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1、第四章 机电一体化系统应用 电路设计,第一节 电桥电路设计 第二节 检测信号放大电路设计 第三节 多功能式信号放大器设计 第四节 计算机输出接口电路设计 第五节 V/F-F/V 转换器设计,下一页,第六节 开关量控制电路设计 第七节 直流稳压电源电路设计 第八节 常用测试仪表选择方法 习题与思考题,上一页,下一页,第一节 电桥电路设计,一、 电桥电路设计分析 在机电一体化系统设计中，位移、流量、压力、力、角度、力矩、温度等物理信号检测与控制。选用的传感器在测量这些物理量时，首先转换为相对应电阻、电感、电容变化量，必须通过电桥电路转换成电压量输出，才能实现多种物理量的检测。 直流电桥电路的优点：
2、 (1) 供桥电源采用直流电源，比较容易实现高稳定性，高精度的直流电源，准确度达到小于0.002； (2) 电桥平衡电路简单，输出零点调节方便； (3) 电桥输出响应快，适应于静态和动态信号测量； (4) 电桥输出电压是直流量，可以用一般的直流仪表测量显示； (5) 电桥电路可实现温度补偿作用，减小温度的影响误差。,下一页,上一页,二、 电桥电路设计方法,1. 电桥调零电路设计方法 在检测系统设计中，当选择应变式传感器时，若配备相应的动态电阻应变仪，该仪器输入设计为电桥电路式，可利用电桥电路调零，解决应变式传感器在生产制作中存在的零点输出电压。 当配备一般的电压放大器时，该仪器无调零功能，若传
3、感器零点输出电压较大时，直接影响到检测精度。所以，必须设计电桥调零电路，解决传感器电桥电阻不相同的问题，如图4-1所示。,上一页,下一页,图4-1 电桥电路原理图,上一页,下一页,2. 应变量测量电桥电路设计 在机械结构强度研究中，应变量的测量常采用应变计进行检测，当选择应变计是低阻值时，应变计的电阻为120，应选配无感电桥盒中的三个标准电阻分别为120与应变计组成全桥结构，按照上述方法设计电桥调零电路。若选择应变计是大电阻时，应选配无感电阻，电阻值的大小与所选用的应变计电阻值大小一致，误差不大于0.1。 3. 高阻变化测量电桥电路设计 在机电一体化系统设计中，温度、位移、湿度、角度等物理信号
4、检测时所用的传感器电阻变化量从几欧姆到几百欧姆，而应变式传感器在测量时，电阻变化量小于1，在设计电桥电路时，基本上是根据传感器应变计电阻大小来设计电桥。 当测量传感器电阻变化量较大时，仍按照以上方法设计电桥，就无法实现高精度测量，因此，在设计电桥时，要根据电桥输出的电压大小设计电桥电路参数，电桥电路如图4-2。 选择配桥电阻，精度小于0.1 如图4-3所示。电桥电压选用6V电压。,上一页,下一页,图4-2 单电阻电桥电路,上一页,下一页,上一页,返回,图4-3 双电阻电桥电路,第二节 检测信号放大电路设计,目前所使用的各种各样的传感器受结构尺寸、体积、功耗及转换功能等因素的限制，传感器的输出信
5、号都比较小，只有几个毫伏到几十毫伏，很难直接用来进行显示和记录，并且在信号传输过程中容易受环境的电磁场干扰，为此在设计检测系统中必须解决信号放大问题。 常用的方法是在传感器输出配置电压放大器，对有用信号进行放大，对噪声进行抑制。 一、 电压放大器电路设计 1. 同相电压放大器电路设计 同相电压放大电路如图4-4所示，同相电压放大器的增益计算式为,上一页,下一页,图4-4 同相电压放大器电路,上一页,下一页,2. 反相电压放大器电路设计 反相电压放大器如图4-5所示，反相电压放大器的输入信号Ui经输入端电阻R1送入反相输入2端，同相输入端经平衡电阻Rp接地。Rf为反馈电阻，它跨接在输出端与反相端
6、之间，形成深度电压并联负反馈，称之为反馈放大电路。输出电压与输入电压相反。电路参数计算方法,上一页,下一页,3. 交流电压放大器电路 图4-6 所示的交流电压放大器，可用于低频交流信号的放大，其输出信号与输入信号的关系为 式中,上一页,下一页,图4-5 反相电压放大器电路,上一页,下一页,图4-6 交流电压放大器电路,上一页,下一页,二、 测量放大器电路设计, 测量放大器是一种高性能的差动放大器，由几个运算放大器组成。一个理想的测量放大器的输出电压，仅取决于其输入端的两个电压U1和U2之差，即 Uo=A(U2-U1) (4-1) 式中增益A是已知的，它可以在一个宽广的范围内变化。实际的测量放大
7、器应该具有设计时所要求的增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低输入失调电压和低的失调电压温度系数。图4-7 表示一个典型的测量放大器。 对于共模增益，因U1=U2，所以IG=0，即I1=I2=0，则Uo1=U1，Uo2=U2，因此为单位共模增益。输出放大器A3为差动放大器，其增益为 测量放大器的总增益为,上一页,下一页,图4-7 典型的测量放大器电路,上一页,下一页, AD521和AD522集成测量放大器，是美国Analog Devices公司的产品。使用接线如图4-8所示。 以AD522为例，它的1号和3号脚是测量放大器的一对高输入阻抗输入端子。2脚和14脚用来连接电阻RG。4脚和6脚用于放大器
8、调零，13脚为数据屏蔽端，用于连接输入信号引线的屏蔽端，以减少外电场对信号的干扰。放大器的增益由外接电阻RG来调节，输出电压uo由下式给出计算： 其中Ui1是同相端输入电压，Ui2是反相端输入电压，当放大倍数为100，输出电压5时，AD522的非线性误差小于0.005。共模抑制比大于120dB。图4-9是AD522应用于测量电桥的典型应用电路。,上一页,下一页,图4-8 AD512和AD522的应用电路,上一页,下一页,图4-9 AD522的电桥测量电路,上一页,下一页,三、 程控增益放大器设计,程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在对动态信号进行自动检测时，如果检测系统的增 益是固定的，则会
9、出现信号大时超量程与信号小时测量精度低的矛盾。为了保证测量系统在 信号大和信号小时都有较高性能，要求系统增益能够根据信号的检测情况作自适应调节（自动换挡）。而这一功能一般是由程控放大器来实现的。,上一页,下一页,图4-10 LH0084电路原理图,上一页,下一页,四、 隔离式电压放大器, 在强电或强电磁场干扰的环境中，传感器输出的电压信号不可避免地混有静电耦合、电磁耦合和接地回路干扰信号。 隔离电压放大器具有以下特点： (1) 能保护系统中的器件不受高共模电压损害，防止高压对低压信号系统的损坏； (2) 泄漏电流小，对于测量放大器的输入端无须提供偏置电流回路； (3) 抗共模抑制比高，能对直流
10、和低频信号准确安全地测量。 1. AD202/AD204隔离电压放大器性能 功率小于35 mW（AD204）或75 mW（AD202）； 最大非线性度0.025； 高的CMR130 dB； 频带宽度可达5 kHz (AD204)。 AD202/AD204是低成本隔离电压放大器。二者区别在于：AD202直接由+15 V直流电压供电，而AD204则是通过外部提供时钟供电，AD202/204的应用电路如图4-11所示。,上一页,下一页,图4-11 传感器信号输入放大电路,上一页,下一页,2 AD210三端隔离电压放大器 AD210提供将放大器的输入，输出及电源都隔离的性能。它由+15 V供电。AD2
11、10性能指标如下： 非线性误差 0.012 频带宽度 f20 kHz 低增益漂移 25PPM/ 高的 CMR 120dB 隔离电压 15 V，5 mA 温度测量隔离电压放大电路如图4-12所示，其冷端采取AD590补偿。 3. AD290（TD290）三端隔离电压放大器 AD290系列是高增益型，增益为1100倍，可通过改变外加增益电阻调节。其中AD290是通用型，AD291是输出增强型，除增加了输出跟随器，具有较低的输出阻抗外，其他与AD290基本相同。AD290是多片专用型，内部不带振荡器，其他与AD291基本相同。图4-13给出了AD290系列隔离放大器原理图。,上一页,下一页,图4-1
12、2 温度测量电压放大电路图,上一页,下一页,图4-13 AD290系列原理图,上一页,下一页,隔离电压放大器使用方法如下：增益和零点调节如图4-14所示。RG为增益调节。图4-15给出了如何将AD290系列隔离放大器和低漂移的前置放大器AD517L结合，用于测量低电平、高共模电压的传感器信号。隔离电源为前置放大器和传感器供电。 AD290系列隔离电压放大器在工业中得到广泛应用，图4-16给出传感器信号检测隔离电路。增益通过RG电阻进行调整，即通过输入增益公式 G=1+200k/RG,上一页,下一页,图4-14 TD290系列增益和零点调节电路图,上一页,下一页,图4-15 采用TD290系列的
13、低电平信号放大电路图,上一页,下一页,图4-16 桥路检测隔离电路图,上一页,下一页,五、 集成运算放大器应用选择原则,集成运算放大器有多种类型，主要有通用型、高输入阻抗型、高速型、低功耗型、低漂移型、高精度型、自动稳零型、单电源型等。对于市场品种繁多的集成运算放大器选择的一般原则是选用性能价格比高，通用性强的器件。针对不同需要，具体选用原则是： (1) 设计没有特殊要求，一般可选用通用型，这类器件直流性能较好，种类较多，价格较低 (2) 通用型中有单放、双放、四放等多种。 (3) 设计要求放大器的输入阻抗很大，则可选用高输入阻抗型。 (4) 在毫伏级或更微弱信号检测时，精密模拟运算、高精度稳
14、压源、高增益电流放大等，应选用高精度、低漂移、低噪声类型的运算放大器。 (5) 对于视频信号放大、高速采样/保持、高频振荡及波形发生器设计时，则需选用高速宽频带型运算放大器。 (6) 对于要求低功耗使用场合应选低功耗型。 (7) 设计放大器需要自动稳零时，应选择自动调零型运算放大器器件。,上一页,下一页,六、 运算放大器应用性能扩展技术, 在应用放大电路设计中，根据综合检测性能比和设计要求等多种因素，已经选定运算放大器型号以后，还可以利用相关技术，设计辅加电路，提高运算放大器性能以满足使用上更为广泛的需求。 1. 提高输出电压电路设计 放大器的输出电压幅度在额定工作电压15V条件下，一般只有1
15、0V左右，要想得到更大的输出电压可外加辅助电路得到，如图4-17是一种常见的方法。 浮动的正、负供电电压，相当于在输入端也加了一个浮动的共模电压，电路的输出幅度受运放共模电压范围限制，其最大输出幅度接近等于运放本身的输出幅度与它的共模电压范围之和。 图4-18提供的另一种扩展输出幅度的电路。输出电压的扩展方法是利用分离元件实现，简单方便灵活。,上一页,下一页,图4-17 输出电压扩展电路图,上一页,下一页,图4-18 单极性输出电压扩展电路图,上一页,下一页,2. 提高输出电流电路设计 运算放大器本身输出电流一般为5mA左右，当驱动扬声器、开关器件、电机等负载时，需要增大输出电流的能力。 最简
16、单的办法是运算放大器输出端接射极跟随器，如图4-19为互补双向输出式电流扩大电路，工作在B类状态，输出电流可大于1A。如图4-20为单向输出电流扩大电路，输出电流大于100mA，可提高带负载能力。,上一页,下一页,图4-19 双向输出式电流扩大电路图,上一页,下一页,图4-20 单向输出电流扩大电路,上一页,下一页,3. 提高电路输入电阻设计 在微弱信号、电荷量信号、高运算精度的放大信号电路中，要求运算放大器具有1091012的输入电阻。在不能获得高阻抗运放的情况下，可选配一对场效应管作为运放的输入缓冲级，以提高输入阻抗，电路如图4-21所示，电路的设计关键是FET管参数配对和工作点的选择。使用FET要求工作在该管子的零温度系数电流值，其中T1、T2零温度系数
