《电子综合设计与实训》第二章 第2章 基本单元电路设计制作训练 2.1集成稳压电源的设计 电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中，大部分电子仪器设备、家用电器、计算机都需要把交流电源变换为直流稳压电源。 2.1.1直流稳压电源的基本原理 直流电源由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分组成，它的方框图如图2.1.1所示；其中变压器是把有效值为220V的交流电压变换为幅值为几伏到几十伏的交流电；整流电路是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电；滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分；稳压电路对整流后的直流电压采用稳压及负反馈技术进一步稳定直流电压。 图2.1.1 直流电源的组成框图 1、整流电路 它主要由单相半波整流电路、全波整流电路或单相桥式整流电路来构成。如图2.1.2所示 （a）单相半波整流电路 （b）全波整流电路 （c）单相桥式整流电路 图2.1.2整流电路 全波桥式整流电路参数计算 1）输出电压平均值UO（AV）： 2）输出电流平均值IO（AV）： 3）脉动系数S： 4）二极管的平均电流ID（AV）：等于负载电流的平均值IO（AV）一半 5）二极管所承受的最大反向电压URMAX：： 滤波电路 1）滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。 2）电容滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。 图2.1.3单相桥式整流电容滤波电路 电容滤波电路参数的计算 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法： 一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RLC=（35） 的条件下，近似认为VO=1.2V2。 三端固定式稳压器 将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图所示，外形如图所示。 要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。 图2.1.4三端固定式稳压器 1）W7800系列 输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流：1.5A（W7800）、0.5A （W78M00）、0.1A（W78L00） 2）基本应用 将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路。二极管D使Co不通过稳压器放电，Ci抵销长线电感效应，消除自激振荡，C0消除高频噪声。 图2.1.5 78系列三端稳压器基本应用电路 3）输出电压可调稳压电路 图2.1.7使输出电压可调稳压电路 4、可调式三端稳压器 三端可调式集成稳压器输出电压可调，稳压精度高，输出纹波小，只需外接两只不同的电阻，即可获得各种输出电压。 其中，CW317系列稳压器输出连续可调的正电压，CW337系列稳压器输出连续可调的负电压，。稳压器内部含有过流、过热保护电路。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压 Vo≈1.25(1+RP1/R1) R1的值为120 ~240Ω，流经R1的泄放电流为5mA～10mA。RP1为精密可调电位器。电容C2 与RP1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路 时，损坏稳压器。集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允 许电流ICM
分析
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方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理列出放大倍数表达式。 反相比例运算电路 （1）电路的组成如图2.2.1所示。 图2.2.1反相比例运算电路 （2）电路的放大倍数及特点 由分析得电路的放大倍数为 特点 ①输入信号接入反相输入端，uN点虚地，其输出信号与输入信号反相。 ②电路不存在共模信号。 ③放大倍数可以大于1，可以小于1，也可以等于0。 ④因为电路引入电压并联负反馈，故电路的输入阻抗较低，即Ri=R1。 同相比例运算电路 （1）电路的组成如图2.2.2所示。 图2.2.2同相比例运算电路 （2）电路的放大倍数及特点 由分析得电路的放大倍数为 特点 ①输入信号接入同相输入端，故其输出信号与输入信号同相。 ②电路存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放。 ③放大倍数只能大于或等于1。 ④因为电路引入电压串联负反馈，故其输入阻抗很高。 2、加减运算电路 分析方法，利用虚短、虚断的概念、结电电压法或叠加定理列出输出方程。 反相求和运算电路 电路的组成如下图所示 图2.2.3反相求和运算电路 （2）电路的分析及特点 电路的输出表达式为 电路的特点与反相比例运算电路的特点类似。 同相求和运算电路 电路的组成如下图所示 图2.2.4反相求和运算电路 （2）电路的分析及特点 电路的输出表达式为 电路的特点与同相比例运算电路的特点类似。 加减运算电路 电路的组成如下图所示 图2.2.5加减运算电路 （2）电路的分析及特点 电路的输出表达式为 如果选取电阻值满足 ， 则有 即输出电压与两个输入电压之差成比例。 该电路也存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放，才能保证一定的运算精度。另外该电路还可用两级反相求和运算电路实现，此时电路不存在共模信号。 3、积分运算电路 分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理及电容端电压与通过它的电流的关系列出输出方程。 电路的组成如图2.2.6所示。 图2.2.6积分运算电路 电路的分析 利用上述分析方法可得电路的输出表达式 上式表明输出电压为输入电压对时间的积分。 在求解t1到t2时间段的积分电压值时 式中uo（t1）为t1时刻电容上存的初始电压。 电路对不同输入信号的响应 （1）当输入信号为阶跃信号时，在它的作用下，电容将近似恒流方式进行充电，输出电压与时间成近似线性关系。因此 但由于受集成运放最大值的限制，当输出电压达到最大饱和电压后，将不再变化。 （2）当输入信号为方波信号时，输出为三角波。 （3）当输入信号为正弦信号时，输出为滞后90o的正弦波。 4、微分运算电路 电路的组成如图2.2.7所示。 图2.2.7微分运算电路 电路的分析 利用上述分析方法可求得电路的输出表达式 上式表明输出电压正比与输入电压对时间的微分。 5、测量放大电路 在精密测量和控制系统中，需要把来自各种传感器的电信号在共模条件下按一定的倍 数精确地放大，这些电信号往往是微弱的差值信号，这就要求放大电路具有很大的共模抑 制比，极高的输入电阻，放大倍数能在大范围内可调，且误差小、稳定性好等特点，这样 的放大电路称之为测量放大电路，又称为精密放大电路或仪用放大电路。典型的测量放大 电路如图2.2.8 所示，图中所有电阻均采用精密电阻。 图2.2.8 三运放测量放大电路 1. 电路结构与特性 如图2.2.8 所示是由三个运算放大器组成的测量放大电路，两个对称的同相放大器A1、 A2 构成第一级，差动放大器A3 构成第二级。为提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的 影响，应使电路上下对称，即取R1=R2，R4=R6，R5=R7。若A1、A2、A3 都是理想运放，则 V1=V4，V2=V5，故有 由上两式，可得 整个放大器的闭环放大倍数： 调节 RG 就可方便地改变放大倍数，且RG 接在运放A1、A2 的反相输入端之间，它的阻 值改变不会影响电路的对称性。 由此可见，测量放大电路具有以下的特点： (1) 测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件。 (2) 具有高输入阻抗、低输出阻抗。 (3) 具有强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 (4) 在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。 信号产生电路 2.3.1方波产生电路 矩形波产生电路是一种能够直接产生矩形波的非正弦信号发生电路。由于矩形波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。 由运放组成的矩形波产生电路 矩形波产生电路如图2.3.1所示，图中参数R1，R2，RRP1可根据具体应用情况调整,而振荡的频率取决于R,C的大小，频率计算
公式
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为 图2.3.1由运放组成的矩形波产生电路 晶振和运放组成的矩形波产生器 图2.3.2中的输出信号频率决定于晶振的频率，其中电阻R4=2KΩ用作运算放大器输出级集电级开路的负载。 图2.3.2晶振和运放组成的矩形波产生器 3、555电路组成的矩形波产生电路 电路特点：充放电电路分开。充电路径：tw1=RACln2，放电路径：tw2=RBCln2 占空比：q=tw1/(tw1+tw2) =RA / (RA+RB) ，通过调节R2来调节占空比 图2.3.2 555电路组成的矩形波产生电路 2.3.2正弦波产生电路 图2.3.3正弦波产生电路 图2.3.3是一个桥T型RC振荡器，电路中C1=C2=C3，振荡频率为 ， 。为了减小失真，Q值不大于5，R1/R2=100，正反馈系数F=R3/(R3+R4)。 2.3.3三角波产生电路 图2.3.4中运放采用4136，U1A是一个门限检测器，U1B是一个积分器，RW用于幅度调节，RP控制C1的充电电流,进行频率调节。 图2.3.4三角波产生电路 2.3.4多种信号发生器 图2.3.5由555组成的多种信号发生器 该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3 RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示。 图2.3.6 采用8038的函数发生电路 如图2.3.6所示为采用8038的函数发生电路。采用集成电路芯片8038构成的函数发生器可同时获得方波、三角波和正弦波。三角波通过电容恒流放电而直接形成；方波由控制信号获得；正弦波由三角波通过折线近似电路获得。通过这种方式获得的正弦波不是平滑曲线，其失真率为1％左右，可满足一般用途的需要。电路中的电位器PR1用于调整频率，调整范围为20Hz到20kHz。PR2用于调整波形的失真率，PR3用于调整波形的占空比。 2.4 信号处理电路 信号处理电路主要利用集成运算放大器或专用模拟集成电路，配以少量的外接元件可以构成各种功能的处理电路。主要功能有信号放大、信号滤波、阻抗匹配、电平变换、非线性裣、电流/电压转换、电压/频率转换等。 2.4.1有源滤波电路 滤波电路的作用实质上是“选频”，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分的频率的信号被急剧衰减。在无线电通信，自动测量及控制系统中，常常利用滤波电路进行草拟信号的处理，如用于数据传送，抑制干扰等。 滤波电路的种类有很多，这里主要介绍集成运放和RC网络组成的有源滤波电路。 根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即低通（LPF）、高通(HPF)、带通(BPF)和带阻(BEF)滤波器. 图2.4.1所示电路是由运放组成的有源低通滤波器，R1/R2，C/C2可以是各种值，图中选用R1=R2，C=2C2，截止频率为 。 图2.4.1 由运放组成的有源低通滤波器 图2.4.2是由运放组成的多功能有源滤波电路，可以提供低能、带通、高通三种滤波特性，当信号从反相端输入时，高通、低通输出端信号的截止频率均为 ， ，当信号从同相端输入时，带能中心频率为 ， 。 图2.4.2 由运放组成的多功能有源滤波电路 2.4.2 电压-频率、频率、电压变换电路 电压—频率变换电路（VFC）能把输入信号电压变换成相应的[频率信号，即它的输出信号频率与输入信号的电压值成正比例，故又称之为压控振荡器（VCO）。VFC广泛的应用于调频、调相、模数变换（A/D）、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测控设备中。由通用模拟集成电路的VFC电路，尤其是专用模拟集成电压—频率转换器，其性能稳定、灵敏度高、非线性误差小。 VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关电路等三部分组成。各种类型VFC电路的主要区别在于复位方法及复位时间不同而已。下面将讨论由运算放大器构成的各种VFC电路和典型的模拟集成电压—频率转换器。 模拟集成电压—频率、频率—电压转换器，具有精度高、线性度高，温度系数低、功耗低、动态范围宽等一系列优点，目前已广泛地应用于数据采集，自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集成电压—频率、频率—电压转换器大多采用恒流源复位型VFC电路做基本电路。 图2.4.3所示电路，采用多谐振荡器CA3130，产生恒定幅度和宽度的脉冲。输出电压经积分电路（R 、C ）加到比较器的同相输入端，比较器输出经R 、VD 反馈至A 的反相输入端。输入电压范围在0~10V，输出频率在0~10kHz，转换灵敏度为1kHz/V。 图2.4.3 电压/频率转换电路 图2.4.4所示的电路为利用比较器SF339（或LM339）组成压控振荡器。电路由三个部分组成，A比较器构成积分器，控制电压U 对电容充电；B比较器接成施密特触发器，实现三角波到方波的转换；C比较器接为控制开关，控制电容器的放电。 图2.4.4 用比较器组成的压控振荡器 图2.4.5所示电路中，施密特反相器CC40106的U 端接至运算放大器的“虚地”端。输入为低电平时，反相器输出为高电平对C 充电；输入为高电平时，C 放电。在一个周期内平均放电电流为I=Q/T=U C f，输出电压U =-IR=-U RC f，电容C 、C 有抑制开关尖峰，起平滑滤波的作用。 图2.4.5 频率/电压转换器 2.5声音报警电路 1、分立元件制作的声音报警电路 图2.5.1所示电路中，LM555电路构成的高频多谐振荡器由启动信号启动后，使LM555的第4脚为高电平，可以产生音频信号，VT1则用做音频放大器和扬声器的驱动。实际应用时，也可以将扬声器的电容隔离后接在第3脚的电阻上。 图2.5.1 555电路组成的声音报警电路 图2.5.2所示电路中，或非门CD4001A和B构成低频振荡器，在启动信号（低电平有效）触发下，使或非门A的一个输入端为逻辑“0”，振荡器从而被激发，它产生的低频方波对高频振荡器（由C和D门组成）进行门控制，以产生大约1KHZ的信号。调整R1可以改变低频信号的频率，调整R2可以改变音调。 图2.5.2 或非门组成的声音报警电路 传感器及其应用电路 2.6.1传感器种类介绍 1、传感器的定义 传感器的定义是：能感受
规定
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的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的分类 被测量分类 这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按传感器工作原理分类 这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。如：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。 按能量的关系分类， 即将传感器分为有源传感器和无源传感器。 按输出信号的性质分类 即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。 2.6.2 霍尔传感器与应用电路 1、基本原理 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。 利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍耳元件也叫霍耳传感器。霍耳元件由霍耳片、 引线和壳体组成, 如图2.6.1所示 图2.6.1 霍耳效应与霍耳元件 霍耳电压： KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。 2、霍耳集成传感器 集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成到一起，实现了材料、元件、电路三位一体，有霍耳开关集成传感器和霍耳线性集成传感器。 基本应用电路如图2.6.2所示，Rp 用来调节激励电流的大小，电源E 用以提供激励电流I，霍耳元件输出端接负载电阻RL(也可以是测量仪表的内阻或放大器的输入电阻等)霍耳效应建立的时间很短，所以也可以用频率很高的交流激励电流(如1012Hz 以上)，由于霍耳电势正比于激励电流I 或磁感应强度B，或者二者的乘积，因此在实际应用中，可以把激励电流I 或磁感应强度B，或者二者的乘积作为输入信号进行检测。 图2.6.2 基本应用电路 3、典型应用 1）转速计 转速计原理如图2.6.3 所示，磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，将霍耳元件移置旋转 盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍耳元件。当被测转轴转动时，磁性转盘 随之转动，固定在转盘上的霍耳传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲电 压，用频率计测量这些脉冲，检测出单位时间内脉冲电压的个数，便可知被测转轴的旋转速度，从而实现转速的检测。转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率就越高。 设频率计的频率为f，小磁铁数量为Z，则转轴转速为：n=60f/Z（r/min） 图2.6.3 转速计 2）位移传感器 在两个极性相反、磁感应强度相同的磁钢的气隙中，放置一个霍耳元件，保持霍耳元 件的控制电流恒定，而使霍耳元件在一个均匀的梯度磁场中沿着x方向移动，如图2.6.4所示。 图2.6.4 霍耳式位移传感器原理示意图 若控制电流I 恒定不变，霍耳电压与磁感应强度B成正比，则磁场在一定范围内沿着x的方向的变化dB / dx为常数，因此元件沿x方向移动时，霍耳电压的变化为 式中，K 为位移传感器输出灵敏度 对上式积分得U H = Kx 上式表明霍耳电压与位移成正比，电压的极性表示了元件位移的方向。这种位移传感器可用来测量1mm～2mm 的小位移，且惯性小、响应速度快。利用这种 位移与电压转换关系，还可以用来测量力、压力、压差、液位、流量等。 2.6.6 超声波传感器与应用电路 超声波传感器可以用来测量距离，探测障碍物，区分被测物体的大小。 1、 超声波及其物理性质 超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。 图2.6.5 超过20KHz称为超声波，检测常用的超声波频率范围为几十kHz~几十MHz。 超声波种类 ① 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。 ② 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。 ③ 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 超声波的传播速度 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，仅有纵波的传播，其传播速度c为 式中：ρ--介质的密度；Bn--绝对压缩系数。上述的ρ、Bn都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。 气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系， 通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。 反射与折射现象 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。 传播中的衰减 随着超声波在介质中传播距离的增加，由于介质吸收能量而使超声波强度有所衰减。 2、超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。 它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头； 而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 图2.6.6 压电式超声波传感器结构及外形 3 、超声波传感器应用 1）超声波测距 可以应用于汽车倒车、建筑
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工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。 首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 可以采用单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 图2.6.7 超声波测距器的系统框图 硬件部分 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。 单片机系统及显示电路 超声波发射电路 超声波接收路电 软件部分 主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。 超声波测距器的算法设计 距离计算公式： d=s/2=(c*t)/2 主程序 3.6.4金属传感器与应用电路 1、集成金属传感器包括两种类型：电感式接近开关和电容式接近开关。 电感式接近开关 电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。 图2.6.8电涡流接近开关原理框图 几种常用的电感开关的外形如图2.6.6所示。 图2.6.9 几种常用的电感开关的外形 电容式接近开关 图2.6.10电容接近开关原理框图 原理框图如2.6.7所示。测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 图2.6.11常用的电感开关的外形 3.6.5温度传感器与应用电路 热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电 磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。在热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法较多，其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶，将温度转换为电阻大小变化的热电式传感器叫热电阻。 热电偶温度传感器 基本原理 两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生一个方向和大小与材料及两点的温度有关的电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。 应用电路 冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图2.6.12所示。RT为传感器。 图2.6.12 冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路 热电阻温度传感器 工作原理 热电阻温度传感器就是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数 进行检测的装置。它主要用于测量－200℃～500℃范围内的温度。它随温度变化的特性， 可用特性方程表示为 式中Rt 、R0 ——热电阻在t℃和0℃时的电阻值； α ——热电阻的电阻温度系数(1/℃)。 对于绝大多数金属导体，α 值并不是一个常数，而是随温度而变化，但在一定温度范 围内，α 可近似视为一个常数，不同的金属导体，α 保持常数所对应的温度范围也不同。 主要类型 铂热电阻。铂具有稳定的物理、化学性能，是目前制造热电阻的最好材料，它通常用作标准温度计。 铜热电阻。铜热电阻和铂电阻相比具有温度系数大，价格低，而且易于提纯等优点，但存在电阻率小，体积较大，热惯性也大，机械强度差等缺点。 铟、锰、碳等热电阻铂、铜热电阻用于低温和超低温测量时性能不够理想，而铟、锰、碳等热电阻材料都是测量低温和超低温的理想材料。 测量电路 热电阻传感器的测量电路最常用的是电桥电路，若要求精度高，可采用自动电桥。由 于工业用的热电阻安装在生产现场，离控制室较远，那么热电阻的引出线会对测量结果有 较大影响，且由于连接导线随环境温度变化而变化，也会给测量结果带来误差。为了减小引出线电阻的影响，常采用三线或四线连接方法，如图2.6.13所示。 图2.6.13 热电阻传感器的测量电路 3、半导体热敏电阻 半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。 热敏电阻分类 热敏电阻可分为三种类型，即：正温度系数（PTC）热敏电阻，负温度系数（NTC）热敏电阻，在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。 半导体热敏电阻的应用 由于热敏电阻具有许多优点，所以应用范围很广，可用于温度测量、温度控制、温度 补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气体和液体分析、火灾报警、过热保护等方面。下面介 绍几种主要方法。 热敏电阻测温电桥 热敏电阻测温电桥如图2.6.14所示。 图2.6.14热敏电阻测温电桥 热敏电阻作温度补偿用 通常补偿网络是由热敏电阻器R T 和与温度无关的线性电阻器R1 和R2 串并联组成，如 图2.6.15所示。 图2.6.15 补偿网络 补偿温度范围为T1 ～ T2 。对于晶体管低频放大器和功率放大器电路的温度补偿，可用 公式来确定热敏电阻器的型号。 4、集成温度传感器 集成温度传感器除了与半导体热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点外，还有线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点。虽然由于PN 结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测量150℃以下的温度，但在许多领域得到了广泛应用。目前集成温度传感器主要分为三大类：一类为电压型集成温度传感器；另一类为电流型集成温度传感器；还有一类是数字输出型。 （1）工作原理 下面以AD590 为例说明集成温度传感器的工作原理。 AD590 属于电流型集成温度传 感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变 换成电压，因此这种传感器应用十分方便。要指出的是，AD590 集成温度传感器的输出电 流是整个电路的电源电流，而这个电流与施加在这个电路上的电源电压几乎无关。 图2.6.13为AD590的电路原理图。 图2.6.16 AD590电路原理图 温度控制 图2.6.17是应用AD590 用于简单温度控制的例子。 图2.6.17 应用AD590 用于简单温度控制电路 （3）数字输出型集成温度传感器的应用 美国DALLAS 公司生产的单线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串 行数字信号供计算机处理。如图2.6.18所示为DS1820 的管脚排列图。 图2.6.18 DS1820 的管脚排列图 由于每片DS1820 含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820 芯片。从DS 1820 读出的信息或写入DS1820 的信息，仅需要一根口线(单线接口)。读写及 温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820 供电，而无需额外电 源。DS1820 提供9 位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。DS1820 测 量温度时使用特有的温度测量技术。其测量电路框图如图2.6.19所示。 DS1820 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号0 f ，高温度系数振荡器则将 被测温度转换成频率信号f 。当计数门打开时，DS1820 对0 f 计数，计数门开通时间由高 温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿，测量结果 存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9 位(符号点1 位)，但因符号位扩展成高8 位，故以16 位编码形式读出。 图2.6.19 测量电路框图 2.6.6 光电传感器与应用电路 1、主要类型 反射式：将发光器与光敏器件置于一体内，发光器发射的光被检测物反射到光敏器件。 透射式：将发光器与光敏器件置于相对的两个位置，光束也是在两个相对的物体之间，穿过发光器与光敏器件的被检测物体阻断光束，并启动受光器。 聚集式：将发光器与光敏器件聚集于特定距离，只有当被检测物体出现在聚集点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。 2、应用举例 路灯光电控制器 图2.6.20 路灯光电控制器 灯光亮度自动控制器 图2.6.21灯光亮度自动控制器 光控闪烁安全警示灯 图2.6.22 光控闪烁安全警示灯 液位控制电路 图2.6.23 液位控制电路 光电开关检测物体 图2.6.24光电开关基本电路 2.7 功率驱动电路 2.7.1 直流电动机驱动接口电路 1、直流电动机电枢的调速原理 根据电机学可知,直流电动机转速n的表达示为: n=（U—IR）/（Kφ） （2.7.1） 式中U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；φ为每极磁通量；K为电动机结构参数。 由式（2.7.1）可知，直流电动机的转速控制方法可分为两大类：对励磁磁通量进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和转向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感大，动态响应较差，所以这种控制方法较少使用。现在，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。本节介绍的是在保证励磁恒定不变的情况下，采用PWM来实现直流电动机的调速方法。 在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，半导体功率器件在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式，半导体功率器件工作在线性区，优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小。但是功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电枢电压，从而实现电动机转速的控制。 直流电动机PWM调速控制原理图和输入电压波形如图2.6.27所示。在图2.7.1中，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U 。t 秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t 秒后，驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U 为： U =（t ×U ＋0）/（t ＋t ）=( t ×U )/T=D U （2.7.2） 式中D为占空比，D= t /T。 占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为0≤D≤1。由式（2.7.2）可知，当电源电压U 不变的情况下，电枢两端电压的平均值U 取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了电枢两端电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。 在PWM调速时，占空比D是一个重要参数。改变占空比的方法有定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法等。在定频调宽法，同时改变t 和t ，但周期T（或频率）保持不变。 图2.7.1PWM调速控制原理和电压波形图 2.直流电动机电枢调速的电路设计 直流电动机驱动电路主要用来控制直流电动机的转动方向和转动速度。改变直流电动机两端的电压可以控制电动机的转动方向。控制直流电动机的转速，有不同的
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。竞赛中对玩具电动机控制，可以采用由小功率三极管8050和8550组成的H型PWM电路。 图2.7.2 直流电动机PWM驱动电路 直流电动机PWM驱动电路如图2.7.2所示，电路采用功率三极管8050和8550，以满足电动机启动瞬间的大电流要求。 当A输入为低电平时，B输入为高电平时，晶体管功率放大器VT 、VT 导通，VT 、VT 截止。VT VT 与直流电动机一起形成一个回路，驱动电动机正转。当A输入为高电平，B输入为低电平时，晶体管功率放大器VT 、VT 截止，VT 、VT 导通，VT 、VT 与直流电机形成回路，驱动电动机反转。4个二极管起到保护晶体管的作用。 功率晶体管采用TP521光耦器驱动，将控制部分与电动机驱动部分隔离。光耦器的电源为+5V，H型驱动电路中晶体管功率放大器VT 、VT 的发射极所加的电源为12V。 2.7.2步进电机及驱动电路 1.步进电机工作原理及工作方式简介 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就旋转一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式、永磁式和混合式三种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向导磁率最大（或磁阻最小）的位置转动，即趋于对齿的状态转动。 下面以三相步进电机为例，对三相步进电机的单、双三拍通电方式和六拍工作方式的原理进行介绍。 单三拍工作方式 设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置（图a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和C、C′极对齐（图c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按A→C→B→A→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。各通电的波形如图2.7.3所示。 （a） （b） （c） 图2.7.3单三拍通电方式时转子的位置 双三拍工作方式 如果每次都是两相通电，即按A、B→B、C→C、A→A、B→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图b，和图d可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ可用下式计算： θ＝360°/Zr×m 式中Zr是转子齿数；m是运行拍数。 一般步进电动机最常见的步距角是3°或1．5°。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90°），而有40个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图2.7.4所示。 图2.7.4 三相反应式步进电动机的结构图 六拍工作方式 设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。 a.A相通电 b.A、B相通电 c.B相通电 d.B、C相通电 图2.7.5 六拍通电时转子位置 2.步进电机驱动电路 步进电机的驱动方式有很多种，主要有单电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动等，使用要根据实际情况选择使用。下面介绍单电压驱动和集成电路驱动方式。 单电压驱动 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只采用一个电压源对绕组供电，如图2.7.6所示特点是电路简单。电路中的限流电流R 决定了时间常数，但R 太大会使绕组供电电流减小，会使电动机的高频性能下降。在R 两端并联一个电容，可是使电流的上升波形变陡，改善高频特性，但又会使低频特性变差。同时R 要耗能，效率较低。 图2.7.6单电压功率驱动接口及单步响应曲线 集成电路驱动 目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。 L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图2.7.7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动 图2.7.7 L298原理框图 与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。 图2.7.8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。 图2.7.8 专用芯片构成的步进电动驱动系统 2.7.3 继电器电路 典型的电磁继电器驱动电路如图2.7.9所示。其中RL为负载。 图2.7.9 典型的电磁继电器驱动电路 2.7.4固态电器电路 1.固态继电器简介 固态继电器（SSR）是一种无触点通断型电子开关，是一种四端有源器件，其中两个端子为控制输入端，号外两个端子为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件采用高耐压的专用光耦合器。当输入信号有效时，主电路呈导通状态；无信号时，呈阻断状态。可是实现类似电磁继电器的开关功能。 SSR时将,MOSFET、GTR、普通晶匣管合双向晶匣管等组合在一起，与触发驱动电路封装在一个模块中，而且驱动电路与输出电路隔离。SSR可以分为直流控制直流输出SSR、交流控制交流输入输出SSR、直流控制交流输出SSR。交流SSR又有单相合三相之分。安装方式有印刷方式安装和平面安装方式。 2.固态继电器使用注意事项 ①对印刷板安装式的SSR，在布置印制板的输入控制与输出功率线时，应充分考虑到输入与输出间绝缘电压的要求，输入与输出线之间应留有充分的绝缘距离。 ②使用平面安装式固态继电器时，应确保所使用安装表面的平面度小于0.2mm，其表面应光滑，表面粗糙度应小于0.8μm。 ③SSR的控制方式有过零控制及移相控制两种，用户使用时要正确的选用型号，以免出错。使用移相控制的交流固态继电器时，应注意对电网的谐波影响，必要时应接入串联滤波器。 ④选用SSR要留有足够的安全裕量，以防负载短路或瞬时过电压引起的冲击，并应在输出端与负载之间串联适量的快速熔断器，在控制感性负载或容性负载时，一定要考虑负载的启动特性。 ⑤对电流较大（一般大于40A）的SSR，一般在使用中需加风扇散热，使用中要特别注意安装平面与SSR之间的接触热阻及散热问题，可以在散热面涂上硅脂后再安装。 ⑥对内部未集成RC吸收网络的SSR，使用中应在外部并接RC吸收电路。RC吸收网络中R与C之间及RC与SSR之间的引线要尽可能的短。 ⑦在高温环境中SSR要将降额使用。 3、固态继电器典型应用 （1）基本单元电路 如图a所示为稳定的阻性负载，为了防止输入电压超过额定值，需设置一限流电阻Rx；当负载为非稳定性负载或感性负载时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路，如图b所示，目的是保护固态继电器。通常措施是在继电器输出端加装RC吸收回路(例如：R=150 Ω，C=0.5 μF或R=39 Ω，C=0.1 μF)，它可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dv/dt。在设计电路时，建议用户根据负载的有关参数和环境条件，认真计算和试验RC回路的选值。另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。压敏电阻电流值应按下式计算： Imov=(Vmax-Vmov)/ZS 其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，Vmax、Vmov分别为最高瞬态电压、压敏电阻的标称电压，对于常规的220V和380V的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别为440-470V和760-810V。 在交流感性负载上并联RC电路或电容，也可抑制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上升率。 但实验表明，RC吸收回路，特别是并联在SSR输出端的RC吸收回路，如果和感性负载组合不当，容易导致振荡，在负载电源上电或继电器切换时，加大继电器输出端的瞬变电压峰值，增大SSR误导通的可能性，所以，对具体应用电路应先进行试验，选用合适的RC参数，甚至有时不用RC吸收电路更有利。 对于容性负载引起的浪涌电流可用感性元件抑制，如在电路中引入磁干扰滤波器、扼流圈等，以限制快速上升的峰值电流。 另外，如果输出端电流上升变化率(di/dt)很大，可以在输出端串联一个具有高磁导率的软化磁芯的电感器加以限制。 通常SSR均设计为“常开”状态，即无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经常需要“常闭”式的SSR，这时可在输入端外接一组简单的电路，如图c所示，这时即为常闭式SSR。 图2.7.10 （2）用计算机控制电机正反转的接口及驱动电路 计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路，在换向控制时，正反转之间的停滞时间应大于交流电源的1.5个周期(用一个“下降沿延时”电路来完成)，以免换向太快而造成线间短路。电路中继电器要选用阻断电压高于600 V和额定电压为380 V以上的交流固态继电器。如图2.7.11所示。 图2.7.11 计算机控制单相交流电机正反转的接口及驱动电路 为了限制电机换向时电容器的放电电流，应在各回路中外加一只限流电阻Rx，其阻值和功率可按下式计算： Rx=0.2×VP/IR(Ω), P=Im2Rx 其中：VP—电源峰值电压(V)；IR—固态继电器额定电流(A)；Im—电机运转电流(A)；P—限流电阻功率(W) 图2.7.12计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路 图2.7.12计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路，图中采用了4个与非门，用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序应是“停止—反转—起动”或“停止—正转—起动”。延时电路的最小延时不小于1.5个交流电源周期。其中RD1、RD2、RD3为熔断器。当电机允许时，可以在R1-R4位置接入限流电阻，以防止当万一两线间的任意二只继电器均误接通时，限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所能承受的浪涌电流，从而避免烧毁继电器等事故，确保安全性；但副作用是正常工作时电阻上将产生压降和功耗。该电路建议采用额定电压为660 V或更高一点的SSR产品。 2.8 显示电路 2.8.1 LED显示器接口电路 1、LED显示原理 7段荧光数码管属于分段式半导体显示器件。从图图2.8.1可以看出，每个数码管都由7个发光段组成（小数点不包括在内）。这7个发光段其实就是7个发光二极管，它的PN结是由一种特殊的半导体材料--磷砷化镓做成。当外加正向电压时，发光二极管可以将电能转换为光能，从而能够发出清莹悦目的光线。 图2.8.1 七段数码管引脚图 LED显示器有共阳极接法和共阴极接法。共阳极数码管从图2.8.2（b）中可以看出，7段荧光数码管有公共的地，即7个发光二极管的负极全部连接在了一起，只要给想点亮的二极管高电平就可以使其发光。这样做的好处是可以免去布线、相互间的干扰等很多麻烦。共阴极接法如图（c），发光二极管连在一起构成公共阴极。使用时，公共阴极接地，在阳极端输入高电平时，发光二极管就导通发光。使用时要注意区分这两种不同接法的LED显示器。 LED导通电压在1.5V左右，工作电流每段约为10mA，直接接在+5V电平上会使数码管过亮导致损坏，需接一个100~300Ω的限流电阻。 图2.8.2 LED显示器内部结构 2、多位数字显示控制技术 显示多位数据的两种电路： 静态显示 多位LED分别用一组8位字段口，各位LED公共端接地，分别输出显示不同字形，如图 2.8.3所示。 图2.8.3静态显示 2)动态显示 动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。如图2.8.4所示。 图2.8.4 动态显示 3、LED显示驱动电路 如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。共阳就是把abcdefg的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，其余的7个负极接到74LS47相应的abcdefg输出端上。 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 引脚图如图2.8.5所示。 图2.8.5 CD4511 引脚图 其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511与数码管连接如图2.8.6所示。 图2.8.6 CD4511与数码管连接图 2.8.2 LCD显示器的控制 1、LCD1602 LCD显示器分字符型和点阵型两种. 字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。 图2.8.9 LCD1602外形 1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第
浙公网安备 33021202002483