机电一体化常用电路及应用.ppt

第4章 机电一体化常用电路及应用 4.1 模拟电路及应用 4.2 数字电路及应用 4.3 集成电路及应用 4.4 抗干扰技术 4.1 模拟电路及应用 4.1.1 构成模拟电路的主要元器件 构成模拟电路的主要元器件包括电阻、电容、电感线圈、变压器、 二极管、三极管、石英谐振器和继电器等。 1.电阻 电阻是电子线路中应用最多的元件之一，其在电路中主要 用于分压、分流、滤波、偶合、阻抗匹配以及作为负载等。 图4-1 电阻阻值表示法 a)数值表示法 b)色环表示法 4.1 模拟电路及应用 表4-1 电阻值的色环含义 4.1 模拟电路及应用 表4-1 电阻值的色环含义 第一色环表示电阻值的第一位数。 第二色环表示电阻值的第二位数。 第三色环表示电阻值的乘数。 第四色环表示电阻值的允许误差。 2.电容 电容具有隔直流和通交流的能力，在电气工程和无线电工 程中有非常重要的作用。 4.1 模拟电路及应用 表4-2 电容值的色环含义 第一色环和第二色环表示电容器容量的第一位数和第二位数。 第三色环表示电容器容量的乘数。 第四色环表示电容器容量的允许误差。 4.1 模拟电路及应用 图4-2 电容器色环表示法 4.1 模拟电路及应用 3.电感线圈和变压器 (1)电感线圈：电感线圈是根据电磁感应原理制成的器件，在LC滤波 、调谐放大器或振荡器的谐振和均衡电路等方面有比较多的运用。 1)按工作频率的要求选择某种结构的线圈。 2)在高频电路中，应使用高频损耗小的高频瓷材料作线圈骨架。 (2)变压器：变压器是利用两个绕组的互感原理来传递交流电信号和 能量的器件。 4.二极管 5.三极管 三极管是电子线路中用途十分广泛的器件。 (1)场效应晶体管：一种电压控制的半导体器件，可分为结型场效应 晶体管(JFET)和绝缘栅型场效应晶体管(MOS管)。 (2)单结晶体管：因其具有两个基极，故又称为双基极三极管。 4.1 模拟电路及应用 (3)晶闸管：晶闸管是一种能进行强电控制的大功率半导体器件。 图4-3 利用单结晶体管构成的 基本晶闸管触发电路 4.1 模拟电路及应用 1)电极数目。 2)材料和极性。 3)类型。 4)序号。 5)规格。 表4-3 晶体管型号中汉语拼音字母的含义 4.1 模拟电路及应用 表4-3 晶体管型号中汉语拼音字母的含义 1)用高频管代替低频管，需要注意功率的问题，但低频管不能代替 高频管。 2)用开关管代替普通管。 4.1 模拟电路及应用 3)只要参数相同，PNP和NPN管一般可以互相代替，但要注意管脚 极性的变化。 4)用不同三极管代替场效应晶体管。 5)用复合管代替单个三极管，增加放大倍数。 6.石英谐振器 石英谐振器的主要原料是石英单晶(水晶)。 7.继电器 继电器是一种对电路进行控制和换接的器件，是自动化 设备中的主要电器元件，起着自动操作、自动调节和安全保护等重 要作用。 4.1 模拟电路及应用 1)根据所控制的电路确定触点的种类及数量，以触点电路的电流种 类、大小及电压高低确定触点容量。 2)根据控制电路的特点，确定继电器的种类、功率及容量。 3)根据控制电路的要求，确定继电器的动作时间。 图4-4 固态继电器内部组成图 4.1 模拟电路及应用 4)选用继电器应考虑的环境和工作条件包括：温度和湿度，设备或 电路的工作寿命，设备的振动和移动对继电器的影响，继电器的外 形尺寸、体积和重量。 4.1.2 电路简介 有关模拟电路的电路分析、计算和功能介绍，请查阅有关专业书籍 或手册。 1.电源电路 电源电路主要是指为工作设备的需要，将外部电源转 换为设备所需要的电源的电路部分，是设备电路的常用组成部分， 最常用的有整流电路、隔离电路和变频电路等。 (1)晶闸管可控电源电路：对于机电一体化系统而言，晶闸管可控电 源是比较常见的。 4.1 模拟电路及应用 图4-5 单相全控整流电路及波形 a)电路 b)波形 (2)晶闸管变频电路：晶闸管变频电路在电动机变频调速系统中有 4.1 模拟电路及应用 着十分重要的应用。 图4-6 晶闸管变频电路 (3) DC/DC隔离电源：采用DC/DC隔离电源的目的主要是隔开两侧电 路的地线，以切断电源干扰，是机电一体化系统的重要抗干扰措施 。 1)开关稳压电源。 4.1 模拟电路及应用 2)推挽式DC/DC变换电源。 4.1 模拟电路及应用 图4-7 开关稳压电源 4.1 模拟电路及应用 图4-8 推挽式DC/DC变换电源 3)桥式DC/DC变换电源。 4.1 模拟电路及应用 图4-9 桥式DC/DC变换电源 2.光隔离电路和开关量输出控制 在机电一体化系统中，各种功率 、控制信号交织在一起，各个控制系统之间的相互干扰是无法避免 的。 4.1 模拟电路及应用 图4-10 光隔离和开关量输出控制电路 4.2 数字电路及应用 4.2.1 数字电路的特点 数字电路是用以传递、加工和处理数字信号的电路。 1)采用二进制。 2)抗干扰能力强。 3)精度高。 4)保密性好。 5)通用性强。 4.2.2 数字电路的基本单元 1.逻辑门电路及逻辑代数 逻辑门电路一般是利用电路的输入信号 作为条件，输出信号作为结果，从而使电路的输入和输出之间有一 定的因果关系(逻辑关系)。 4.2 数字电路及应用 表4-4 3种基本逻辑运算 2.组合逻辑电路 利用基本逻辑电路，可以组合成能完成一定功能 的逻辑电路。 4.2 数字电路及应用 表4-5 几种常见的复合逻辑运算 4.2.3 双稳态集成触发器及应用 4.2 数字电路及应用 图4-11 基本RS触发器 a)逻辑图 b)逻辑符号 4.2 数字电路及应用 图4-12 同步RS触发器 a)逻辑图 b)逻辑符号 4.2 数字电路及应用 1)基本RS触发器。 2)同步RS触发器和主从RS触发器。 3)主从JK触发器。 图4-13 主从RS触发器 4.2 数字电路及应用 图4-14 主从JK触发器 4.2 数字电路及应用 4.2 数字电路及应用 图4-15 施密特触发器的滞后特性 4)施密特触发器。 4.2 数字电路及应用 图4-16 正弦波整形为矩形波 4.2 数字电路及应用 4.2.4 其他触发器及其应用 1.单稳态触发器 单稳态触发器电路有稳态和暂稳态两个不同的工 作状态。 图4-17 受干扰波整形为矩形波 4.2 数字电路及应用 2.无稳态触发器(振荡器) 图4-19所示为两个CMOS反向器组成的 多谐振荡器，该电路没有稳态，只有两个暂稳态，uO1=1、uO2=0为 一个暂稳态。 图4-18 微分型单稳态电路 4.2 数字电路及应用 图4-19 多谐振荡器 4.3 集成电路及应用 1)电路合理，系统质量高。 2)降低系统成本，提高生产效率。 3)减少元器件数量，提高系统可靠性。 4.3.1 集成电路的分类和封装形式 集成电路的封装材料主要有金属、陶瓷和塑料等。 图4-20 常见的集成电路封装形式 a)双列直插式 b)单列直插式 c)扁平双列式 d)圆形结构 4.3 集成电路及应用 图4-21 封装引脚的识别 4.3 集成电路及应用 表4-6 半导体集成电路的型号命名(国标) 4.3.2 集成电路的主要应用 4.3 集成电路及应用 集成电路的应用是极其广泛的，今天，我们几乎已经找不到没有集 成电路的电气设备。 图4-22 集成运放的 电路符号 4.3 集成电路及应用 4M22.tif 1.集成运算放大器及其运用 运算放大器(简称运放)是高增益的直流 放大器。 (1)比例放大电路：图4-23所示为由集成运算放大器构成的基本比例 放大电路。 4.3 集成电路及应用 图4-23 由集成运放构成的基本比例放大电路 a)同比例放大 b)反向比例放大 (2)采样-保持电路：在对高速变化的模拟信号进行采样时， 4.3 集成电路及应用 必须在输入模拟信号和A/D转换之间加上采样-保持电路，才能保证 A/D转换的可靠性和准确性。 (3) PID调节电路：在自动控制系统中，PID调节器是广泛应用的通 用校正装置，其作用是对经过传感器转换的信号与给定信号相比较 得到的偏差量进行运算，产生相对的输出，去控制系统执行环节。 图4-24 采样“峰值”保持电路 a)电路 b)“峰值”保持波形图 4.3 集成电路及应用 图4-25 PID调节电路 4.3 集成电路及应用 图4-26 555集成电路 4.3 集成电路及应用 2. 555电路的基本运用 集成555定时器是另一种运用十分广泛的 多用途集成电路。 (1)利用555定时器构成施密特触发器电路：如图4-27所示，将2、6引 脚连接在一起作为输入端，4、8引脚作为工作电压UCC的接入端。 图4-27 施密特触发器及工作波形图 a)电路 b)波形图 4.3 集成电路及应用 (2) 利用555定时器构成单稳态电路：如图4-28所示，引脚2作为输入 端，用负阶跃信号触发。 图4-28 单稳态触发器及其工作波形图 a)电路 b)波形图 4.3 集成电路及应用 (3)利用555定时器构成多谐振荡器电路：如图4-29所示，由于是无稳 态电路，因此，无需输入信号，接通电源就可产生振荡。 图4-29 多谐振荡器电路及其工作波形 a)电路 b)波形图 4.3 集成电路及应用 3.直流稳压集成电路 直流稳压集成电路有很多种，主要有78/79系 列固定型输出稳压电路和317/337系列输出电压可调型稳压电路。 4.3.3 集成电路的使用注意事项 1.含有集成电路的电路板布线要求 集成电路都是安装在印制电路 板上的，印制电路板合理的布线是防止干扰、提高电路性能的重要 方面。 图4-30 由7800集成电路构成的稳压电路 4.3 集成电路及应用 2.集成电路的正确使用 1)不允许在超极限的条件下工作。 2)正确控制输入信号的强度。 3)注意引脚的排列顺序，特别是在用其他集成电路替代原设计集成 电路时，更要注意这一点。 4)要注意消除集成电路的自激现象，可通过在相应引脚接入电容的 方法防止自激。 5)注意不同集成电路之间的电平配置。 4.3.4 集成电路替换技巧 在实际电路设计、制作或维修时，经常会碰到集成电路替换的问题 ，下面就介绍一些集成电路替换的技巧。 4.3 集成电路及应用 1.直接替换 直接替换是指用其他集成电路不经任何改动而直接取 代原来的集成电路，替换后不影响机器的主要性能与指标。 (1)同一型号集成电路的替换。 (2)不同型号集成电路的替换 1)型号前缀字母相同、数字不同的集成电路替换。 2)型号前缀字母不同、数字相同的集成电路替换。 3)型号前缀字母和数字都不同的集成电路替换。 2.非直接替换 非直接替换是指不能进行直接替换的集成电路，稍 加修改其外围电路，改变原引脚的排列或增减个别元件等，使之成 为可替换的集成电路的方法。 1)不同封装集成电路的替换。 2)电路功能相同但个别引脚功能不同的集成电路的替换。 4.3 集成电路及应用 3)类型相同但引脚功能不同的集成电路的替换。 3.用分立元器件替换集成电路 有时可用分立元器件替换集成电路 中被损坏的部分，使其恢复功能。 4.组合替换 组合替换就是把同一型号的多块集成电路内部未受损 的电路部分重新组合成一块完整的集成电路，用以代替功能不良的 集成电路的方法。 1)要注意集成电路引脚的编号顺序，切勿接错。 2)为适应替换后的集成电路的特点，与其相连的外围电路的元器件 要作相应的改变。 3)电源电压要与替换后的集成电路相符。 4)替换以后要测量集成电路的静态工作电流，如电流远大于正常值 ，则说明电路可能产生自激，这时须进行调整。 4.3 集成电路及应用 5)替换后集成电路的输入、输出阻抗要与原电路相匹配；检查其驱 动能力。 6)在改动时要充分利用原电路板上的脚孔和引线,外接引线要求整齐 ，避免前后交叉，以便检查和防止电路自激，特别是防止高频自激 。 7)在通电前，电源回路里最好再串接一直流电流表，将降压电阻阻 值由大到小改变，观察集成电路总电流的变化是否正常。 1.有关名词解释 1)印制线路。 2)印制电路。 3)印制电路板。 4)低密度印制板。 4.3 集成电路及应用 5)中密度印制板。 6)高密度印制板。 2.印制电路按所用基材的分类 按所用基材不同，印制电路可分为 刚性、挠性和刚-挠性。 3.一般覆铜箔板的制作 一般覆铜箔板是用增强材料(玻璃纤维布、 玻璃毡和浸渍纤维纸等)浸以树脂粘合剂，通过烘干、裁剪、叠合成 坯料，然后覆上铜箔，用钢板作为模具，在热压机中经高温、高压 成形而制成的。 4.根据国标GB/T47211992规定介绍印制电路板的型号 产品型号 第一个字母C即表示覆铜箔。 5.有关标准的英文缩写 有关标准及其缩写见表4-7。 4.3 集成电路及应用 表4-7 有关标准及其缩写 6.压延铜箔和电解铜箔的性能特点和制法 压延铜箔是将铜板经过 多次重复辊扎而制成的。 4.3 集成电路及应用 7.一般纸基覆铜箔板与环氧玻璃布基覆铜箔板的比较 一般纸基覆 铜箔板与环氧玻璃布基覆铜箔板相比，具有价格低和PCB可冲孔加 工等优点。 8.印制电路的作用 首先，为晶体管、集成电路、电阻、电容和电 感等元器件提供了固定和装配的机械支撑；其次，它实现了晶体管 、集成电路、电阻、电容和电感等元器件之间的布线和电气连接、 电绝缘，并满足其电气特性；最后，为电子装配工艺中元器件的检 查、维修提供了识别字符和图形，为波峰焊接提供了阻焊图形。 9.印制电路制造工艺的分类 4.3 集成电路及应用 (1)加成法：避免使用大量蚀刻铜，降低了成本，简化了生产工序， 提高了生产效率，能达到齐平导线和齐平表面，提高了金属化孔的 可靠性。 1)全加成法工艺流程为钻孔、成像、增粘处理(负相)、化学镀铜、去 除抗蚀剂。 2)半加成法工艺流程为钻孔、催化处理和增粘处理、化学镀铜、成 像(电镀抗蚀剂)、图形电镀铜(负相)、去除抗蚀剂、差分蚀刻。 3)部分加成法工艺流程为成像(抗蚀刻)、蚀刻铜(正相)、去除抗蚀层 、全板涂覆电镀抗蚀剂、钻孔、孔内化学镀铜、去除电镀抗蚀剂。 (2)减成法：工艺成熟、稳定、可靠。 4.3 集成电路及应用 1)全板电镀(掩蔽法)工艺流程为双面覆铜板下料、钻孔、孔金属化、 全板电镀加厚、表面处理、贴光致掩蔽型干膜、制正相导线图形、 蚀刻、去膜、插头电镀、外形加工、检验、印制阻焊涂料、热风整 平、网印制标记符号、成品。 2)图形电镀(裸铜覆阻焊膜)工艺流程为双面覆铜板下料、冲定位孔、 数控钻孔、检验、去毛刺、化学镀薄铜、电镀薄铜、检验、刷板、 贴膜(或网印)、曝光显影(或固化)、检验修版、图形电镀铜、图形电 镀锡铅合金、去膜(或去除印料)、检验修版、蚀刻、退铅锡、通断 路测试、清洗、阻焊图形、插头镀镍/金、插头贴胶带、热风整平、 清洗、网印制标记符号、外形加工、清洗干燥、检验、包装、成品 。 10.单面板、双面板和多层板 4.3 集成电路及应用 1)单面板。 2)双面板。 3)多层板。 4.4 抗干扰技术 1.干扰的来源 在机电一体化系统中，干扰是产生元器件失效、数 据传输和处理错误，从而影响整个系统稳定、可靠地工作的一个最 常见和最主要的因素之一。 (1)传导型干扰：传导型干扰可分为供电干扰、强电干扰和接地干扰 。 1)供电干扰。 4.4 抗干扰技术 2)强电干扰。 图4-31 干扰来源 4.4 抗干扰技术 3)接地干扰。 图4-32 接地点远离形成接地环流 4.4 抗干扰技术 图4-33 集中接地形成接地环流 4.4 抗干扰技术 (2)辐射型干扰：辐射型干扰是由存在于设备附近的电磁场和静电场 等辐射源，通过空间感应而直接干扰设备的控制系统或导线，使之 控制电平发生变化，或产生强烈的脉冲干扰信号。 1)电磁干扰。 2)静电干扰。 2.抗干扰措施 针对上述各种干扰源的性质和形成干扰的不同部位 ，我们必须采取各种相应的抗干扰措施，以避免或减轻干扰对系统 或设备的影响，提高设备或系统的可靠性。 (1)供电系统的抗干扰：针对交流电网采取的抗干扰措施主要有稳压 、滤波和隔离。 4.4 抗干扰技术 图4-34 低通滤波电路 4.4 抗干扰技术 1)稳压。 2)滤波。 3)隔离。 (2)地线抗干扰：电器设备接地的目的之一就是抑制干扰，但若接地