(shù)是重要的。一個精確讀數(shù)可以在儀表盤上顯示也可以直接讀出來。如果在指針后面有鏡子，調(diào)整視線的角度直到指針在鏡子中看不到映象。如要更精確可以使用數(shù)字表。電壓表有與電壓檢驗計同樣的應用。電壓表比電壓檢驗計更精確。因而，也支持更多的應用。例如，如果一個建筑物的供電電壓低于正常值，電壓表能指示出這個問題。電壓表也用來確定饋電線和支線電路導體的壓降值。電壓表有時有不只一個量程。選擇一個能更精確測量的量程很重要。選擇器開關(guān)范圍達到這個目的。注意：開始用一個適當?shù)母咭稽c的量程，然后逐漸降低到在限定范圍

9、之內(nèi)的最低量程。設定選擇器開關(guān)在可用的最低量程上能使讀數(shù)達到最精確。使用儀表之前，要檢查儀表確保指針指在零上。在儀表盤下面有一個調(diào)整螺釘。一個輕微的扭動就能使指針偏移。扭轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘使指針對準零線。當在DC中使用電壓表時，保持正確的極性是很重要的。大多數(shù)的直流電源和儀表都用顏色標記極性。紅色指示陽極，黑色指示陰極。如果電路和元件的極性未知，觸一下端子的導線觀察指針。如果指針猶豫著試圖擺動，儀表導線連接就要顛倒一下。警告：不要讓儀表連接反的極性。133安培表安培表是用來測量電路或部分電路的電流數(shù)量的。他與被測電路元件串聯(lián)連接。儀表的電阻必須非常低這樣不會影響流過電路的電流。當測量很靈敏的設備的電流

10、，安培表電流的輕微改變可能會引起設備的故障。安培表象電壓表一樣，也有一個調(diào)零的調(diào)整螺釘。許多儀表也有鏡子幫助使用者保證讀數(shù)精確。安培表常用來找出過載或者開路。他們也用來平衡線路的負荷和確定故障位置。安培表總是與被測電路或元件串聯(lián)連接。如果使用在DC下要檢查極性。圖1。6（A）顯示了安培表測量電路的電流。圖1。6（B）顯示的是AC安培表。第2章固體功率器件的基本原理21引言（緒論）本章將集中討論固態(tài)功率器件或功率半導體器件，并且只研究它們在采用相控（電壓控制）或頻率控制（速度控制）的三相交流鼠籠式感應電機的功率電路中的應用。22固態(tài)功率器件有五種用于固體交流電機控制中的功率元器件：（1）二極管（

11、2） 晶閘管（例如：可控硅整流器SCR）（3）電子晶體管（4）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）（5）雙向可控硅晶閘管SCR和雙向可控硅一般用于相位控制（相控）。各種二極管，晶閘管SCR，電子晶體管，門極可關(guān)斷晶閘管的聯(lián)合體用于頻控。這些器件的共性是：利用硅晶體形成的薄片構(gòu)成P-N結(jié)的各種組合。對二極管，SCR， GTO一般P結(jié)叫正極N結(jié)叫負極；相應的電子晶體管叫集電極和發(fā)射極。這些器件的區(qū)別在于導通和關(guān)斷的方法及電流和電壓的容量。讓我們根據(jù)他們的參數(shù)簡單看一下這些元器件。221二極管圖2。1顯示了一個二極管，左邊部分顯示的是在硅晶體中的一個PN結(jié)，右邊顯示的是二極管的原理圖符號。當P相對于

12、N是正時，由于節(jié)上有一個相當?shù)偷膲航担跋螂娏鏖_始流動。當極性相反時，只有一個極小的反向漏電流流動。這些用圖2。2闡明。前向電壓通常大約有1V，不受電流額定值的影響。二極管正向?qū)娏鞯念~定值取決于其尺寸和設計，而這二者是根據(jù)器件散熱的要求來確定的，以保證器件不超過最大結(jié)溫（通常為200C）。反向擊穿電壓是二極管的另一個重要參數(shù)。它的值更取決于二極管的內(nèi)部設計而不是它的物理尺寸。注意：一個二極管只有當加上正向電壓時才會正向?qū)?。它沒有任何固有（內(nèi)在的）的方法控制導通的電流和電壓值。二極管主要用在交流電路中作整流器，這意味著它們把AC整流成DC，同時產(chǎn)生的直流電流和電壓值沒有固有的控制方法。單二

13、極管可用額定值到4800A和最大反向電壓1200V，2000A最大反向電壓4400V。222晶閘管圖2。3顯示了晶閘管（一般也叫可控硅）的PN結(jié)排列和它的原理圖符號。注意這不同的結(jié)從正到負是PNPN，還有一個門極連到了內(nèi)部的P層。如果沒有連門極，并且陽極加反向電壓，從正極到負極就沒有電流通過。這是因為內(nèi)部P結(jié)由于未通電而工作在阻斷電路。這種情況對于正向阻斷狀態(tài)也是正確的。然而，當陽極是正的并且正信號作用到門上，則電流將從正極一直流向負極即使門極沒有正信號。換言之，門極能打開晶閘管但不能關(guān)斷它。關(guān)斷晶閘管的唯一方法是通過外部方式在正極強加上一個零電流。因此在前向?qū)ㄖ荒芡ㄟ^強加零電流停止方面，晶

14、閘管與二極管是相似的。然而，晶閘管與二極管在如何啟動前向?qū)ǚ矫媸遣煌摹＃?）陽極是正（2）門時刻是正。這個特性暗指了術(shù)語“可控硅”。圖2。4闡明了晶閘管的穩(wěn)態(tài)伏安特性。注意反向電壓和反向泄漏電流的形狀與二極管的很相似。反向電壓導通時比二極管的高，通常有1。4V。阻斷狀態(tài)也有一個極小的前向泄漏電流。在二極管中，穩(wěn)態(tài)電流值是由器件的性能和底座（散熱器）散發(fā)的熱量確定的。晶閘管的最大結(jié)溫比二極管要低，大約在125C。這意味著在同樣的額定電流下，加上1。4V的前向壓降，晶閘管比二極管的前向壓降大的多。單晶閘管可用額定值在最大反向電壓2200V超過2000A，在在最大反向電壓4000V超過1400A

15、。223電子晶體管（電子管）圖25列出了一個典型功率電子管的結(jié)排列，原理符號圖和伏安特性。如果集電極為正，除非在基電極和發(fā)射極間有電流才有電流從集電極到發(fā)射極。與晶閘管比較，只有在基極有電流時，電子管沒有從集電極到發(fā)射極的自鎖電流?；鶚O開路，集電極到發(fā)射極將阻斷電流。功率電子管與晶閘管在控制前向?qū)ǖ膯訒r相似。它與晶閘管不同的地方在于它能控制關(guān)斷和交流電機頻率控制所必需的換向。注意伏安特性沒有顯示反向特性。一般的，一個反向分流二極管連在發(fā)射極和集電極之間，以保護電子管受反向電壓傷害。功率電子管的可用額定值是最高反向電壓1000V400A。224門極可關(guān)斷晶閘管GTO圖2。6顯示了GTO的原理

16、符號。GTO與晶閘管的相似處在于PNPN結(jié)的排列和前向電流的操作。如果陽極是正的，導體的啟動是通過作用在門上的正脈沖。然而硅片和結(jié)是利用特殊特性設計的，所以即使陽極保持正值，加到門上的強負電流作用迫使前向電流阻斷。GTO常用的瞬間額定值是PRV1200V2400A。225雙向可控硅圖2。7顯示了雙向可控硅的原理符號圖。一個雙向可控硅由一個特殊的晶閘管包（包含前向和反向晶閘管）組成，它的操作由一個門極控制。他們常用在調(diào)光器電路中或者作為繼電器的開關(guān)，這樣截止態(tài)下很小的泄漏電流不會引起其它控制器的誤操作。隨著增加電流容量可控硅的可用性使他們用于交流電機的相位控制中。23功率半導體容量功率器件在穩(wěn)態(tài)

17、交流電機馬力范圍大于600V時如何用，用在哪里摘要顯示在表2。1中。馬力額定值基于沒有并聯(lián)的器件。24功率半導體的物理特性在物理特性條件下，有三類最常用的功率半導體：（1）栓接式（2）薄片或冰球式（3）絕緣散熱器類型。他們的共同特征是需要與其它器件有物理聯(lián)系。這器件叫散熱器，為了保持結(jié)溫在設計值內(nèi)把內(nèi)部熱量散發(fā)出去。散熱器吸收結(jié)的熱量通過散熱片，輪片（螺旋槳葉片）或者液體冷卻劑發(fā)散出去。液體冷卻劑幾乎從不用于600V級的固態(tài)交流電動機控制中，而且也不包含在我們的討論中。這三類功率半導體的不同在于它們?nèi)绾伟惭b，他們?nèi)绾闻c散熱器連接。241栓接式螺紋部分可能是PN結(jié)的一部分，或者是與有源電子部分電

18、子絕緣。在任一種情況下，螺紋部分常常插入散熱器的螺紋孔。栓接式器件在小馬力額定值下常用來作為直接功率控制器件，在大馬力額定值下常用來作為輔助保護器件。在后一種情況下，它們常直接安裝在較大器件使用的散熱器上，如冰球式設計。242冰球式器件典型冰球式功率器件可能是二極管，可控硅或GTO。尺寸范圍直徑從近似25MM到100MM。每一個平坦的面即不是P也不是N結(jié)。熱傳遞和導電從這表面產(chǎn)生。冰球式器件典型安裝是聯(lián)接鋁型材的散熱器。特別的箝位電路，聯(lián)接絕緣混合劑和扭矩扳手都是需要的，用來確定光熱傳遞和電導率。由于栓接式和冰球式器件的散熱器都能傳遞電流，他們必須與機械底托電子絕緣。輪片能加到散熱器上增加熱量

19、排放并且增大固定負荷狀態(tài)的完成。由于散熱器能在同樣電壓水平下作為功率器件，冰球式和栓接式的固態(tài)AC電動機控制必須通過附件（外殼）供給。附件（外殼）必須有合適的通風口或熱交換器使得熱量能散發(fā)。它不會用在放在安全封套中的用法，例如象NEMA12的密封盒或相似的外圍物。243絕緣散熱器件絕緣散熱器功率器件可能是二極管，可控硅，GTO，三極管或雙向可控硅。單個的包包含器件的聯(lián)合體，在內(nèi)部以線加固。區(qū)別的特征是術(shù)語“絕緣散熱器”。有一個鋁底盤在每個包下面。這個底板與功率器件之間是導熱并絕緣的。結(jié)的大部分熱量傳給了鋁盤。這個底板依次安裝在第二個更大的散熱底板上。這個更大的散熱底板在對面有鰭狀表面。絕緣散熱

20、器的設計使它自己是個完全封閉的設計。他們也有經(jīng)過預包裝的已經(jīng)內(nèi)部加固過的復合器件的優(yōu)點。他們的缺點是通過底部安裝的底板散熱的能力有限，所以固定負荷狀態(tài)必須小于開放的散熱器安裝在冰球式器件上。盡管如此，絕緣散熱器在一般應用和器件容量的使用上迅速增長。在較高的左上角的排列是唯一的，同樣它聯(lián)合了有所有封閉設計的絕緣散熱器概念的冰球式的優(yōu)點（例如，易替換，易互換）。它也被恰當?shù)姆Q為“開放塊狀”模式。25換流在深入的討論實際的固態(tài)交流電機的控制之前，將換流的概念和種類闡述清楚是必要的。換流的不同類型指所有討論的固態(tài)電動機控制。換流是功率半導體器件中負載電流被截止或停止流動或轉(zhuǎn)換到另一回路的過程。有以下三

21、種換流方式：（1）自然或線電壓換流（2）負載換流和（3）強制換流。251自然或線換流圖2。8顯示了功率半導體電路把AC轉(zhuǎn)換成DC。這個列舉  第3章模擬電子 3.1 介紹 3.1.1模擬和數(shù)字電子的對比 我們已經(jīng)研究了晶體管和二極管作為開關(guān)設備怎樣處理被以數(shù)字形式描述的信息（數(shù)字信息）。數(shù)字電子象用電力控制開關(guān)那樣使用晶體管： 晶體管被飽和或者切斷。動態(tài)區(qū)域只是從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的過渡。 對比起來，模擬電子取決于晶體管和其他類型放大器的動態(tài)區(qū)域。希臘詞根"analog" 意味著" 以一定的比例" ,在這里表示信息被編碼成與被描述的量（被表達

22、量）成正比的電信號。 在圖3.1中我們的信息是某種音樂，是樂器的激勵和回響自然發(fā)起（引起）。被傳播出的聲音在于空氣分子的有規(guī)則的運動并且被最好作為聲波理解。 在話筒（擴音器）的振動膜里的這些產(chǎn)生的運動，依次產(chǎn)生一個電信號。電信號的變化與聲波成比例（在電信號方面的變化是聲波的成比例表現(xiàn)）。電信號被通過電子放大，即利用輸入放大器的交流電能將信號的功率放大。放大器的輸出驅(qū)動一個錄音磁頭并且在磁盤上產(chǎn)生波浪狀的槽溝。如果整個系統(tǒng)是好的，空氣的一切聲變將被記錄在磁盤上，當記錄被通過一個相似的系統(tǒng)播放時，信號通過一個揚聲器作為聲音能量再傳播出來，結(jié)果原始音樂被如實的再現(xiàn)了。 基于模擬原則的電子系統(tǒng)形成一類

23、重要的電子儀器。 收音機和電視的廣播是模擬系統(tǒng)的典型例子，許多電子儀器也是模擬系統(tǒng)，它們的應用包括偏差檢測（應變計量器），運動控制（測速機）和溫度測量（熱電耦）。許多電子儀器-電壓表，歐姆表，安培表和示波器利用了模擬技術(shù)，至少部分利用了模擬技術(shù)。 在數(shù)字電子計算機被發(fā)展之前，模擬計算機一直使用。在模擬計算機中，微分方程里的未知量被用電信號來模擬。 這些信號被用電子的方法積分、比例變換和求和以獲得方程的解，比起解析或數(shù)值運算的求解方法要容易一些。 3.1.2本章的主要內(nèi)容 模擬技術(shù)廣泛地運用頻域的觀點。我們首先擴大我們的頻域的概念包括周期，非周期和隨機信號。我們將看到大多數(shù)模擬信號和過程可以被表

24、示為頻域。我們將介紹頻譜的概念，也就是，用同時存在的很多頻率來表達一個信號。帶寬（頻寬）(頻譜的寬度) 在頻域上將與時間域上的信息率有關(guān)。 頻域的這個被闡述的概念也幫助我們區(qū)分線和非線性的模擬設備的影響。線性電路被顯示有"濾波器" 的能力而不需要頻率組件。對比起來，新頻率可以被象二極管和晶體管那樣的非線性的設備產(chǎn)生。這種性能允許我們通過調(diào)幅和調(diào)頻調(diào)制技術(shù)在頻域上轉(zhuǎn)換模擬信號，這種調(diào)制技術(shù)已被公開廣泛地使用公用和私人通信系統(tǒng)。作為一個例子我們將描述一臺調(diào)幅收音機的操作。 下面我們研究一下反饋的概念，在模擬系統(tǒng)中通過反饋可以交換到象線性或者更寬的帶寬那樣合乎需要的質(zhì)量。如果沒有

25、反饋，象音頻放大器或者電視接收機那樣的模擬系統(tǒng)最多提供了一個糟糕的性能。理解反饋的好處可以提供正確評價模擬電子中運算放大器的很多用途的基礎（提高對模擬電子中運算放大器的很多用途的認識）。 運算放大器 (簡寫OP amps) 是模擬電路的基本組成部分，正如NOR或非和NAND與非門電路是數(shù)字電路的基本單元一樣。 我們將介紹一些運算放大器一般應用，以在模擬計算機里的他們的用途來結(jié)束。 3.2運算放大器電路 3.2.1介紹 (1) 運算放大器的重要性。運算放大器是一個在受負反饋控制的高增益的電子放大器，用來在模擬電路中完成很多運算功能。這樣的放大器最初被發(fā)展完成運算，例如在模擬計算機里為微分方程的求

26、解的積分和求和。運算放大器的應用被增加了，直到目前為止， 大多數(shù)模擬電子電路基于運算放大器技術(shù)。例如,你需要一個放大器獲得10倍的增益，便利,可靠性，費用考慮將確定使用一個運算放大器。因此，運算放大器形成模擬電路的基本構(gòu)件，正如NOR或非和NAND與非門電路是數(shù)字電路的基本單元一樣。 (2) 運算放大器模型典型的特性。典型的運算放大器是利用十多個晶體管，幾個二極管和很多電阻器的一個復雜的晶體管放大器。這樣的放大器被在半導體芯片上批量生產(chǎn)并且售價少于1 美元一個。這些部件是可靠，耐用的，并且在他們的電子特性接近理想。 圖3.2顯示一臺運算放大器的基本特性和符號。有兩個輸入電壓u+和u _ ,用大

27、的電壓增益差分放大，通常達105 - 106. 輸入電阻R也很大，100 K -100 M歐。輸出電阻Ro 很小，10-100歐. 放大器經(jīng)常用正極(+ Ucc) 和負極(-Ucc) 電源提供直流電源。對這個情況來說，輸出電壓在供電電壓之間，- Ucc<Uo<+ Ucc。 有時一個電源接地( 即,"-Ucc" =0). 這樣的話輸出電壓在0<Uo<+ Ucc之間。電源連接很少被畫進電路圖，可以認為運算放大器和合適的電源連結(jié)起來。因此運算放大器接近一個理想的電壓放大器，有高的輸入電阻，低的輸出抵抗和高的增益。 高增益通過使用強大的負反饋變?yōu)槠渌杏玫奶?/p>

28、征。負反饋的全部好處被運算放大器電路利用了。對那些早在這章里列舉，我們將為運算放大器電路還增加3個好處：低擴張性，便于設計，和簡單的構(gòu)造。 (3) 這節(jié)的內(nèi)容。我們首先分析兩個普通運算放大器應用，反相和同相放大器。我們通過一個簡單而有效對任何運算放大器電路使用的一種方法，推導出這些放大器的增益。 我們?nèi)缓笥懻撚性礊V波器。這是有（帶了）增加了頻率響應的電容器的運算放大器。然后我們簡單討論模擬計算機，以討論運算放大器的一些非線性的應用來結(jié)束。 3.2.2運算放大器 (1) 反相放大器。 反相放大器，用圖3.3 顯示，使用一個運算放大器和兩個電阻。 運算放大器的輸入是地(零信號) ; 負(-) 電源

29、連接輸入信號(通過Ri) 并且(通過RF) 反饋到輸出信號.在下列討論中容易混淆的是我們必須同時談到兩個放大器。運算放大器是在負反饋放大器里形成放大要素的一種放大器，負反饋放大器包含運算放大器加上相關(guān)電阻。為了減少混亂，我們保留術(shù)語" 放大器" 只用在反饋放大器的總體上。運算放大器絕不是一個放大器；而被叫為運算放大器。例如，如果我們對放大器提及輸入電流，我們指通過R1的電流，并非進運算放大器的電流。 我們在圖里能求出3.3反相放大器的增益，通過求解基本的電路法則(KCL和KVL)或者通過試圖把電路分成主要放大器和反饋系統(tǒng)模塊。不過，我們將提出另一方法，這種方法基于運算放大器

30、增益很高，接近無限。在如下內(nèi)容里，我們將給一般的假設，這可提供給任何運算放大器電路；然后我們將把特定假設用于目前的電路。因此，我們將建立反相放大器的增益和輸入電阻。 (1) 我們假定輸出表現(xiàn)良好不試圖達到無限。因此我們假定負反饋使放大器穩(wěn)定，因此適度的輸入電壓產(chǎn)生適度的輸出電壓。如果電源是+ 10 和-10 V，例如，那些輸出必須位于這些有限值之間。 (2)因此，運算放大器的輸入電壓非常小，基本上零，因為它是輸出電壓除以運算放大器的大的電壓增益 U+-U _ =0 = U+= U _ 例如，如果lUol<10 V 并且A= l05， 然后我u+ u _ l<10 /lOs = 10

31、0 UV。 因此對任何運算放大器電路通常u + 和u _ 在100 uV或更少內(nèi)相等。對在圖3.3的反相放大器來說，u+接地； 因此，u _ =0. 從而，放大器的輸入電流將為 Ui-u _ Ui 見（3。1） il = Ri R 1 (3) 因為u+=u _ 并且Ri很大，進入放大器的+極和-極的運算放大器的輸入電流將非常小，基本上零 見 (3.2) 例如， Ri = 100 k， i _ <10-4 /lOs = 10-9 A。 對于反相放大器，公式 (3.2) 暗示輸入端的電流I流過RF， 如圖3.4所示. 這允許我們計算出輸出電壓。RF兩端電壓是iiRF，因為RF的一端連接u-=

32、0，因此電壓增益將是 見 (3.3) 在增益表達式中的負號表明輸出和輸入反相：在輸入端的一個正的信號將在輸出端產(chǎn)生一個負的信號。公式(3.3) 顯示增益取決于Rf和R1的比率。這將暗示那只是比率而不是Rf和 Ri 個別價值。如果放大器的輸入阻抗是不重要的，這將是真實的，但是一個放大器輸入阻抗經(jīng)常是關(guān)鍵的。反相放大器的輸入阻抗將由公式 (3.1)顯示; Ri = Ui i R，(3.4) 對一個電壓放大器來說，輸入電阻是一個重要的因素，因為如果Ri 太低信號源(Ui)可能負擔過重。因此在設計過程中，Ri 一定充分高以避免負荷問題。一旦Ri固定，RF可以選擇取得所需要的增益。因此個別的電阻的值變得

33、重要，因為他們影響放大器的輸入阻抗。 讓我們設計一個增益是-8的反相放大器。輸入信號是來自一個有100歐的輸出電阻的電壓源。降低負載，輸入電阻Ri，必須比100 大得多。對削減5%負載來說，我們將確定R 1 = 2 000 . 取得增益-8(實際上-8的百分之95，考慮到負載) ,我們需要Rf = 8 x 2 000= 16 k . 反饋影響支配放大器的特性。當輸入電壓被提供，u_的值將增加。這將引起Uo迅速朝著負的方向增加。這負電壓增加了那些值，在哪里 Uo通過RF對-負輸入的影響通過 R1 取消Ui的影響。換句話說，由于運算放大器的輸入電流極其小，輸出將自我調(diào)整通過Rf 收回任何電流（通過

34、R1 ，Ui注入的）。在這種方式下輸出只取決于RF 和Ri。 (2) 同相放大器。對于在圖3。5顯示的同相放大器來說，輸入連接陽極。從輸出，反饋連結(jié)到運算放大器的負輸入端，作為所要求的負反饋。為確定增益，我們使用上面略述的假定。 (1) 因為u+ =u _ ,那么 u _ =Ui(3.5) (2) 因為i _ =0，RF 和R1 有相同的電流。因此通過一種分壓器關(guān)系Uo與u_有關(guān)。 u _ =Uo R1 + RF (3.6)結(jié)合公式(3.5) 以及(3.6) ,我們建立增益是 Ui = UORi+RF = Au = +(1 + ) (3.7) '在增益表達式之前的正信號強調(diào)放大器的輸出

35、與輸入有相同的極性：正的輸入信號產(chǎn)生一個正的輸出信號。再次我們看到Rr 和Ri的比率確定了放大器的增益。 當一電壓加到放大器上，輸出電壓迅速增加并且將繼續(xù)上升直到Ri的端電壓等于輸入電壓。因此小輸入電流將流入放大器，并且增益只依賴Rr 和Ri。 同相放大器的輸入阻抗將非常高，因為放大器的輸入電流也是運算放大器的輸入電流，i+，必須極其小。超過1 000M的輸入電阻值用這條電路很容易達到。高輸入電阻的特征是同相放大器的一種重要的優(yōu)勢。 3.2.3有源濾波器 (l) 有源濾波器是什么？ 一個有源濾波器把濾波與放大結(jié)合起來。我們早先研究的電阻過濾器被叫作無源濾波器，因為他們只提供濾波。有源濾波器使用

36、一運算放大器提供增益，同時在輸入和反饋電路中加入電容器以形成過濾器特性。 我們早先在時域得到反相放大器的增益特性。 在圖3.6我們顯示頻域版本。我們很容易的把早先的出處轉(zhuǎn)換成為頻域。 濾波器功能，F(xiàn) u(w) ,因此是二個阻抗的比率，并且通常給出濾波的增益。我們可能寫負號作為180度移動，因為在頻域反相相當于180的相移。 (2) 低通濾波器。把一個電容器與RF并聯(lián)的(參閱圖3.7) ，在高頻上傾向于降低Zf 因此有了放大器增益，從而，這個電容器通過增益把一臺反相放大器轉(zhuǎn)變成低通濾波器。 我們可能寫 (3.8)因此增益將是 (3.9)這兒Au = -RF/Ri，增益中沒有電容器，Wc = 1

37、/RrCF將截止頻率。 放大器的增益近似常數(shù)直到頻率超過Wc，在此之后,增益隨WC的增加而減少。濾波器功能的波特圖顯示在3.8，在這兒RF = 10 k Rl = l kl'l和CF=1UF (3) 高通濾波器。高通濾波器被用圖3.9顯示，使用了一個電容器與R1串聯(lián)以在低頻段降低增益。分析的細節(jié)將被留到下一個問題。濾波器的增益是在這里Au = -RF/Rl是沒有電容器的增益，WC= I/Ri Cl是截止頻率，低于截止頻率放大器增益將降低。這個濾波器特性的波特圖顯示在3.10. (4) 其他有源濾波器。通過使用更先進的技術(shù)，能仿真RLC窄帶帶通濾波器，并且通過使用另外的運算放大器，很多復

38、雜的濾波器特性可以被獲得。這種應用的討論不屬于本文的范圍，但是有很多手冊顯示了電路并且給出有源濾波器的設計資料。 3.2.4模擬計算機 經(jīng)常一個微分方程通過積分求解。積分可以通過解析的方法或者以數(shù)值法在一臺數(shù)字電子計算機上被完成。積分也可通過一個運算放大器電路執(zhí)行。的確，運算放大器最初是為了微分方程的電子積分被發(fā)展的。 (1) 積分。在圖3.11中運算放大器電路通過一個電容器使用負反饋進行積分。 我們已經(jīng)把反饋線路上電容器充電到U1的原始值， 然后在t= O 時除去這預偏電壓。在開關(guān)打開之后，讓我們檢查電路的初態(tài)（在調(diào)查將發(fā)生什么之前）。由于u + 大約是零，因此將是u-，并且因此，輸出電壓被

39、固定在-U1。放大器的輸入電流，Ui/R，將流過U1 電源并且進入運算放大器的輸出。因此輸出電壓將保持在 - Ul直到開關(guān)打開。 在t = 0開關(guān)被打開之后，輸入電流將流過電容器，因此Uc 將是 因此電路的輸出電壓是 (3.10) 除了負號， 輸出是Ui的積分值被1 /RC除，我們通過選擇適當?shù)腞 和C.的值取得任意數(shù)。 (2) 縮放比例和求和。我們需要兩條其他電路以模擬計算機方法解決簡單的微分方程?？s放比例涉及乘以一常量，例如 U2 = -這里K 是常量。這是一個放大器的方程式,并且因此我們將在圖3.3里使用反相放大器為獲得 信號，或者在圖3.5中使用同相放大器以獲得+信號。 加法器產(chǎn)生兩個

40、或更多信號的加權(quán)和。 圖3.12 顯示有二輸入端的一個加法器。我們可能通過使用我們早先使用的理解反相放大器的相同的推理理解電路的操作。由于u _ =0，通過Ri 和R2的電流總數(shù)為 (3.11) 輸出電壓將調(diào)整自己通過RF 拉這個電流，并且因此輸出電壓將是 Uo =-iiRF =-(U，' R + U2 ' ) 輸出將是被增益系數(shù)，Rr/Rl和Rr/R 2分別加權(quán)后的Ul 和U2的和。如果反相不需要加法器產(chǎn)生，加法器隨后跟一個反相，一個增益為-1的放大。很清楚，我們能加上另外的輸入與Rl和R 2并聯(lián)。 在下面例子里，我們將對3 個信號求和以解決一個二階微分方程。 (3) 解決D

41、E.。讓我們設計一個模擬計算機電路求解微分方程 (3.12) 除最高階導數(shù)之外，移動所有項到右側(cè) (3.13) 對公式(3.12) 的求解電路被用圖3.13 顯示。這個電路包含兩個積分電路對公式(3.13) 左邊進行積分，一個加法器表達公式右邊部分, 兩個反相器改正信號符號。同相輸入接地，并且輸入和反饋連接到運算放大器的反相輸入端。因此我們只顯示反相的輸入。用d2u/dt2作積分電路的輸入，第一個積分電路的輸出將是 - du/dt 電池給出3 V的起始條件，如同在公式( 3.13 )里。,因此第二個積分電路的輸出將是+ u（ 初始條件-2 V) . 這個輸出被輸入到加法器，隨同du/dt反相，

42、驅(qū)動函數(shù)COS I0 t也必須反相以取消在加法器中的反相。連結(jié)3 個信號進加法器的輸入電阻產(chǎn)生了公式(3.13)里的加權(quán)因子，因此加法器的輸出表達了公式(3.13)的右邊。我們因此連結(jié)輸出到我們的" 輸入" d2u/dt2 以滿足公式(3.12). 觀察這個解決Eq(3.12)的方法，我們僅僅在t = 0打開開關(guān)。 很清楚，這種技術(shù)能被用于更高階的方程式。對模擬計算機的復雜的使用需要多種精致附件。經(jīng)常，被求解的方程式在時間上劃分(時間在計算機上被加速或者減速) 來適應實際的電阻器和電容器的值。此外，電壓和電流值可以被劃分，帶來在計算機的可允許的范圍內(nèi)的未知數(shù)。在下一部分內(nèi)，

43、我們顯示以模擬方法非線性操作來求解非線性的微分方程。 3.2.5非線性運算放大器的應用 運算放大器能與非線性的電路元件（例如二極管和晶體管）相結(jié)合產(chǎn)生多種有用的電路。下面我們討論幾個這樣的應用。更多的電路在他們的產(chǎn)品的標準手冊和說明書里詳述。 一個改良的半波的整流器。 在圖3.14 運算放大器驅(qū)動一個半波整流器。當輸入電壓是負的時，運算放大器的輸出將是負的，二極管將關(guān)斷； 因此輸出將是零。當輸出是正的時，這個二極管將導通，輸出將與輸入相同，因為電路將象在圖3.5中RF = 0時顯示的同相放大器執(zhí)行。有效的使用運算放大器降低了二極管的導通電壓。如果輸入電壓大于0。7/A，這兒A是運算放大器的電壓

44、增益，輸出電壓超過0.7 V并且使二極管導通。因此導通電壓被有效地從0.7 - 0.7/ A降低。 這個電路不會用在電源電路內(nèi)相反，它將用在檢測器或者其他處理小信號的電路里。這里二極管的導通電壓將是一個問題。第八章用于控制的傳感8.1 引言（導論）在反饋控制系統(tǒng)中，控制對象（plant）的響應被測量并與一個參考輸入進行比較，該誤差被用于控制該對象?？梢酝瞥觯簻y量系統(tǒng)是任何反饋控制的重要部分，構(gòu)成了控制對象與控制器之間的重要聯(lián)系。許多工程應用也需要用到測量，然而，在控制系統(tǒng)的應用中，測量過程必須是自動的。一個典型的測量系統(tǒng)是由一個或多個傳感器-變送器單元以及相關(guān)的信號調(diào)理裝置組成（見圖8.1 ）

45、。濾波是為了去除不想要的噪聲和放大增強所需要的信號，可以看作是信號調(diào)整，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）、調(diào)制（Modulation ）、解調(diào)（demodulation ）都是信號調(diào)理的方法。注意：信號調(diào)節(jié)可以看作是信號調(diào)整標題下的。盡管數(shù)據(jù)保存是一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必不可少的功能之一，但是，并不是反饋控制系統(tǒng)得重要功能。正是因為這個原因，在本書中，我們將不對數(shù)據(jù)存儲裝置進行深入的探討。在多路測量環(huán)境中，在信號調(diào)整之前或之后使用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，為了在某一時刻從一組數(shù)據(jù)通道中選擇一個被測信號用于后續(xù)處理。以這種方式，一套昂貴的硬件可以分時用于幾個信號。盡管在數(shù)字控制應用場合，直接數(shù)字變送器

46、逐漸盛行，但是傳感器-變送器裝置主要是模擬器件，用于產(chǎn)生模擬信號。當使用模擬變送器時，模數(shù)轉(zhuǎn)換被用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以用于數(shù)字控制。這一信號調(diào)理處理要求以離散時間點對模擬信號進行采樣。一旦一個數(shù)值被采樣，該數(shù)值就被編碼成數(shù)字表示，例如普通的二進制碼、Gray 碼、二進制-十進制碼（BCD）或美國信息交換標準碼（ASCII ）。因模擬信號的瞬變特性而產(chǎn)生的模擬信號變化不應影響到ADC 過程。為了保證這一點，在每一個采樣周期中需要一個采樣保持操作。例如，在每個采樣周期一開始，模擬信號的值被檢測到（采樣），并假定在整個采樣周期內(nèi)為常數(shù)（保持）。事實上，這就是零階保持操作。為了保證控制系統(tǒng)的

47、正常運行，多路轉(zhuǎn)換、采樣和數(shù)字化等操作必須在一個精確計時器件（時鐘）的控制下完全同步。其流程如圖8.2 所示。所有在測量流程中起輔助作用的器件可以看作是測量系統(tǒng)的部件。針對一個具體的應用或者是設計一個新的部件，對可獲得的部件進行選擇，主要依賴于這些部件的性能說明書和設計任務說明書。絕大多數(shù)由制造商提供的器件的額定參數(shù)是靜態(tài)參數(shù)。然而，在控制應用領域，動態(tài)性能指標也很重要。當兩個或多個元件相連時，在整個系統(tǒng)中單個元件的性能，與每個元件單獨運行時的性能相比，相差很大。在多元件系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)性能和精度，元件匹配，尤其是元件的阻抗特性，必須認真地處理。8.2 傳感器與變送器被測的輸出量（或響應）

48、稱為被測量。這樣的例子有：車輛的速度和加速度、過程對象的溫度和壓力、電路中的電流。一個測量裝置在測量一個信號時，要經(jīng)過兩個階段，第一，被測量被感知，接著，被測信號被變送（或轉(zhuǎn)換）成適宜于傳送、信號調(diào)理、處理、或驅(qū)動一個控制器和驅(qū)動機構(gòu)的形式。正因如此，變送階段的輸出通常是一個電氣信號。被測量通常是一個模擬信號，因為在反饋控制應用中，它通常代表著一個動態(tài)系統(tǒng)的輸出。在直接數(shù)字變送器（傳感器）中，其輸出是離散的，這有利于傳感器與數(shù)字處理器之間的直接接口。一個典型傳感器（測量裝置）的傳感和變送階段如圖8.3 （a）所示。例如，考慮一個壓電式加速度計的運行過程（見圖8.3（b）。在這個例子中，加速度是

49、被測量。它先通過質(zhì)量單元轉(zhuǎn)換成慣性力，并施加到壓電晶體上，在其（壓電晶體）內(nèi)部產(chǎn)生應變（應力）。這一階段可以看作是傳感階段。應力在壓電晶體的內(nèi)部產(chǎn)生電荷，在加速度計的輸出端呈現(xiàn)為一個電信號。這一應力到電荷或應力到電壓的轉(zhuǎn)換階段，可以看作是傳感器的變送階段。一個復雜的傳感器（測量裝置）可以有一個以上的傳感階段。更常見的是，在被測信號適宜于控制和執(zhí)行應用之前，被測信號經(jīng)歷了幾個變送階段。傳感器和變送器階段均為功能級，而且在有的時候，不易甚至不能區(qū)分與其相連的物理原理。另外，在使用現(xiàn)有裝置（傳感器）時，這種階段劃分并不重要。然而，在設計新的測量儀器是，恰當?shù)貏澐謧鞲衅骱妥兯推麟A段（物理地和功能地）是

50、至關(guān)重要的。在一些書籍中，信號調(diào)理裝置也劃為變送器，例如，電子放大器。由于我們將信號調(diào)理從測量裝置（傳感器）中分離出來，在本書中，盡可能地避免那種統(tǒng)一的分類方法。取而代之，術(shù)語變送器主要應用于測量儀器。然而，遵循這個慣例，傳感器和變送器可以互換使用，用于表示測量儀器。 8.3 用于運動測量的模擬傳感器8.3.1 引言/導論/簡介對反饋控制來說，被控對象輸出的測量是基本的。輸出測量在過程的性能評價中也很有用。而且，在學習系統(tǒng)（例如，機械手的示教-重現(xiàn)操作）中，進行測量并將測量結(jié)果存儲在計算機中，用于隨后的系統(tǒng)運行。在前饋控制中，需要對輸入量進行測量。因此，很明顯，測量子系統(tǒng)是一個控制系統(tǒng)的重要組

51、成部分?？刂葡到y(tǒng)的測量子系統(tǒng)包含傳感器和變送器，它們檢測被測量并將被測量轉(zhuǎn)換成可接受的信號通常是電壓信號。接著，這些電壓信號被適當?shù)恼{(diào)理，所用的信號調(diào)理硬件有濾波器、放大器、解調(diào)器和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器與信號調(diào)理硬件之間的連接，阻抗匹配是必須的。傳感器、變送器和輔助信號調(diào)理裝置的精度在控制系統(tǒng)應用是重要的，主要有兩個原因。反饋控制系統(tǒng)的測量系統(tǒng)位于控制系統(tǒng)的反饋回路，盡管在開環(huán)系統(tǒng)中，測量可用于補償不良特性，但測量本身的誤差會直接進入系統(tǒng)，如果誤差未知，則無法校正。而且，可以看出，控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性在測量系統(tǒng)中是直接的，與開路部件敏感性情形不同，這種敏感性不能通過增大回路增益方

52、法進行減小。因而，對反饋控制系統(tǒng)來說，其設計策略是使測量非常精確，并采用合適的控制器降低其它類型的誤差。在反饋控制應用中，大多數(shù)傳感器-變送器裝置是產(chǎn)生模擬信號的模擬部件。即使是在實時直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，也是如此。然而，當模擬變送器應用在數(shù)字控制場合時，為了獲得被測信號的數(shù)字表示，必須采用某種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換。所獲得的數(shù)字信號應用數(shù)字方法進行后續(xù)調(diào)理和處理。在傳感階段，被測信號可以看作是“傳感單元的響應”。該信號被變送器轉(zhuǎn)換成被傳輸?shù)男盘柫?。在這一方面，測量裝置的輸出可以看作是“變送器的響應”。在控制系統(tǒng)應用中，該輸出信號通常（更可取地）是一個電氣信號。注意，把電氣信號到電氣信號的傳感器-變送器

53、看作是測量裝置有些多余，尤其是在控制系統(tǒng)研究中，因為只有在電氣信號被送入控制器或驅(qū)動系統(tǒng)之前，才需要進行調(diào)理。在這種意義上，電氣信號到電氣信號的變送可以被看作是一個“信號調(diào)理”任務而不是“測量”功能。8.3.2 運動傳感器就運動而言，我們指的是四個運動學變量：1) 位移（包括位置、距離、接近度和尺寸或厚度）；2) 速度；3) 加速度；4) 沖擊；注意：每一個變量都是前一個變量的對時間的導數(shù)。在控制機械響應和動態(tài)系統(tǒng)中的相互作用中，運動測量很有用?？梢粤信e眾多的運動測量用于控制應用場合的例子。在機械加工操作控制中，工件的旋轉(zhuǎn)速度和道具的進給速度均被測量；機器人操作臂或運動鏈的關(guān)節(jié)（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和平動

54、關(guān)節(jié)）的位移和速度（兩者都包括角位移和速度和平移位移和速度）被用于控制機械手的軌跡；在高速地面交通工具中，加速度和沖擊測量用于主動懸架控制，以提高乘坐質(zhì)量；在控制旋轉(zhuǎn)機床應用中，角速度是一個至關(guān)重要的被測量，例如，渦輪機、泵、壓縮機、電動機和電廠里的發(fā)電機；接近度傳感器（測量位移和距離）和加速度計（測量加速度）是機器保護系統(tǒng)中的常用的兩種測量裝置，用于大型復雜機器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測、診斷和在線（通常是實時的）控制；加速度計通常是應用于動態(tài)測試裝置控制中的唯一的測量裝置；位移測量用于過程控制中的閥門控制；在軋鋼廠中，鋼板厚度由自動厚度控制系統(tǒng)（AGC）連續(xù)監(jiān)控。在測量裝置和被測變量之間，不

55、一定存在一一對應的關(guān)系。例如，雖然應變片是測量應變（因而可測應力和力）的裝置，但是，通過合適的前端輔助傳感單元，例如，懸臂梁（或彈簧），它們可用于測量位移。而且，通過合適的數(shù)據(jù)解釋方法，同樣的測量裝置可以用于測量不同的變量。例如，帶有內(nèi)嵌的微電子積分電路的壓電式加速度計可以作為壓電式速度傳感器上市銷售。提供角位移的角分解器信號微分后得到角速度。脈沖發(fā)生型(數(shù)字)傳感器，例如光編碼器和數(shù)字轉(zhuǎn)速表，可以用作位移傳感器和速度傳感器，取決于是所產(chǎn)生脈沖的絕對數(shù)目還是脈沖速度被測量。注意：脈沖速度的測量，要么是通過測量單位時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)目，要么是在脈沖寬度內(nèi)選通一個高頻的時鐘信號。而且，原則上，任何力傳感器都可以用作加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器，取決于所采用的前端輔助傳感單元是慣性元件（將加速度轉(zhuǎn)換成力）、阻尼元件（將速度轉(zhuǎn)換成力）、還是彈性元件（將位移轉(zhuǎn)換成力）。我們或許會質(zhì)疑是否需要單獨的傳感器去測量這四個運動變量位移、速度、加速度和沖擊因為任何一個變量是通過簡單積分或微分與其它變量相關(guān)聯(lián)的。只測量四個變量中的其中一個，并應用模擬處理（通過模擬電路硬件）或數(shù)字處理（通過專用的處理器）去獲得任何一個剩余的運動變量，這種方法在理論上是可能的。然而，這種方法的可行性是高度受限的，并且取決于幾個重要的