小功率直流伺服系统控制电路设计

摘 要通过学习，对直流伺服系统有了进一步的了解。论文对直流伺服系统的发展史、工作情况进行了较全面的论述。结合毕业设计题目，对小功率直流伺服系统控制电路进行了设计，控制电路包括：信号发生器、信号放大器、比较器和功率放大器。在论文中，对控制电路的各组成部分经行了详细的理论分析，对线路的可行性也进行了探讨，并对设计的线路进行了实验。通过实验后修正了电路，改正后的电路经实验是可行的；实验表明：在控制信号的控制下，电路能输出控制电机工作的电压信号，达到了毕业任务书上的要求。关键词 直流电机 伺服系统 控制电路AbstractBy studying，a further comprehension about DC servo system has been gained. The paper takes a comprehensive view of the development history and working condition of DC servo system.Linking the title of the graduation project，we designed a low-power DC servo system control circuit,which is composed of signal generator、signal-amplifier、comparer and power amplifier. In the paper, the author made a very detailed theoretical analysis on the components of system, and approached the feasibility of the circuitrym,also finished the experiment .The adjusted circuit after experiment is feasible. The experiment indicates that under the control of the control signal,the circuit is able to output the voltage signal which controls the machine work,achieving the requirement of the graduation task.Keywords DC motor Servo system Control circuit目 录1 引言 11.1 伺服系统的发展简况 11.2 伺服系统的发展趋势 22 伺服系统的组成原理及基本特征 32.1 伺服系统的组成原理 32.2 伺服系统的分类 32.3 对伺服控制系统的基本要求 63 电路设计 73.1 控制电路设计 83.2 信号发生器的设计 83.3 比例放大器的设计 93.4 调零电路的设计 123.5 比较器电路的设计 133.6 功率放大器电路的设计 154 实验部分 174.1 信号发生器和比例放大器 174.2 信号的调零 184.3 比较器 194.4 功率放大电路 194.5 验证正信号工作情况 214.6 验证负信号工作情况 23结束语 25参考文献 27图 A：总电路图 281 引言本毕业设计是小功率直流伺服系统控制电路的硬件设计。根据任务书的要求，设计的控制电路要能控制系统工作，使伺服系统能驱动电机在正反两个方向的正常运行，满足自动位置跟随的性能要求。1.1 伺服系统的发展简况伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1934 年第一次提出了伺服机构这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服系统更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域，下面简单地列举几个例子。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到 1。在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都是依靠伺服系统来实现的，这些更是无法用人工操作来代替。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都有各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，同时也大大提高了工作效率。在军事上，伺服系统用得更为普遍，如雷达天线的自动瞄准跟踪控制，高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制，坦克炮塔的防摇稳定控制，防空导弹的制导控制，鱼雷的自动控制等。在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。如今，我国已成为世界上少有的几个能产生激光电视放像系统的国家，用激光将信息录制在光盘上。许多信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息道读取信息，各种信息道之间的间隔已达微米级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有相应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放像机，已开始进入我国人民的家庭生活。伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。1.2 伺服系统的发展趋势进入 20 世纪 80 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响。新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。同时，伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服系统转向软件伺服系统，智能化的软件伺服系统将成为伺服控制的一个发展趋势。就目前而言，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。2 伺服系统的组成原理及基本特征2.1 伺服系统的组成原理伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。伺服系统的种类很多，构成状况和工作状况也是多种多样的，可简单的用图 2-1的方块图来表示它的组成。它有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件，为使各部件之间有效地组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换电路和补偿装置。此外，以上各部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助设备。图 2-1 伺服系统方块图2.2 伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统，交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，主要分为开环伺服系统和闭环伺服系统 2。2.2.1 开环系统图 2-2 是开环系统构成图。它主要是由驱动电路、执行元件和负载三大部分组成。如果执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式开环系统；在开环系统中如果需要大功率驱动时，可以用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令信号放大，转化为驱动执行元件所需的信号。图 2-2 开环系统构成图2.2.2 闭环系统闭环系统主要是由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和负载五部分组成。其构成框图如图 2-3 所示。在闭环系统中，检测元件将负载移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。在一台机床上，通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统 3。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。图 2-3 闭环系统构成图比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的误差，误差被放大后经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到误差为零。由于比较环节输出的信号非常微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随信号误差，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。2.2.3 开环、闭环系统的优缺点和区别开环系统是没有输出反馈的一类控制系统，这种系统的输入直接供给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。开环系统的主要优点是结构简单、价格便宜、容易维修，它的主要缺点是精度低，容易受环境变化的干扰(例如电源波动、温度变化等)影响。在工业与国防等要求较高的应用领域，绝大多数控制系统的基本结构方案都是采用反馈原理，其输出的全部或部分被反馈到输入端。输入与反馈信号比较后的差值(即偏差信号)加给控制器，然后再调节受控对象的输出，从而形成闭环控制电路。所以，闭环控制系统又称为反馈控制系统，这种反馈必须为负反馈。闭环控制系统比开环控制系统，具有一系列的优点，精度高、动态性能好、抗干扰能力强等，其中突出的优点是精度高，闭环控制可及时减小干扰引起的偏差。缺点是结构比较复杂、价格比较贵、维修人员要求文化素质高。另外，从稳定性的角度看，开环系统比较容易建造，结构也比较简单，因为开环系统不存在引入反馈产生的稳定性问题。而闭环系统是靠偏差进行控制，对于反馈控制系统，由于元件的惯性或负载的惯性，调节不好容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环系统存在的主要矛盾。2.3 对伺服控制系统的基本要求自动控制系统用于不同的地方，要求也往往不一样。但自动控制技术是研究各类控制系统共同规律的一门技术，对控制系统有一个共同的需求，一般可归结为稳定、准确、快速 4。(1) 稳定性 由于系统往往存在着惯性，当系统的各个参数设置不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最终回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。(2) 快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。(3) 准确性 是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。例如数控机床精度越高，则加工精度也越高。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出较严格的要求。同一系统稳、准、快有时是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变差。这就要求我们必须通过分析和解决这些矛盾。3 电路设计根据任务书的要求，我的毕业设计是利用大学期间学过的理论知识，设计小功率直流伺服系统的控制电路，控制电机工作。小功率直流伺服系统应由以下几个部分组成，如图 3-1 所示：计算机数模转换比较器功率放大器执行电机测速发电机光电编码器速度反馈位置反馈信号放大器 图 3-1 小功率直流伺服系统组成图其中，计算机输出的信号是一个数字信号，是根据系统要完成的任务编制的程序来控制。根据系统要完成的任务，实现编好一个控制程序来控制系统工作。计算机就是执行这个控制程序的工具，它输出一个数字信号。系统的位置反馈元件选用了光电编码器，因为光电编码器随时测量执行电机的转角闻之，它输出一个数字信号 5。在系统中，我选用测速发电机输出的速度信号为系统的速度校正信号。测速发电机通常情况下与电机同轴联接(也可以通过减速器联接)，它随时测量电动机的转速，输出一个电压信号，在系统中起速度负反馈的作用。在整个小功率直流伺服系统中，计算机输出一个数字信号，和光电编码器所产生的位置负反馈相比较产生误差，误差信号经过数模转化器转化为模拟信号，然后由信号放大器将信号放大 6。接着放大的信号和测速发电机产生的速度负反馈相比较产生误差，误差信号经过功率放大器将信号放大来驱使电机的正常运行。3.1 控制电路设计在这个毕业设计中，我要完成的是信号发生器、信号放大器、比较器和功率放大器的设计。我的毕业设计不包括计算机控制程序的设计和数模转换器的设计。因此为了检验我所设计的控制电路是否可以达到预期的目的，所以我又设计了一个信号发生器，代替数模转换器输出信号。在设计中，要应用到模拟电路、控制理论的知识，还要根据执行电机的功率估计放大器各级所选的元件参数，控制电路要能保证电机在正、反两个方向运动。这个控制电路实际上是由信号发生器、比例放大器、调零电路、比较器和功率放大器构成，控制电路如图 3-2 所示：信号发生器 比例放大器调零电路比较器 功率放大器图 3-2 电路的总体设计方案速度负反馈其中，信号发生器是提供一个可调的正负变化的直流信号，经比例放大器将信号放大；调零电路是为了纠正运算放大器自身的误差而设计的，是防止当输入信号为零的时候，输出信号不为零，这时我们可以充分利用调零电路调节电位器提供一个反向的信号使得输出信号为零，从而保证运算放大器没有输入时也没有输出；比较器除了接收速度负反馈的信号，还要保证只有一个信号进入后面的电路；最后的功率放大器是通过将比较器输出的信号放大，使输出端拥有一个可以使得电机正常工作的电压信号。3.2 信号发生器的设计信号发生器的电路如图 3-3 所示，由 、 、 和+12V、-12V 的电源共同组1R21W成。在实验过程中，可以通过调节电位计 的阻值大小，来使输出端获得-3V+3V 的直流电压信号，以此作为实验中的输入信号。图 3-3 信号发生器3.3 比例放大器的设计集成运算放大器(简称运放)是具有高增益、高输入电子、输出电阻低、集成化的多级直接耦合放大器 7。通常，集成运放由 4 个部分组成，如图 3-4 所示：差动输入级 中间放大级 功率输出级恒流源偏置电路oUiU图 3-4 集成运放的基本组成输入级的主要作用是抑制电路的零点漂移，要求输入级的失调电压、失调电流小，共模抑制比大。此外，还要求输入级具有较高的输入电阻和一定的增益。输入级一般采用改进的差动放大电路。中间级的作用是放大信号，要求有尽可能高的电压增益。中间级一般采用直接耦合共射放大电路或差动放大电路。输出级直接与负载相连，需要带动负载做功，所以要求输出级必须提供足够大的功率，而且输出电阻要小，以便提高其带动负载的能力。为了安全工作，还要对输出级设置过载保护电路。输出级多采用直耦式功率放大电路，例如 OCL 功放或准OCL 功放。偏置电路要为各级提供合适的静态工作电流，并要求所提供的电流稳定。为此，偏置电路均为各种形式的电流源电路。比例放大器是将信号发生器所产生的信号按比例进行放大，按照输入信号加入不同的输入端，比例放大器有反相比例放大器、同相比例放大器、差动比例放大器三种主要形式，在本次电路的实验中所使用的都是反相比例放大器。反相比例放大器如图 3-5 所示，电阻 引入电压并联负反馈，输入信号经电阻fR接到运放的反相输入端，同相输入端经过电阻 接地。对于理想运算放大器，1R 是否接入不影响分析结果。但是在实际电路中，由于运放的输入级为差放电路，为了保证差放电路两个输入端的参数对称，以免产生附加的偏差电压，一般选择。1/f图 3-5 反相比例运算电路根据虚断 0i故 ， 0vfi1根据虚短 i所以 11Rvii于是 fifoiv1电压增益 1RvAfiof由上述关系式可知，该电路实现了反相比例运算，即输出电压与输入电压的幅值成正比，但相位相反。电路增益取决于电阻 和 之比，而与运放的内部参数无1f关。如果 ，则 。此时输出电压与输入电压的幅值相等，相位相反，fR11vfA称为“单位增益倒相器” ，也称为“反相器” 。在这次毕业设计电路中要多次使用到反相器，实验中选用线性放大器 F741 做反相器的输入。F741 的引脚图如图 3-6 所示：图 3-6 F741 的引脚图由于 F741 在线路中是反相器，输出信号的相位与输入信号的相位相反，故在这部分电路的设计中，要使用 2 个 F741，第一级是将由信号发生器产生的信号按比例放大，第二级是将第一级输出的信号反相，以此来获得和信号发生器相同相位的信号 8。比例放大器的电路图如图 3-7 所示：图 3-7 比例放大电路3.4 调零电路的设计调零电路的作用是为了抑制运算放大器自身的零点漂移 9。零点漂移(简称零漂)，是指运算放大器输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上下飘动。零点漂移产生的原因很多，例如电源电压变化、电路参数变化、器件更换及老化等，但最主要的原因是由三极管的温度敏感特性造成的。在多级直接耦合放大电路中，由于某种原因使输入级放大电路的工作点不稳定时，其输出电压将发生变化。对于直接耦合放大电路来说，前级电路输出电压的微小变化会逐级被放大，这样放大电路的输出端就会产生较大的偏移电压。有时漂移电压的大小可以和有效信号电压相比，甚至会把有效信号电压淹没，使放大器无法正常工作。因此在本电路的设计和实验中，抑制零点漂移是一个非常重要的问题。调零电路的电路图如图 3-8 所示，如果在实验中当输入信号为零，而输出信号却不为零时，我们可以通过调节电位计 阻值的大小，给输入端加一个反相的输入信号，使得2RW输出信号为零，保证电路的正常工作。图 3-8 调零电路3.5 比较器电路的设计电压比较器是常用的模拟信号处理电路，它将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较，并将比较结果输出。电压比较器的输入信号是模拟量，输出只可能是两种状态：高电平或低电平，也即输出信号是数字量，所以电压比较器可以用于模/数转换。除此之外，电压比较器还常常用于非正弦波的产生和变换等。电压比较器是集成运放工作在开环或正反馈状态的情况，由于开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态，输出和输入不成线性关系。此时集成运放处于非线性状态，具有开关特性 10。比较器电路的电路图如图 3-9 所示。图中二极管 D5、D6 是为了保护运算放大器而设置的。二极管 D5、D6 横跨在比较器的正反输入端，将集成运放反相输入端电压钳位在 ， 为二极管的正向压降，二极管最高反向工作电压应大于电源电压。fUf速度负反馈信号在这里加入，它与信号放大器的输出信号同时进入 的反相端，3A比较后的信号进入 。4A图 3-9 比较器电路在实验中，二极管选用 IN4001，其参数表如表 3-1 所示：表 3-1 二极管的参数额定整流电路 1A正向压降 0.5V反相电流 5A最大反相耐压 1000V根据毕业设计的要求，控制电路要保证电机在正、反两个方向运动。本次设计很巧妙的利用了二极管的单向导通性，设计了两条支路，一条支路允许正信号通过，另一条则允许负信号通过。以进入 的负信号为例进行分析，如若输入信号为正信4A号，经过反相器 F741 后，输出信号相位和输入相反，为负信号，而在输出端有二极管 D8 的存在，使得输出信号无法转输到后面的电路，从而抑制了正信号的正常通过；反之，如果输入端是负信号，经反相器 741 反相后在输出端输入信号为正信号，可以成功通过二极管 D8，保证信号继续传递到后面的电路上去，维持电路的正常工作。3.6 功率放大器电路的设计一般地，多级放大电路的最后一级总是要提供一定的功率，用以驱动负载工作。例如，收音机中的扬声器的音圈、显示仪表的指针、电动机的控制绕组、计算机显示器或电视机的扫描偏转线圈等。所以多级放大电路中除了有电压放大级外，还要有一个能输出一定功率的输出级。工程上把这种主要用于向负载提供较大功率输出的放大电路称为功率放大电路 11。功率放大电路与前边述说的电压放大电路在本质上是相同的，都是能量控制器件，即利用晶体管的电流控制作用，将直流电源的能量转换为一定形式的交流信号的能量进行输出。但是功率放大电路与电压放大电路又有一定的区别，二者工作的目的是不同的。电压放大电路主要用来不失真地放大较小的输入信号(小信号)的幅值，一般用于多级电路的前级和中间级；而功率放大电路通常在大信号条件下工作，主要作用是获得不失真的或较小失真的功率输出。因此，功率放大电路必然有一些与电压放大电路不同之处，功率电路要求输出功率尽可能高，效率尽可能高，非线性失真小，并且需要考虑 BJT 的散热问题(功率管的损坏与保护)，等等。功率放大电路是一种以输出较高功率为目的的放大电路。为了获得高的输出功率，必须使得输出信号有高的电压输出和大的电流输出。就放大器而言，按工作状态不同可分为甲类、乙类、甲乙类和丙类。甲类放大器的工作点建立在线性放大区，在输入信号作用的一个周期内，管子始终有电流通过，导通角 ，其特点是不失真放大，但管耗大、效率低，理想360效率不超过 50%，是小信号电压放大所采用的状态。乙类放大器仅放大信号的半周，导通角 ，虽然减少了静态功耗，理想效率可达 78.5%，但出现了严重的波形180失真。为此，乙类放大采用推挽式，采用两支三极管，均工作于甲乙类，每只管子分别放大信号的正负半周，最后合成完整的波形，因此乙类是功放的理想工作点，而不是实际工作点。这是由于工作点建立在乙类，会因为管子的非线性而出现交越失真，为此，将工作点建立在甲类和乙类之间，即甲乙类，其导通角略大于 180，这时推挽式功放的实际工作点。丙类功放用于高频电路，工作点建立在小于开启电压的点上，即放大器零偏置或反偏置，在大信号时信号才进入放大区，其导通角，这时放大器放大的是余弦脉冲，需要利用谐振贿赂取出其基波分量，因此180丙类放大器用于高频信号的功率放大 12。起先，我根据多级放大电路的原理设计了功率放大电路如下图 3-10 所示。3 个三极管将输入的信号 b1 进行多级放大，然后在 输出一个可以驱动电机正常工作outU的信号。但是后来在进行实验的时候发现这个电路存在着问题，详细情况将在第四章实验部分中加以详细说明。图 3-10 功率放大电路4 实验部分我在对电路进行设计完成之后，就开始了实验。通过实验对电路设计的合理性和可行性做进一步的论证，以下是我的实验调试的步骤和一些数据。4.1 信号发生器和比例放大器在毕业设计的电路图中，第一部分是信号发生器和比例放大器电路，信号发生器提供一个3V 的电压信号，经比例放大电路将信号放大 1.8 倍。本部分调试是为了验证比例放大电路的放大倍数是否与理论值相一致。在调试过程中，只需要将电阻 R9 接地即可，实验电路图如图 4-1 所示：图 4-1 信号发生器和比例放大器的调试电路在实验中，通过调节电位计 RW1 的大小，使 a 点获得一个电压，通过测量 b 点的电压来验证比例放大器电路是否正确，放大倍数是否与理论值相一致。以下表 4-1 是实验中测得的一些数据。表 4-1 比例放大电路实验数据a b(理论值) b(实验值)1V 1.80V 1.78V0.5V 0.90V 0.89V0 0 0-0.5V -0.90V -0.92V-1V -1.80V -1.83V理论计算，比例放大器的放大倍数为 8.1527)(3568RA由上述测量数据表格可知，实际的测量数据与理论的计算相差很小，在误差允许的范围内，实验结果与理论值相一致。4.2 信号的调零信号的调零作用是为了抑制运算放大器的零点漂移。为了说明这个问题，我把运算放大器画在了调零电路中。电路图如图 4-2 所示：3A图 4-2 信号的调零电路实验时，首先，将 R9 左边和 R15 的右边接地，这样做是看当输入为零时，输出是否也为零。然后测量 c 点的电压，通过调节电位计 RW2 的大小，使得 c 点的电压信号为 0。调零完成后，保证 RW2 的电阻值不变，接着进行下面的实验。4.3 比较器比较器的电路除了接收速度负反馈的信号，还要保证只允许一个负信号进入 。4A调零电路保证了 在没有输入信号时，输出也为零。那么当有信号和反馈信号3A经过 时，就会有一个信号输出；当 输出为负信号时， 导通有一个正信号输3A3A4A出。、 的作用就是只允许负信号进入。详细图如图 3-9 所示。7D84.4 功率放大电路在完成了比较器电路的接线后，我按照图 3-10 所示的多级放大电路作为整个电路的功率放大环节。在接完线路后，我测得一组数据如下表 4-2 所示：表 4-2 功率放大电路数据a 1b2eoutU-1.50V 1.76V 19.40V 18.89V-1.00V 1.23V 20.3V 19.80V-0.50V 0.73V 21.2V 20.6V0 0 21.4V 20.9V注：a 点电压为信号发生器输出端的电压。根据以上数据我发现当输入为零的时候，输出不为零， 。经过与老师讨论，发现功率放大器电路有问题。因此对电路进行了改造。见下图 4-3 所示。这个功率放大器电路是由运算放大器 LM358、三极管 3DG182H 和 3DD102C 及一些电阻、二极管等元件组成的 13。有一点需要加以说明，二极管 D11 是起了一个保护的作用，在这个设计中，输出端的负载接的是直流电机，在驱动电机工作的时候，会产生一个反向电动势，因此为了防止反向电动势对整个系统造成影响，需要在系统的输出端并联一个二极管。这样，当产生反向电动势时，电机与二极管组成一个回路，从而保护了大功率管和系统的安全性。可调电位计 在线路中起负反馈的作用。 3RW图 4-3 功率放大器电路电路中要用到的三极管参数如表 4-3 所示：表 4-3 三极管参数型号参数号3DG6C 3DG182H 3DD102CCMP100mW 700mW 30WI200mA 300mA 3ACBOV20V V140200VE4V 5V 4V注： 和 是直流参数，分别为受基极击穿电压和发射极击穿电压； 和CBO CMP是极限参数 14。MILM358 的管脚图如图 4-4 所示：图 4-4 LM358 的管脚图这时，经测量，当输入为零的时候，输出也为零。这时因为在功率放大器电路中引入了负反馈 15。4.5 验证正信号工作情况在完成以上各部分的调试之后，我按图 4-5 所示的电路进行了调试。实验中，调节 RW1 的大小获得一个输入信号，接着调节反馈电路上电位计 RW3的大小，使得 端获得一个较大的电压信号，接着就保持 RW3 的大小不变。通过outU调节 RW1 的大小测量图中各个点的电压值得到一组数据如下表 4-4 所示：表 4-4 正信号工作实验数据a b c d e outU0 0 0 0 0 00.20V 0.35V -0.35V 0.36V 5.56V 4.93V0.40V 0.72V -0.72V 0.74V 11.05V 10.55V0.60V 1.07V -1.07V 1.10V 17.09V 16.66V0.80V 1.43V -1.42V 1.45V 19.94V 19.50V1.00V 1.78V -1.78V 1.82V 19.87V 19.50V1.50V 2.68V -2.69V 2.73V 19.87V 19.49V通过以上表格，首先我们可以看出，在输入信号为 0 的时候，输出信号也为 0，这就说明，在没有输入信号的时候，负载是不工作的。随着输入信号的逐步加大，负载渐渐开始工作，当输入达到某一个特定的值的时候，输出信号几乎不变，这就说明，此时三极管已经接近饱和，所以输出信号将不会像刚开始那样随着输入信号的增大而大幅度提升。在本任务书中，要求驱动的电机的额定电压为 24V，而这个电路中，输出端电压的信号完全满足电机的要求，成功带动了负载的正常工作。图 4-5 正信号完整电路图4.6 验证负信号工作情况在完成了正信号的电路调试后，只需将二极管 D7 和 D8 反相，然后在功率放大电路前面加上一个反相电路，将负信号转化为正信号，其他地方的原理与正信号的工作原理相一致。详细的负信号工作电路图如图 4-6 所示。实验中测得的数据如下表 4-5 所示：a b c d e outU0 0 0 0 0 0-0.20V -0.36V 0.36V 0.37V 6.44V 5.22V-0.40V -0.73V 0.73V 0.79V 11.25V 10.83V-0.60V -1.08V 1.09V 1.15V 16.04V 15.59V-0.80V -1.43V 1.45V 1.53V 21.2V 20.1V-1.00V -1.80V 1.80V 1.86V 21.9V 21.5V-1.50V -2.69V 2.70V 2.80V 21.9V 21.3V有关实验中负信号工作时测得数据的两点说明：（1）有效数字问题。在上表中有些数据到小数点后面 1 位，有些则精确到后面2 位。这个是由于在实验中万能表的量程决定的，由于在实验中起初设定的量程是20V，而在负信号达到-0.80V 的时候，e 点和 点的输出电压超过 20V 了，因此在outU测量那些电压的时候量程设为 200V，测得的数据也因此只精确到小数点后面 1 位了。（2）正负信号相同输入大小，输出信号有较大的偏差。这个问题是由于我在做完正信号电路实验，接下去做负信号实验的时候不慎将三极管 3DG182H 烧坏，而我却并不知道这一现象的发生。在负信号实验不成功的时候反复检查电路，当然，也曾经调节过反馈回路的电位计 RW4，后经我和王老师的共同检查发现是三极管3DG182H 烧坏，换了三极管后反馈回路的电阻和正信号的时候的阻值不相等了，所以负信号时输出端 的电压与正信号时有少量偏差。 outU表 4-5 负信号工作实验数据图 4-6 负信号完整