現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件第三章

第3章模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及一般設(shè)計(jì)方法；常用基本單元電路；以電子系統(tǒng)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)為例，講述低頻模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)；基于鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.概述

模擬電路是相對(duì)于數(shù)字電路而言。通常認(rèn)為，模擬電路處理的是連續(xù)的量，數(shù)字電路處理的是分立的量。模擬電路有線性和非線性之分。在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為沒(méi)產(chǎn)生新頻率成分的為線性電路，否則為非線性電路。一般無(wú)源元件的網(wǎng)絡(luò)，例如LC濾波器，變壓器，各種傳輸線，定向耦合器，天線等屬于線性模擬電路。有源器件一般是非線性的，僅僅在小信號(hào)下可以認(rèn)為是線性的。非線性模擬的例子很多，例如整流器，檢波器，混頻器，功率放大器等?！?-1模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法當(dāng)前的應(yīng)用電子系統(tǒng)，一般都是由數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)綜合而成，二者互為補(bǔ)充，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)上有其共性，也有其個(gè)性。本章側(cè)重于以模擬技術(shù)為主，對(duì)模擬系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)作一描述。模擬技術(shù)的適用場(chǎng)合

應(yīng)用電子系統(tǒng)對(duì)獲得的模擬信號(hào)不需要作復(fù)雜的處理，也不要作遠(yuǎn)距離傳送，且最后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是用模擬信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的電子系統(tǒng)。比如：電源（包括開(kāi)關(guān)電源和線性電源）、功放、收音機(jī)和電視機(jī)，除線性電路和非線性電路外，還包括頻率變換、調(diào)制解調(diào)等等模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：1.工作于模擬領(lǐng)域中單元電路的類(lèi)型較多，涉及面很寬，要求設(shè)計(jì)者具有寬廣的知識(shí)面;2.模擬單元電路一般要求工作于線性狀態(tài);3.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)之一是系統(tǒng)的輸入單元與信號(hào)源之間的匹配和系統(tǒng)的輸出單元與負(fù)載（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間匹配;4.測(cè)試工作的難度大;5.自動(dòng)化設(shè)計(jì)進(jìn)展比較緩慢，人工介入起著重要的作用。3.1.2模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與步驟

1.任務(wù)分析，方案比較，確定總體方案 舉例：高精度的信號(hào)源（采用鎖相環(huán)的方案CD4046，采用集成函數(shù)發(fā)生器方案ICL8038）說(shuō)明模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于分立或集成器件種類(lèi)繁多，技術(shù)方案多，要求設(shè)計(jì)人員深入分析任務(wù)，對(duì)功能、性能、體積、成本等多方面做權(quán)衡比較，并根據(jù)具體實(shí)際情況確定總體方案。3.1.2模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與步驟

2.劃分各個(gè)相對(duì)的獨(dú)立功能塊，得出總體的原理框圖

根據(jù)選定的系統(tǒng)方案及指標(biāo)，按信號(hào)輸入到輸出的流向劃分各個(gè)獨(dú)立的功能框圖。舉例：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道（輸入放大器—濾波器—取樣/保持電路—多路模擬開(kāi)關(guān)—A/D轉(zhuǎn)換器等）除了按功能劃分外，還要兼顧系統(tǒng)指標(biāo)的分配、裝配連接的合理性等。如：采集系統(tǒng)誤差的合理分配。3.1.2模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與步驟

3.以集成塊為中心，完成各功能單元配置的外電路的設(shè)計(jì)

對(duì)輸入單元和輸出單元的集成塊的選擇應(yīng)特別關(guān)注，要求輸入單元的輸入特性與信號(hào)源匹配（獲得盡可能大的信噪比），輸出單元的輸出特性與負(fù)載匹配（獲得盡可能大的輸出功率）。3.1.2模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與步驟

4.單元之間的耦合及整體的電路的配合——得到整體系統(tǒng)電原理圖（1）單元間耦合直接耦合的級(jí)間耦合，后級(jí)的輸入阻抗影響前級(jí)的性能指標(biāo)。（2）系統(tǒng)整體的配合普遍采用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)改善品質(zhì)。5.根據(jù)第三、第四兩步得到的結(jié)果，重新核算系統(tǒng)的主要指標(biāo)6.在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分利用EDA仿真軟件7.畫(huà)出系統(tǒng)元器件的布置圖和印刷電路板的布線圖，并考慮好測(cè)試方案，設(shè)置測(cè)試點(diǎn)§3-2低頻模擬系統(tǒng)主要單元電路及其應(yīng)用知識(shí)單元電路是組成電子系統(tǒng)的“細(xì)胞”。單元電路有運(yùn)放、AD/DA、傳感器、機(jī)電系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.2.1集成運(yùn)放應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)通用集成運(yùn)放：常用的有：第二代集成運(yùn)放F007（國(guó)外型號(hào)：μA741）、第三代集成運(yùn)放4E325（AD508）及第四代集成運(yùn)放5G7650（ICL7650）。專(zhuān)用集成運(yùn)放：高速型集成運(yùn)放、低漂移高精度集成運(yùn)放、高輸入電阻型集成運(yùn)放、高壓型、低功耗型、大功率型等。集成運(yùn)算放大器ICOperationalAmplifier（簡(jiǎn)稱運(yùn)放），當(dāng)運(yùn)放的外圍電路接入不同形式的反饋網(wǎng)絡(luò)之后，便能實(shí)現(xiàn)多種基本電路功能：1)可用作放大器（如音頻、視頻放大、交流直流放大、微分放大和對(duì)數(shù)放大器等等）；2)可作模擬運(yùn)算（如加法器、減法器、積分器、微分器、換碼器、系數(shù)均衡器等等）；3)可作有源濾波器（如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等等）；4)可作振蕩器（如正弦波振蕩器、非正弦波振蕩器、多諧振蕩器等等）；5)可作恒定電源（如穩(wěn)壓源、恒流源等等）；6)可作轉(zhuǎn)換器（如電流／電壓轉(zhuǎn)換器、頻率／電壓轉(zhuǎn)換器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、比較器、電壓跟隨器等等）；7)可構(gòu)成各種非線性電路（如高效檢波器、限幅器、高頻檢波器、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器、乘法器等等）；理想中的運(yùn)放主要指標(biāo)1)增益為無(wú)窮大；2)通頻帶為無(wú)窮寬；3)同相與反相輸入端之間阻值無(wú)窮大，同相反相兩輸入端與公共地之間的阻抗無(wú)窮大；4)輸出電流容量為無(wú)窮大；5)輸出阻抗為零；6)輸入失調(diào)電壓為零；7)輸入電流為零；8)只放大差模信號(hào)，而完全抑制共模信號(hào)；9)以上各項(xiàng)指標(biāo)不受任何溫度和濕度的影響。實(shí)際使用的運(yùn)放特性指標(biāo)1)電壓增益相當(dāng)大；2)通頻帶相當(dāng)寬；3)能作反相或同相的差分放大；4)輸入阻抗相當(dāng)大；5)輸出阻抗很?。?)直流失調(diào)可設(shè)計(jì)到最??；7)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償；8)可加深度負(fù)反饋，以改善高頻特性；9)輸出級(jí)可輸出最大額定電流；10)在差分輸入狀態(tài)下，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力好（即共模抑制比高）。集成運(yùn)放的四個(gè)重要參數(shù)（1）增益帶寬乘積GBW

GBW=中頻開(kāi)環(huán)差模增益×上限截止頻率根據(jù)運(yùn)放的使用目的，在小信號(hào)狀

態(tài)下和在大信號(hào)狀態(tài)下，寬頻帶型

的定義是不同的。在小信號(hào)條件下使用的運(yùn)放是用單

位增益帶寬（在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下使其增

益下降到直流增益的0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)

的輸入工作頻率，用fT或GB表示）

來(lái)定義的。在大信號(hào)條件下工作的運(yùn)放是用最大輸出帶寬（不失真的最大輸出的頻率）、或增益帶寬積GBW（在開(kāi)環(huán)增益下降至直流增益的－3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率稱為增益帶寬，增益帶寬與增益的乘積就稱為增益帶寬積）。對(duì)于一個(gè)單極點(diǎn)放大器的頻率特性而言，其GBW是一個(gè)常數(shù)。（2）擺率（轉(zhuǎn)換速率）SR

擺率是表示運(yùn)放所允許的輸出電壓Vo對(duì)時(shí)間變化率的最大值。轉(zhuǎn)換速率通常用單位V/μs來(lái)表示。通用型運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率規(guī)定在5V/μs以下，而轉(zhuǎn)換速率在5V/μs以上者即為高性能運(yùn)放。例有一個(gè)以F007接成的電壓跟隨器電路，已知集成運(yùn)放F007的擺率SR＝0.5V/μs，請(qǐng)問(wèn)當(dāng)輸入一個(gè)頻率50kHz，幅度2V的正弦波，其輸出失真嗎？其不失真的最大輸出電壓多少？解：由擺率公式 正弦電壓 可以推出

所以電壓跟隨器電路不失真的最大輸出電壓

可見(jiàn)，當(dāng)輸入一個(gè)頻率50kHz，幅度2V的正弦波，其輸出失真。（3）共模抑制比CMRR此指標(biāo)的大小，表示了集成運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)（通常是一種干擾信號(hào)）的抑制能力。定義為開(kāi)環(huán)差模增益Avd和開(kāi)環(huán)共模增益Avc之比例某一放大器的差模輸入信號(hào)Vidm為10μV，而放大器的輸入端有10V的共模干擾信號(hào)。為使輸出信號(hào)中的有用信號(hào)明顯大于干擾信號(hào)，如何選擇運(yùn)算放大器的共模抑制比？解：為使輸出信號(hào)中的有用信號(hào)明顯大于干擾信號(hào)，取有用信號(hào)為干擾信號(hào)的2倍 Voc=Avc·Vic=10Avc(V)

Vod=2Voc=20Avc(V) 而Vod=Avd·Vid=10Avd×10-6 =20Avc

所以CMRR≥Avd/Avc=2×106 即CMRR≥126dB（4）最大差模輸入電壓VidM和最大共模輸入電壓VicMVidM是運(yùn)放兩輸入端間所能承受的最大差模電壓值。超過(guò)該值，輸入級(jí)某一側(cè)的晶體管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。VicM是兩輸入級(jí)能正常工作的情況下允許輸入的最大共模信號(hào)。當(dāng)共模輸入電壓超過(guò)此值時(shí)，集成運(yùn)放便不能對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大。2.運(yùn)放的三種輸入方式3.2.2高性能放大電路介紹1.數(shù)據(jù)放大器數(shù)據(jù)放大器又稱儀表放大器，它是在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的具有全面高指標(biāo)的放大器。要求：高增益、高共模抑制比、高精度（失調(diào)、漂移等很小）、高速（頻帶寬、擺率大）。適用于大的共模電壓背景下對(duì)緩變微弱的差值信號(hào)進(jìn)行放大，常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、生物信號(hào)等的放大。

數(shù)據(jù)放大器可以應(yīng)用三運(yùn)放組成，也可以應(yīng)用單片集成測(cè)量放大器。如通用型（如INA110、INA114/115、INA131）；

高精度型（如AD522、AD524、AD624）；

低噪聲低功耗型（如INA102、INA103等）；

可編程型（如AD526、PcA102等）2.可編程數(shù)據(jù)放大器簡(jiǎn)稱程控放大器，用一組數(shù)碼來(lái)控制放大器的放大倍數(shù)，根據(jù)輸入信號(hào)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。放大器的放大倍數(shù)是以2的冪次分檔。例如BB3606放大倍數(shù)的變化范圍從20~210分10檔。

3.跨導(dǎo)型放大器（電壓/電流轉(zhuǎn)換器）用于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送，為了消除導(dǎo)線電阻的影響和外界干擾造成的誤差，將信號(hào)電壓放大，并將其轉(zhuǎn)換為與其成正比的橫流源。流過(guò)電流表的電流IGUxR2R1+–++

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4.隔離放大器隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號(hào)，在工業(yè)控制、信號(hào)測(cè)量和醫(yī)療器械,信號(hào)放大等各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用。隔離放大器作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離,并按照一定的比例放大。在這個(gè)隔離、放大的過(guò)程中要保證輸出的信號(hào)失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數(shù)都要達(dá)到使用要求。對(duì)被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離,從而提高共模抑制比,同時(shí)保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全。3、選用運(yùn)放的注意事項(xiàng)（1）若無(wú)特殊要求，應(yīng)盡量選用通用型運(yùn)放。當(dāng)一系統(tǒng)中有多個(gè)運(yùn)放時(shí)，建議選用雙運(yùn)放（如CF358）或四運(yùn)放（如CF324等）。如系統(tǒng)要求精密，溫漂小，噪聲干擾低，則應(yīng)選擇高精度、低漂移、低噪聲的集成運(yùn)放。如系統(tǒng)要求運(yùn)放輸入阻抗高，輸入偏流小，則選擇高輸入阻抗運(yùn)放。若系統(tǒng)對(duì)功耗有嚴(yán)格要求，選低功耗運(yùn)放。若系統(tǒng)工作頻率高，則選擇寬帶、高速集成運(yùn)放。

（2）對(duì)于手冊(cè)中給出的運(yùn)放性能指標(biāo)應(yīng)有全面的認(rèn)識(shí)。

首先，不要盲目片面追求指標(biāo)的先進(jìn)，例如場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)的運(yùn)放，其輸入阻抗雖高，但失調(diào)電壓也較大，低功耗運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率必然也較低。其次，手冊(cè)中給出的指標(biāo)是在一定的測(cè)試條件下測(cè)出的，如果使用條件和測(cè)試條件不一致，則指標(biāo)的數(shù)值也將會(huì)有差異。（3）當(dāng)用運(yùn)放作弱信號(hào)放大時(shí)，應(yīng)特別注意選用失調(diào)以及噪聲系數(shù)均很小的運(yùn)放，如ICL7650。同時(shí)應(yīng)保持運(yùn)放同相端與反相端對(duì)地的等效直流電阻相等。此外，在高輸入阻抗及低失調(diào)、低漂移的高精度運(yùn)放的印刷底板布線方案中，其輸入端應(yīng)加保護(hù)環(huán)。（4）當(dāng)運(yùn)放用于直流放大時(shí)，必須妥善進(jìn)行調(diào)零。有調(diào)零端的運(yùn)放應(yīng)按推薦的調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零；若沒(méi)有調(diào)零端的運(yùn)放，則可參考圖3.6進(jìn)行調(diào)零。（5）為了消除運(yùn)放的高頻自激，應(yīng)參照推薦參數(shù)在規(guī)定的消振引腳之間接入適當(dāng)電容消振。同時(shí)應(yīng)盡量避免兩級(jí)以上放大級(jí)級(jí)連，以減小消振困難。為消除電源內(nèi)阻引起的寄生振蕩，可在運(yùn)放電源端對(duì)地就近接去耦電容，考慮到去耦電解電容的電感效應(yīng)，常常在其兩端再并聯(lián)一個(gè)容量為（0.01～0.1）pF的瓷片電容。（6）集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式，對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。

對(duì)稱雙電源供電方式運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端（地）的正電源（+E）與負(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。3.2.3A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和取樣/保持（S/H）電路（1）A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) ①分辨率：ADC的輸出數(shù)碼變化一個(gè)LSB（LeastSignificantBit最小有效位）時(shí)，輸入模擬量的“最小變化量”； ②精度指標(biāo)：量化誤差（舍入誤差±1/2LSB），零誤差（偏移誤差），滿量程誤差（增益誤差），線性誤差（線性度），滯后誤差； ③轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。采樣保持器 一般A／D變換過(guò)程包括采樣、保持、量化和編碼4個(gè)步驟。采樣是將輸入模擬量變?yōu)闀r(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的采樣信號(hào)（又稱為離散模擬信號(hào)），而幅值變?yōu)閿?shù)字量即為量化、編碼的過(guò)程。保持：由于模擬量隨時(shí)間連續(xù)變化，而完成A／D變換需要一定時(shí)間Δt，為使A／D變換結(jié)束時(shí)的值能代表采樣時(shí)刻的模擬量值，應(yīng)該在Δt內(nèi)保持送到A／D變換的模擬量值不變。2.工作原理1.采樣保持電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，

uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(kāi)(場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開(kāi)始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。

SuC+–ui+–uo+–++

–

采樣芯片和組件分類(lèi)（1）通用芯片：AD282K、AD583K、LF198／298／398，組件式SHA1134、SHA-5。（2）高速芯片：如HTS－0025、HTS-0060、HTC-0300、THC-1500，組件式有SHA－2A等。（3）高分辨率芯片：如SHA1144，組件式有SHA－6等。（4）低下降率組件：如SHA－3、SHA－4等。采樣保持器主要有以下兩個(gè)參數(shù)：（1）采集（捕捉）時(shí)間tAC

指電路收到“采樣”控制信號(hào)后，至模擬輸出電壓達(dá)到指定的誤差范圍如0.1％或0.01％之內(nèi)所需時(shí)間。它與輸入級(jí)的工作速度、保持電容的大小及輸入電壓的最大變化率有關(guān)。（2）保持電壓變化速率dVO／dt

在保持階段輸出電壓下降（或上升）的快慢，這是由電容的放電（或充電）所造成的。dVO／dt的大小與運(yùn)放A2輸入偏置電流、電子開(kāi)關(guān)K的漏電流及保持電容CH的大小及漏電等有關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中總希望采樣要快（即CH宜取?。?，保持下降要慢（即CH宜取大），顯然這是一個(gè)矛盾。最終CH的取值應(yīng)考慮所用的A／D變換器的速度和所要求的系統(tǒng)精度而定。注意：采樣保持器的供電電源必須進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波。取樣/保持電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用的一個(gè)部件，常用于逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的前端，以提高輸入到A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)的頻率。也可用來(lái)除去D/A轉(zhuǎn)換器輸出中的虛假信號(hào)等。采樣保持電路LF198的電路結(jié)構(gòu)圖例某10位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，用它采集50Hz的正弦信號(hào)是否需要接取樣/保持電路？計(jì)算所能采集的最大輸入信號(hào)頻率為多大？分析： 根據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間 可算出取樣最大頻率為100kHz

根據(jù)取樣定理（每一通道的取樣頻率必須大于通道的模擬信號(hào)頻譜中最高頻率成分的兩倍以上），輸入模擬信號(hào)的最高頻率只要小于50kHz即可。思考：能采集這么高頻率的信號(hào)嗎?從精度考慮，為了使獲得的數(shù)字值能精確表示A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換瞬間的模擬信號(hào)值，則要求在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)值的任何變化不能大于轉(zhuǎn)換器的一個(gè)LSB。有：VFS為A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程值，N為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)解：取幅值最大的正弦信號(hào)（幅值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程）： 其變化速率最大值：為保證A/D轉(zhuǎn)換器的精度不致因變換速率限制而下降，則輸入正弦信號(hào)的最高頻率fmax應(yīng)滿足： 即 故，需要加采樣保持電路。加采樣保持電路后，最大允許頻率為：TAP為采樣保持電路的孔徑時(shí)間——從發(fā)出保持命令到開(kāi)關(guān)真正斷開(kāi)這一小段延遲時(shí)間，其值遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間。3.2.4傳感器傳感器一般是指能將各種非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)碾娏康难b置。一般情況下傳感器產(chǎn)生的電壓（流）等電學(xué)物理量的信號(hào)值都相當(dāng)微弱的，難以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作，所以一般都是將傳感器和各種門(mén)電路、放大電路等結(jié)合在一起使用的。傳感器應(yīng)用的一般模式一、力傳感器的應(yīng)用——1電子秤應(yīng)變片能夠把物體形變這個(gè)力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電壓這個(gè)電學(xué)量（輸出應(yīng)變片上下表面的電壓差值）形變（力學(xué)量）電壓（電學(xué)量）轉(zhuǎn)換金屬梁壓阻式壓力傳感器利用壓阻效應(yīng)將壓力信號(hào)變換為電阻變化信號(hào)的傳感器。利用檢測(cè)電路把壓阻式壓力傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯纯杀浑娮酉到y(tǒng)處理。檢測(cè)電路通常是采用惠斯通電橋構(gòu)成的。壓力傳感器在低成本電子秤中的應(yīng)用電子秤基本結(jié)構(gòu)電子秤樣機(jī)電路A：電阻應(yīng)變式稱重傳感器B：RC濾波網(wǎng)絡(luò)輸入模擬信號(hào)范圍為（-AVDD/2，AVDD/2）

SDI提供SPI（串行外設(shè)接口）與MCU通信1、動(dòng)圈式話筒：膜片在聲波下振動(dòng)，使得與膜片相連的線圈中產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電流。二、聲傳感器的應(yīng)用——話筒2、電容式話筒：金屬膜片M

和固定電極

N

形成一個(gè)電容器,M

在聲波作用下振動(dòng),電容器的電容作周期性變化，電阻R

兩端的電壓也做相應(yīng)的周期性變化。絕緣支架3、駐極體話筒：它由內(nèi)部的駐極體塑料膜感受聲波，其工作原理與電容式話筒類(lèi)似，但是工作的電壓只須3～6V，＋＋＋－－－特點(diǎn)：體積小，重量輕，價(jià)格便宜，靈敏度高，常用在盒式錄音機(jī)、聲控玩具等便宜的家電上常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。三、溫度傳感器的應(yīng)用——1.電熨斗雙金屬片溫度傳感器：電燙斗的構(gòu)造思考與討論：●常溫下兩觸點(diǎn)是接觸還是分離？●如何用調(diào)溫旋鈕來(lái)升高或降低電燙斗的工作溫度？M2.冰箱溫度控制器(問(wèn)題與練習(xí)1)4、彈簧片1、測(cè)溫泡2、細(xì)管3、彈性金屬盒5、動(dòng)觸點(diǎn)6、靜觸點(diǎn)7、拉桿8、凸輪9、連桿思考與討論：1、為什么溫度較高時(shí)壓縮機(jī)自動(dòng)工作，達(dá)到設(shè)定低溫后就自動(dòng)停止工作？2、凸輪為什么可以改變?cè)O(shè)定的溫度？氯甲烷及它的蒸氣感溫鐵氧體的“居里點(diǎn)”：感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時(shí)便失去了鐵磁性，這個(gè)溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。3.電飯鍋電飯鍋的構(gòu)造思考與討論：●開(kāi)始做飯時(shí)為什么要壓下開(kāi)關(guān)按鈕？●若用電飯鍋燒水，水在沸騰以后是否會(huì)自動(dòng)斷電？四、光傳感器的應(yīng)用——1.鼠標(biāo)器鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，滾球帶動(dòng)x、y

方向兩個(gè)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外管接收到一個(gè)個(gè)紅外線脈沖。計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì)

x、y兩個(gè)方向上的脈沖信號(hào)，就能確定鼠標(biāo)的位置。2.火災(zāi)報(bào)警器光電三極管是煙霧火警報(bào)警器中的光傳感器。平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時(shí)，煙霧對(duì)光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報(bào)警電路工作。此電路在實(shí)際應(yīng)用中還需改進(jìn)，如樓道照明增加聲控開(kāi)關(guān)、路燈控制增加抗干擾附加電路。光敏電阻的應(yīng)用電路——照明燈自動(dòng)控制電路根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)：如果把通有電流的導(dǎo)體放在垂直于它的磁場(chǎng)中，則在導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一電勢(shì)差，它與電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，與導(dǎo)體厚度成反比。五、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的基本應(yīng)用電路控制電流（激勵(lì)電流）由電源E供給，其大小可由調(diào)節(jié)電阻RP來(lái)實(shí)現(xiàn)，霍爾片輸出端接負(fù)載Rj，Rj可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內(nèi)阻。在磁場(chǎng)和控制電流的作用下，負(fù)載上就有輸出電壓。在實(shí)際使用中，輸入信號(hào)可為電流I或磁感應(yīng)強(qiáng)度B，或者兩者同時(shí)作為輸入，則輸出信號(hào)可正比于I或B，或兩者之積?；魻杺鞲衅鞯牡湫蛻?yīng)用——測(cè)量轉(zhuǎn)速在非磁材料的圓盤(pán)邊緣上粘貼一塊磁鋼，將圓盤(pán)固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器固定在圓盤(pán)外緣附近，圓盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖，用頻率計(jì)測(cè)量這些脈沖，便可知道轉(zhuǎn)速。設(shè)頻率計(jì)的頻率為f，粘貼的磁鋼數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為n=60f/Z（r/min），若Z=60，則n=f，即轉(zhuǎn)速為頻率計(jì)的示值。若粘貼6塊磁鋼，則轉(zhuǎn)速為n=10f，這樣讀數(shù)與計(jì)算都比較方便。

（1）轉(zhuǎn)速測(cè)量原理霍爾傳感器的典型應(yīng)用——測(cè)量轉(zhuǎn)速（2）測(cè)量轉(zhuǎn)速電路測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置UGN3040是集電極開(kāi)路元件，外接上拉電阻。當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾IC的輸出也隨之變化，B點(diǎn)是經(jīng)過(guò)三極管反相后的輸出。后續(xù)電路可用計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)速。

3.2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)

所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指把動(dòng)力源獲得的能量變換成機(jī)械能，是機(jī)械工作的一種裝置，是系統(tǒng)控制的受控對(duì)象，具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指令所要求的動(dòng)作和功能。電氣執(zhí)行元件機(jī)械執(zhí)行裝置3.2.5.1電氣執(zhí)行元件

電氣執(zhí)行元件不需任何流體作為工作介質(zhì)，免除了介質(zhì)的可壓縮和泄漏等弊端。由于這些原因，電氣執(zhí)行元件是用途最廣泛的一類(lèi)執(zhí)行元件，特別是各種執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)按照電源形式分類(lèi)：直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)按照用途分類(lèi)：驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)（進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換）控制用電動(dòng)機(jī)（進(jìn)行控制信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳送）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)1.直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑過(guò)載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大控制方法簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快缺點(diǎn)：存在換向器，有磨損、電火花問(wèn)題，不適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)和易燃場(chǎng)合制造復(fù)雜，大容量直流電動(dòng)機(jī)成本較高直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性1機(jī)械特性：是一定控制電壓下轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。對(duì)于并勵(lì)或者永磁直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)控制電壓一定，轉(zhuǎn)速

和轉(zhuǎn)矩成負(fù)線性關(guān)系，

此系數(shù)絕對(duì)值越小，則

稱機(jī)械特性越硬。ωTUa增大直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性2調(diào)節(jié)特性：指一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨控制電壓變化的關(guān)系直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣，適用于軋鋼機(jī)、造紙機(jī)等高精度調(diào)速場(chǎng)合。UaωT增大直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖和電壓波形2.輸出電壓計(jì)算電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：Ouωt>SPWM波PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Ouωt>可逆PWM變換器集成驅(qū)動(dòng)電路由IR2103構(gòu)成的半橋驅(qū)動(dòng)器2交流異步電動(dòng)機(jī)交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本較低、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地在較為廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速(因變頻器價(jià)格較高)。以往在要求調(diào)速范圍較寬的設(shè)備中，多采用直流電動(dòng)機(jī)。同步與異步：轉(zhuǎn)速是否與所接交流電源頻率具有嚴(yán)格不變的關(guān)系(與磁場(chǎng)同步/異步)。交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法1.改變轉(zhuǎn)差率s，可在轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻來(lái)改變轉(zhuǎn)差率s。

這種方法成本低，易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)速機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行時(shí)電阻損耗很大。改變定子電壓U也可改變轉(zhuǎn)差率s，這種方法損耗也很大。損耗使電動(dòng)機(jī)的效率降低，特性變差。2.改變極對(duì)數(shù)p，這種方法調(diào)速是有級(jí)的，而且調(diào)速范圍窄。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)就已決定了p的可取值，往往是2或3。3.改變定子供電頻率f，可以無(wú)級(jí)地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，這種方法稱為變頻調(diào)速，如果定子電壓與定子供電頻率f協(xié)調(diào)，性能會(huì)更好。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速應(yīng)用日益廣泛。變頻調(diào)速變頻技術(shù)是先從電網(wǎng)輸入50Hz的交流電源，經(jīng)可控或不可控的整流器變成直流電壓，再由逆變器在控制下變換成所需的電壓和頻率，驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的

變頻調(diào)速對(duì)機(jī)

械特性的影響：變頻調(diào)速技術(shù)可控整流調(diào)壓-逆變調(diào)頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)是控制方法方便，調(diào)節(jié)性能比較好，缺點(diǎn)是可控整流器的功率因數(shù)低，而且產(chǎn)生的高次諧波成分多，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。不可控整流—斬波調(diào)壓—逆變調(diào)頻調(diào)速設(shè)備的功率因數(shù)高，調(diào)速范圍寬，但輸入電流中的高次諧波成分仍很多。交流—交流直接變頻調(diào)速脈寬調(diào)制變頻調(diào)速能同時(shí)完成調(diào)壓和調(diào)頻，電網(wǎng)功率因數(shù)高，調(diào)速范圍寬，從電網(wǎng)輸入的工作電流中的高次諧波成分少。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種無(wú)刷的同步直流電機(jī)，也是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電磁機(jī)械裝置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：1．運(yùn)行轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電壓波動(dòng)、電流波形及環(huán)境溫度變化的影響。2．位移量取決于輸入脈沖數(shù)，步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在不失步的情況下，每轉(zhuǎn)一周積累誤差等于零。3．在脈沖數(shù)字信號(hào)控制下，具有靈活的控制性能，能方便地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、加速、減速、停止、反轉(zhuǎn)、定位等運(yùn)行方式。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機(jī)。每來(lái)一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度(步距角)，帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。特點(diǎn)：(1)來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變方向。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理：定子轉(zhuǎn)子定子繞組

步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)磁極，六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。工作方式可分為：三相單三拍、 三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相

A相

A相

C相

B相

A相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來(lái)一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30

。此角稱為步距角，用

表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'A三相單三拍A相

B相

C相二、三相單雙六拍通電順序?yàn)椋篈

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。CA'BB'C'A3412工作過(guò)程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理二、三相單雙六拍A、B相同時(shí)通電，BB'磁場(chǎng)對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。AA'磁場(chǎng)繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。CA'BB'C'A3412A

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理二、三相單雙六拍

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15

。A

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。CA'BB'C'A3412總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15

。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理三、三相雙三拍通電順序?yàn)椋篈B

BC

CA

AB共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電CA通電CA'BB'C'A3412步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理三、三相雙三拍工作方式為三相雙三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30

。以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，我們知道步進(jìn)電機(jī)的角位移量與指令脈沖的個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向與通電方向有關(guān)。因此步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組電信號(hào)的通電斷電變化頻率、次數(shù)和通電順序。這個(gè)工作由脈沖分配器和功率放大器來(lái)完成。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源通常由環(huán)形分配器和功率放大器組成。

環(huán)形分配器主要功能是將插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以控制勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以環(huán)形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。

環(huán)形分配器的功能可由硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)硬件環(huán)形分配器

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的。真值表或邏輯關(guān)系式，采用邏輯門(mén)電路和觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般由與非門(mén)和J－K觸發(fā)器組成。常用的是專(zhuān)用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。

軟件環(huán)形分配器

按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求編制不同的軟環(huán)分程序，存入EPROM中。常用的是查表法步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)三相六拍環(huán)形分配器專(zhuān)用集成芯片CH250軟件環(huán)形分配

對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個(gè)進(jìn)給脈沖到來(lái)時(shí)，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是100，則對(duì)于下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個(gè)正向進(jìn)給脈沖，應(yīng)是010，而使步進(jìn)電機(jī)正向地旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)作業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)帶能自啟動(dòng)的、具有正反轉(zhuǎn)功能的三相六拍步進(jìn)脈沖分配電路。使用jk觸發(fā)器以硬件電路實(shí)現(xiàn)，寫(xiě)出設(shè)計(jì)過(guò)程，畫(huà)出電路圖。采用微程序法用直接尋址法進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫(huà)出MDS圖，列出微指令表并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖。采用微程序法用單測(cè)試雙地址法進(jìn)行設(shè)計(jì)，寫(xiě)出RTL算法，列出微指令表并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的電路圖。正轉(zhuǎn)111→000→110→010→011→001→101→100→110反轉(zhuǎn)111→000→110→100→101→001→011→010→110功率放大器

作用：將環(huán)形分配器發(fā)出的TTL電平信號(hào)放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組。

控制電路：最早的功率驅(qū)動(dòng)器采用單電壓驅(qū)動(dòng)，后來(lái)出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理單電壓驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用最早的一種電路形式,它的電路原理如右圖所示。它的突出特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單,成本低,在繞組回路中串接電阻,用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)是:串接電阻的做法將產(chǎn)生大量的熱,功耗較大,對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的正常工作極其不利,電流上升不夠快，尤其在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重。因而它一般用于小功率或起動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)高低電壓驅(qū)動(dòng)電路原理高低壓驅(qū)動(dòng)方式是在單電壓供電的基礎(chǔ)上,為了解決單電壓驅(qū)動(dòng)的快速性能不好而發(fā)展起來(lái)的一種供電技術(shù)。其基本思路是,在脈沖到來(lái)時(shí),在電機(jī)繞組的兩端先施加一較高電壓,從而使繞組的電流迅速建立,使電流建立時(shí)間大為縮短,在相電流建立起來(lái)之后,改用低電壓,以維持相電流的大小,這樣做可以減小限流電阻的阻值甚至去掉限流電阻,使電源的驅(qū)動(dòng)效率大為提高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)斬波驅(qū)動(dòng)電路為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷,發(fā)展了恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù),使步進(jìn)電機(jī)電流在額定值附近保持恒定。它充分利用了現(xiàn)有的電源電壓,能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作,極大改善了電流波形、矩頻特性,形成一個(gè)在額定電流值上下波動(dòng)呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。由于不需外接限流電阻,故使能耗大為降低,提高了電源效率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)斬波驅(qū)動(dòng)一、斬波恒流驅(qū)動(dòng)（利用斬波的方法使電流恒定在額定值范圍）三種驅(qū)動(dòng)電路的電流波形比較細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路（微步距

）是將一個(gè)步距角細(xì)分成若干點(diǎn)步的驅(qū)動(dòng)方式,在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角減小。用電的方法來(lái)進(jìn)行細(xì)分，使繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電，電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是使步距角減小，運(yùn)行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)3.3低頻模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例3.3.1電子系統(tǒng)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源分為：線性型和開(kāi)關(guān)型

①線性型穩(wěn)壓電源是一個(gè)線性反饋系統(tǒng)，其調(diào)整管、誤差放大器都工作在線性放大狀態(tài)。 其特點(diǎn)：性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)制作較簡(jiǎn)單，必須使用工頻變壓器，增加了體積、重量、損耗、降低效率，同時(shí)調(diào)整管的管耗也比較大。②開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源 其特點(diǎn)：調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，工作頻率較高（20kHz以上），調(diào)整管管耗很小，效率高。開(kāi)關(guān)電源的工作原理1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;2.通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;3.開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;4.輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)中由于中間沒(méi)有變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部都是電子元件，效率高、發(fā)熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點(diǎn)，但現(xiàn)在的屏蔽技術(shù)已經(jīng)非常到位。其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專(zhuān)用芯片,可以使外圍電路非常簡(jiǎn)單,甚至做到免調(diào)試。開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比較：

線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，也就是說(shuō)他一用起來(lái)功率器件就是一直在工作，所以也就導(dǎo)致他的工作效率低，一般在50%~60%，還得說(shuō)他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有降壓裝置，一般的都是變壓器。這樣一來(lái)他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)

熱量也大。他也有他的

優(yōu)點(diǎn)：紋波小，調(diào)整率

好，對(duì)外干擾小。適合

用與模擬電路，各類(lèi)放

大器等。

開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比較：開(kāi)關(guān)電源，他的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，（一開(kāi)一關(guān)，一開(kāi)一關(guān)，頻率非?？?，一般的平板開(kāi)關(guān)電源頻率在100~200KHz，模塊電源在３００～５００ＫＨＺ）．這樣他的損耗就小，效率也就高，對(duì)變壓器也有了要求，要用高磁導(dǎo)率的材料來(lái)做．他的變壓器就是一個(gè)字?。?/p>

效率８０％～９０％吧．

據(jù)說(shuō)美國(guó)最好的VICOR

模塊高達(dá)９９％．開(kāi)關(guān)電

源的效率高體積小，但是

和線性電源比他的紋波，

電壓電流調(diào)整率就有折扣

了。

總結(jié)：①開(kāi)關(guān)電源的體積和重量明顯小于同功率的線性電源。②開(kāi)關(guān)電源的效率高于線性電源。③開(kāi)關(guān)電源的適應(yīng)性強(qiáng)。④開(kāi)關(guān)電源的輸出端不易出現(xiàn)過(guò)壓故障。⑤開(kāi)關(guān)電源適宜于低電壓、大電流的輸出。⑥輸出端大的紋波電壓和產(chǎn)生的脈沖干擾是開(kāi)關(guān)電源的主要缺點(diǎn)。⑦開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)比線性電源的瞬態(tài)響應(yīng)要差。4.3.1.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓可調(diào)的數(shù)控電壓源：①輸出電壓：2～20V，調(diào)節(jié)單位0.1V②電壓穩(wěn)定度：（△Vo/Vo）小于0.2％，紋波電壓小于10mV（所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。）③輸出電流：1A④輸出電壓值由數(shù)碼管顯示，并由“＋”、“－”兩鍵控制輸出電壓步進(jìn)增減⑤電源具有輸出短路保護(hù)和功率器件的過(guò)熱保護(hù)功能分析由于本任務(wù)要求的輸出功率小，應(yīng)首先采用線性穩(wěn)壓源。如果改用開(kāi)關(guān)電源的程式，由于控制電路（振蕩器、脈寬調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、比較放大、基準(zhǔn)電源等）已集成在一個(gè)芯片（如：MC3420），目前設(shè)計(jì)工作并不復(fù)雜。所以，采用線性電源設(shè)計(jì)方案。4.3.1.3方案論證與框圖方案一：方案二：4.3.1.3方案論證與框圖方案三：4.3.1.3方案論證與框圖4.3.1.4主要單元電路參數(shù)的選定和方案的實(shí)現(xiàn)圖中有極性電容C1、C3參數(shù)的選定：根據(jù)電容的放電時(shí)間常數(shù)大于其充電周期的（3~5倍）工頻頻率50Hz，充電周期10msC1=0.05s/25Ω=2000μFV=1.4×25=35VC2=0.05s/9Ω=5500μFV=1.4×9=12.6V調(diào)壓電路穩(wěn)壓器和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻參數(shù)的選定：由于Iq>5mA，故：R1=1.25V/5mA=250ΩR=0.1V/5mA=20Ω接口和驅(qū)動(dòng)電路：J為繼電器§3-4鎖相環(huán)系統(tǒng)環(huán)路基礎(chǔ)理論知識(shí)

鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-LockedLoop,簡(jiǎn)稱PLL。其作用是使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來(lái)。

鎖相環(huán)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個(gè)采樣時(shí)鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時(shí)基的相位都是同步的，從而采樣時(shí)鐘也是同步的。因?yàn)槊繅K板卡的采樣時(shí)鐘都是同步的，所以都能?chē)?yán)格地在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。1.鎖相環(huán)的基本組成鎖相環(huán)的基本組成：由鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF、壓控振蕩器VCO組成。鎖相環(huán)的工作原理（1）壓控振蕩器的輸出經(jīng)過(guò)采集并分頻；（2）和基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)輸入鑒相器；（3）鑒相器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓；（4）控制VCO，使它的頻率改變；（5）這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，VCO的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。鎖相環(huán)跟蹤特性環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對(duì)輸入信號(hào)的頻率和相位不變而言的，若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號(hào)，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位變化，則這時(shí)環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。同步帶△ωH、捕捉帶△ωP用雙蹤示波器同時(shí)觀察Vi和Vv的波形，

并用頻率計(jì)測(cè)量Vv的頻率fv。先調(diào)節(jié)信

號(hào)源頻率fi<fv，使環(huán)路失鎖。然后，

緩慢地調(diào)節(jié)信號(hào)源頻率使fi逐步升高，

注意觀察Vi和Vv的波形，用頻率計(jì)測(cè)出

Vi和Vv剛剛進(jìn)入同步狀態(tài)（Vi和Vv同為

穩(wěn)定的，形狀清晰的波形）時(shí)所對(duì)應(yīng)的

頻率fi（與fv相等），記為f1，繼續(xù)升高

fi，直至Vi和Vv剛剛脫離同步狀態(tài)（Vi為不穩(wěn)定的、模糊不清的波形）時(shí)所對(duì)應(yīng)的fi，記為f2’。再反方向調(diào)節(jié)fi，使之逐步降低，直至Vi和Vv又重新剛剛進(jìn)入同步狀態(tài)，測(cè)出此時(shí)的fi，記為f2，接著繼續(xù)降低fi，直至Vi和Vv又重新脫離同步狀態(tài)，測(cè)出此時(shí)的fi，記為f1’。

所謂同步帶是指環(huán)路原先是鎖定，能維持鎖定狀態(tài)的最