机电一体化常用电路与应用课件

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4-43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.tif1.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4-25PID调节电路4.3集成电路及应用图4-26555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，但若接地不当，则可能反而成为干扰来源。1)数字地。2)模拟地。3)功率地。4)信号地。5)屏蔽地。1)单点接地和多点接地。4.4抗干扰技术图4-35单点接地方式4.4抗干扰技术图4-36并联接地方式4.4抗干扰技术2)交流地与信号地不能共用。3)高电平线和低电平线不要走同一条电缆，不要走同一个接插件。(3)抗辐射干扰：抗辐射干扰的主要方法有吸收和隔离两种方法。习题1.电阻和电容色环含义是什么？色环绿、棕、红、金表示的电阻值是多少？2.继电器在机电一体化系统中有什么作用？什么是SSR？3.电感及继电器选用时应注意哪些主要事项？4.三极管的主要类型及作用有哪些？5.晶闸管的导通、关断的条件分别是什么？6.晶体管替代使用有哪些情况？7.简述图4-6所示晶闸管变频电路的原理？4.4抗干扰技术8.DC/DC变换电路和光隔离电路所起的主要作用是什么？9.采用数字信号的优点有哪些？10.常见的数字逻辑运算有哪几种？11.简述RS触发器、JK触发器和施密特触发器的工作原理及主要作用？12.利用集成电路组装系统或产品有哪些优点？13.常见的集成电路封装形式有哪些？如何识别集成电路引脚？14.集成运算放大器和555集成电路有什么特点？15.采样-保持器在数字电路中有什么作用？16.PID调节指的是什么调节规律？采用PID调节有什么特点？17.集成电路使用应注意哪些主要问题？替代使用有哪些主要替代方法？4.4抗干扰技术18.机电一体化设备或系统一般受到的干扰有哪几种？19.供电系统的抗干扰方法主要有哪些？20.对于机电一体化系统的计算机控制系统而言，接地的种类可大致分为哪几种？抗接地干扰主要有哪些方法？