电工量计第六章检测电路.ppt

第六章 检测电路,1. 常用元器件基础,1.1 电阻、电容、电感及其应用,1.1.1 电 阻,（1）类 型, 按阻值 固定电阻、 可变电阻, 按材料, 按用途 高压电阻、无感电阻、功率电阻、光敏电阻,碳膜电阻: 价格便宜, 精度低（5% 20% ）, 适用温度低（40）,金属膜电阻: 价格适中, 精度一般（5% 10% ） 适用温度较高（70）,金属氧化膜电阻: 价格适中, 精度一般（5% 10% ） 适用温度高( 200 ),线绕电阻: 价格较高，精度高(0.005%), 温度特性好。但频率特性差., 按安装 贴片电阻,1. 常用元器件基础,1.1.1 电 阻,（1）类 型,1. 常用元器件基础,（2）主要参数,标称阻值，额定功率，分布参数，精度，温度系数等.,（3）等效电路,Z = （R0+ZL）/ZC ZL= jL ， ZC =1/jC,1. 常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项, 分压、取样； 限流； 均压、均流； 泄放、 吸收., 应根据具体应用场合，选择合适的电阻，注意分布参数的影响. “热噪声”对微弱信号检测的影响. 电阻上实际消耗的平均功率，应小于其额定功率的确1/2.,1. 常用元器件基础,1.1.2 电 容, 按用途,高压电容、脉冲电容、储能电容, 按结构,电解电容、非电解电容 可变电容, 按安装, 按使用材料,瓷片、云母、聚四氟乙烯、涤纶、 聚碳酸脂、纸介、钽、钛,（1）类 型,1. 常用元器件基础,（2）主要参数,电容量，额定电压，工作温度，分布参数（等效串联电阻ESR、等效电感 ），品质因素Q、精度,（3）等效电路,ESR极板、引线及它们之间的接触电阻,1. 常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项, 储能； 滤波； 隔直； 耦合； 吸收； 定时., 连接时注意极性； 使用时不能超过额定电压； 电解电容一般不能用于快充快放，只能在额定纹波下使用； 温度、频率对电容特性的影响.,1. 常用元器件基础, 555定时器,充电时间：T1=0.693(R2+R3)C1 放电时间: T2=0.693R3C1 定时周期: T=T1+T2=0.693(R2+2R3)C1,1. 常用元器件基础,CD4060（14位二进制串行计数/分频器和振荡器）,14级分频器,RS,RT,CT,9,10,11,1. 常用元器件基础,1.1.3 电 感,（1）类 型,空芯电感、铁芯电感 、可调电感 、固定电感、滤波电感、调谐电感.,1. 常用元器件基础,（2）主要参数,电感量，直流电阻，额定电流，分布参数，品质因素Q等.,（3）等效电路,电感的等效电路,RT - 磁芯损耗引起的等效并联电阻,CP - 绕组的分布电容,RW - 由于绕线和端子引起的串联电阻,L - 器件的理想电感,固有谐振频率,1. 常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项, 滤波； 限流； 储能； 调谐., 防止饱和. L与C往往共同存在，易在电路中形成振荡. 注意电感瞬变的危险.,1. 常用元器件基础,振荡,过冲, 电阻分布参数的影响,1. 常用元器件基础,1.2 二极管、三极管及其应用,1.2.1 二极管,（1）类型,功率二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管 开关二极管、阻尼二极管、发光二极管、光电二极管 恒流二极管、热敏二极管、光敏二极管、磁敏二极管,1. 常用元器件基础,（2）主要参数,C bPN结的结电容, 额定电压、额定电流, 截止频率,RSPN结的体电阻, 结压降, 正向直流电阻 RD, 反向击穿电压 VBR, 最高反向工作电压 VRM, 最大反向电流 IBR, 最大整流电流 IM,（3）应 用,（4）注意事项, 整流； 隔离； 箝位、限幅； 逻辑电路； LED使用., 额定参数; 频率特性.,1. 常用元器件基础,1.2.2 三极管,（1）类型,普通三极管、大功率三极管GTR、场效应管FET、 绝缘栅双极晶体管IGBT,1. 常用元器件基础,1.2.2 三极管,（2）主要参数,（3）应 用,（4）注意事项, 驱动条件；, 额定电压、额定电流；, 允许功耗、工作温度；, 放大倍数；, 饱和管压降., 电流放大（功率放大）; 各种开关, 选择参数必须留有一定的余量 驱动条件 散热和保护,1. 常用元器件基础,1.3 运算放大器及其应用,（1）主要参数, 电源指标（单、双，范围，静态功耗）, 转换速率（V/s）、频带宽度, 电压增益, 工作环境, 输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压, CMRR, 功耗（静态和动态）.,1. 常用元器件基础,（2）类型, 通用型: LM741、LM358 高精度型：725、TLE2141, 高速型：TL082 低功耗型：TLC2252、TLV2211, 单电源型：LM358 双电源型：LM741、OP07,根据运放结构和功能（用途） 差动电压放大器、功率放大器、仪表放大器、对数放大器、隔离放大器、高压放大器,1. 常用元器件基础,（3）理想运算放大器基本特性, 开环电压增益Ad无穷大“虚短”, 输入阻抗无穷大“虚断”, 输出阻抗为零 输出电压与输出端连接的电阻阻值大小无关,（4）基本概念, 电压增益,“开环电压增益 Ad ”（差模开环电压增益）和“共模电压增益 AC ”,差模输入电压,共模输入电压,运放输出电压, 带宽 fWB=,1. 常用元器件基础,（4）基本概念, 共模抑制比,输入失调电压, 输入失调电流、输入偏置电流、输入失调电压,输入失调电流,输入偏置电流,IOS=IB1-IB2 （Uin=0）,IOS=(IB1+IB2)/2 （Uin=0）,Uin （Uo=0）,1. 常用元器件基础,（5）应用, 信号放大, 各种运算（加法器、减法器、乘法器、除法器), 微分电路、积分电路, 各种信号变换电路、检测电路, 波形（信号）发生器, 稳压源、稳流源, 信号比较, 有源滤波器,1. 常用元器件基础,（6）注意事项, 输入信号范围不应超出电源电压, 采取适当的保护措施, 根据不同应用场合，选择合适的运放, 通常只能作为信号放大或变换，不能用于功率驱动, 要求对信号放大倍数较大时，通常采用多级放大的方案, 清楚理想运算放大器与实际运算放大器特性的区别,1. 常用元器件基础,1.4 光电器件及其应用,1.4.1光电耦合器,光电耦合器 是发光器件和光敏器件的结合体.,（1）结 构,1. 常用元器件基础,（2）类 型, 光敏二极管型 光敏三极管型 光敏达林顿型 光敏可控硅型,1. 常用元器件基础,（3）特 点, 输出与输入之间电绝缘, 体积小、寿命长，无触点、耐冲击, 容易与逻辑电路连接, 响应速度快, 单向信号传输，抗干扰能力强,（4）主要参数, 工作速度（bit/s）, 隔离电压, 电流传输比 CTR=Ic/IF100%，10% 1000%,1. 常用元器件基础,（5）应 用,利用其通断特性和可控阻抗变换特性,a. 开关电路 b. 逻辑电路 c. 采样电路 d. 自动控制 e. 电源,4N25,P521,1. 常用元器件基础,（6）注意事项, 隔离电压, 工作速度, 使用方法和参数选取, 光耦的“线性”与“非线性”,1. 常用元器件基础,1.4.2 光电二极管和光电三极管,Ee(lx),1. 常用元器件基础,1.5 基准源器件及其应用,固定式 LM336-2.5,LM336-5.0,可调式 TL431,1. 常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,（1）类型,LED数码管、荧光数码管、液晶数码管.,1. 常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,a,b,c,d,e,f,g,DP,COM共阳极,1. 常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,（2）驱动方式, 静态驱动和动态驱动, 分立元件驱动和专用IC驱动,1. 常用元器件基础,（3）应用,1. 常用元器件基础,（3）应用,1. 常用元器件基础,1.7 元器件的选用原则, 降额使用元器件；, 满足性能要求；, 满足可靠性要求；, 选用经实践检验证明性能优良的定型元件；, 在满足性能要求的前提下，尽量减少元件品种、型号；, 尽量选用符合国家标准或部颁标准的器件；, 在满足性能和可靠性要求的条件下，尽量选用廉价的元器件。,常用元器件的降额系数,2.典型电路及实例分析,2.5 差动电压放大器,2.4 比较器,2.2 匹配网络（电路端子）,2.3 测量电桥,2.1 传感器的“前置放大器”,2.7 信号变换电路,2.6 精密整流电路,2.8 实例分析,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电压输入型传感器的“前置放大器”,为了提高传感器输入到前置放大器的效率，必须使ZIN比ZS大很多.,VS=VSZIN/(ZS+ZIN) ZSZIN时，VSVS,（1）传感器与输入前置放大器连接时的等效电路,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”, 前置放大器的内部噪声小，也不受外部噪声的影响； 前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多； 前置放大器的增益频率特性能够覆盖必要的频带； 具有稳定的、必要的增益，而受温度等因素影响较小； 具有良好的增益线性，失真小； 前置放大器的输出阻抗要小.,（2）对电压输入型前置放大器基本性能要求,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,（3）适宜作电压输入型前置放大器的电路,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（1）传感器与输入前置放大器连接时的等效电路,IS=ISZS/(ZS+ZIN)；ZSZIN时，ISIS,ZS,ZIN,IS,IS,ISr,Z0,V0,传感器,IS,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（2）适宜作电流输入型前置放大器的电路,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（3）使用电流输入型前置放大器的注意事项, 使用OP放大器的偏置电流要比检测的最小信号电流小得多； 由于输入电流全部流过反馈电阻 RC，所以输入电流的最大 值不能超过OP放大器的最大输出电流； 由于反馈电阻 RC 的值往往很大，负反馈会因放大器的输入电 容、输入电缆的电容以及传感器的输出电容等而变得不稳； 输入阻抗随反馈量而变化； 反馈量随信号源电阻的大小而变化； 实际安装时必须注意不要产生漏电流.,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”, CT法,测量01A的CT用电流输入放大器,R1=6.8k,R2=100,R3=10k R4=1M,RW1=1k,C1=1F OP=TL082, D1=D2=UF007,运放基本应用1反相放大器,外围电阻元件的选择,R1: 1k100k R3: 1k几M R2=R1/R3,特点 Zi=R1，输入阻抗较低. Z0 =R3 A = R3/R1，闭环放大倍数较低.,共模输入信号UC=0，对于运放的共模抑制比要求不高.,运放基本应用2同相放大器, 输入电阻很大，输出电阻很小， 可以认为 ri=，ro=0 ； 共模输入信号Uic=Ui，对运放的 共模抑制比要求较高。,特点,49,运放基本应用3电压跟随器, 是一种单位增益的同相放大器； Z i很大，Z0很小； 常作为缓冲隔离器（级）串接在 输入信号与负载（电路）之间， 以消除电路间的相互影响，提高 驱动能力。,特点,运放基本应用4积分器（超级伺服电路）,用 途 检出运放的直流输出成分，补偿前置放大器的直流失调电压， 使其直流输出成分为0。,特 点 对没有直流成分的AC信号进行无限积分时结果为0，直流成分 被积分器放大.,运放基本应用4积分器（超级伺服电路）,+,-,+,-,R3,C1,R4,R1,R2,OP,OP,R5,VAC,积分器应用消除运放直流失调电压,光耦基本应用1 光电计数,光耦基本应用2 信号隔离采样,窃电方式(电压)判断,光耦基本应用2 信号隔离采样,光耦基本应用3 自动控制,光耦基本应用3 开关电源,光耦在开关电源中的应用,1. 常用元器件基础, R、C构成的高压分压器,Vi,Vo,C1,C2,R1,R2,高频电压的测量,示波器,问题：为使输入至示波器的信号不失真，图中R1、C1、 R2、C2应满足什么关系？（注：忽略示波器的输入阻抗）,58,2.4 比较器,（1）常用比较器及其使用, 用作比较器的器件, 输出形式, 比较器的使用, 比较器的振荡问题,59,2.4 比较器,t,Vin,Vref,V0,振荡,+,-,Vref,Vin,V0,比较器输出转换期间的振荡,60,2.4 比较器,61,2.4 比较器,AC220V,+,T1,R1,R2,Rt,R4,R5,J,T2,温度控制电路,VCC,+,-,2.4 比较器,（2）迟滞比较器（）,设计公式：,时：,（高电平）,2.4 比较器,（3）窗口比较器,2.5 差动电压放大器,（1）标准差动电压放大器,2.5 差动电压放大器,（1）仪表放大器, 电路组成, 参数设计,R4 / R5=R6 / R7,R1= R2，R4 = R5=R6=R7,2.5 差动电压放大器, 电路性能特点,高共模抑制比、高输入阻抗和低失调.,（1）问题提出,2.6 精密整流电路,（2）设计思想,2.6 精密整流电路,2.6 精密整流电路,（3）半波精密整流电路,2.6 精密整流电路,（4）全波精密整流电路,72,2.7 信号变换电路,（1）在信号传输线中，直流不受交流感应影响，易于解决 仪表的抗干扰问题； （2）直流不受传输线路的电感、电容及电荷性质的影响， 不存在相位偏移问题，使接线简化； （3）直流信号便于A/D转换.,统一标准信号采用直流信号的优点？,（1）电流电压变换（I/V）电路,+,Ef,Rf,8,e0,i,i,Zi,ei,2.7 信号变换电路, I/V变换电路,1A,10A,100A,1mA,F. S.,全量程,输入端,+,1k,5k,5k,e02,e01,Cf,+15V,-15V,输入保护电路,+,Cf,+15V,-15V,-15V,+15V,5V,5V,950k 100k,95k 10k,9.5k 1k,0.95k 0.1k,10k,3.3k,3.3k,100k,Rf,4558,A,714,8,8,防止振荡,20k,输出端,75,（2） V/I变换电路,2.7 信号变换电路,（1）电压很容易受到干扰，而电流不易被干扰； （2）小电压信号不易远距离传送; （3）给一些小型传感器供电.,在工业环境下常把传感器输出信号转换为电流信号 ？,76,（2） V/I变换电路,2.7 信号变换电路, 0-10mA V/I变换电路,77,2.7 信号变换电路, 4-20mA V/I变换电路,（2） V/I变换电路,令 UN=UP 当 R1=R2, R4=R5时，有,2.7 信号变换电路,2.8 实例分析,（1）TL431应用交流稳压电源,（3）窗口比较器应用电压正常范围指示电路,（4）差动放大器应用霍尔传感器的基础放大器,（5）迟滞比较器应用光电式电流互感器的供电电源 （发明 ZL03111514.4）,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿,2.8 实例分析,（1）TL431应用交流稳压电源,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之一,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之一,接入前的回路电势 EAB(t,t1)= EAB(t,t0)- EAB(t1,t0),接入后的回路电势 EAB(t,t0)- EAB(t1,t0)+e1,其中，补偿电压 e1=273.15R1+ R1t1(V),令，R1t1(V)= EAB(t1,t0),则，接入后的回路电势 EAB(t,t0)+ 273.15R1,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之二,如图，K型热电偶，将0500的温度转换为05V的电压信号。已知1对应热电偶输出电压40V，500对应输出电压20.64mV。求：, 信号电路增益 AV； 描述电路个部 分作用； 如何实现热电 偶断线检测功 能的？为何要 求运放输入偏 置电流小？,（3）窗口比较器应用电压正常范围指示电路,2.8 实例分析,2.8 实例分析,标准差动放大器,仪器放大器,（4）差动放大器应用霍尔传感器的基础放大器,2.8 实例分析,（5）迟滞比较器应用光电式电流互感器的供电电源 （发明 ZL03111514.4）, 电流源/电压源的一般方法,( a ),( b ), 电流源/电压源的改进方法,2.8 实例分析, 电流源/电压源的改进方法,2.8 实例分析,电源的工作过程分析,Uin,IL,I,Ig,Ig3Ig2Ig1,DW支路和GT1-2间形成的负反馈作用，使Uin在U1U2间波动, 当UinU1时,T2/(T1+T2）= 1 (IL+Ig)/(I+Ig),由式(a)和(b)得:,Uin,I, 当UinU2时,C （U2 - U1）=(IL + Ig) T2 (a),Q=C U ； Q=I t,I T1=C （U2 - U1）+ IL T1 (b),2.8 实例分析,2.8 实例分析, T2期间GT1-2导通，它以较大的导纳切入CT次级参与分流； T1期间GT1-2截止，它的等效导纳近似于零，不参与分流,T2/(T1+T2）= 1 (IL+Ig)/(I+Ig) 的物理意义,T2/(T1+T2）相当于CT次级电流为I时的GT1-2等效导纳（平均）值或分流能力，它受控于CT的次级电流I,取GT1-2导通时的等效导纳或分流能力为1,则 T2/(T1+T2）的物理意义在于:,Uin,I,Ig,IL,固态继电器输出的电压波形,2.8 实例分析,2.8 实例分析, 电流源/电压源的改进方法,电源 CT,分 流 器,整流滤波器,取样电路,稳压器,滤 波 器,隔离驱动 电 路,继电器J1,控制 CT,基准电压 电 路,迟 滞 比较器,继电器J1 线 圈,高压 母线,OECT 高压侧 电 路,驱动器,电流/电压 转 换 器,（2）,基准电压 电 路,迟 滞 比较器,J1-1,J1-2,（1）,DC/DC,V+,V-,电源CT 变比 控制单元,电源变换 与 稳压单元,c,b,a,一种光电式电流互感器的供电电源（发明 ZL03111514.4）,一种适应母线电流动态范围宽的光电式电流互感器供电电源. 中国电机工程学报, 2006, 26(19) :160-164,本章小结,（1）掌握元器件应着重 “类型-结构（等效电路）-主要参数-作用-典型应用- 使用注意事项”等几方面； （2）元器件是组成测量装置的基本元素，正确地选用元器件是设计测量装 置的重要环节，所以选用元器件应遵循一些原则； （3）电阻、电容、电感是电路中最常见的元件，它们都具有分布参数，并 对高频电路