機(jī)電一體化常用電路及應(yīng)用.ppt

第4章 機(jī)電一體化常用電路及應(yīng)用,4.1 模擬電路及應(yīng)用 4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用 4.3 集成電路及應(yīng)用 4.4 抗干擾技術(shù),4.1 模擬電路及應(yīng)用,4.1.1 構(gòu)成模擬電路的主要元器件 構(gòu)成模擬電路的主要元器件包括電阻、電容、電感線圈、變壓器、二極管、三極管、石英諧振器和繼電器等。 1.電阻 電阻是電子線路中應(yīng)用最多的元件之一，其在電路中主要用于分壓、分流、濾波、偶合、阻抗匹配以及作為負(fù)載等。,圖4-1 電阻阻值表示法 a)數(shù)值表示法 b)色環(huán)表示法,4.1 模擬電路及應(yīng)用,表4-1 電阻值的色環(huán)含義,4.1 模擬電路及應(yīng)用,表4-1 電阻值的色環(huán)含義,第一色環(huán)表示電阻值的第一位數(shù)。 第二色環(huán)表示電阻值的第二位數(shù)。 第三色環(huán)表示電阻值的乘數(shù)。 第四色環(huán)表示電阻值的允許誤差。 2.電容 電容具有隔直流和通交流的能力，在電氣工程和無(wú)線電工程中有非常重要的作用。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,表4-2 電容值的色環(huán)含義,第一色環(huán)和第二色環(huán)表示電容器容量的第一位數(shù)和第二位數(shù)。 第三色環(huán)表示電容器容量的乘數(shù)。 第四色環(huán)表示電容器容量的允許誤差。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-2 電容器色環(huán)表示法,4.1 模擬電路及應(yīng)用,3.電感線圈和變壓器 (1)電感線圈：電感線圈是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的器件，在LC濾波、調(diào)諧放大器或振蕩器的諧振和均衡電路等方面有比較多的運(yùn)用。 1)按工作頻率的要求選擇某種結(jié)構(gòu)的線圈。 2)在高頻電路中，應(yīng)使用高頻損耗小的高頻瓷材料作線圈骨架。 (2)變壓器：變壓器是利用兩個(gè)繞組的互感原理來(lái)傳遞交流電信號(hào)和能量的器件。 4.二極管 5.三極管 三極管是電子線路中用途十分廣泛的器件。 (1)場(chǎng)效應(yīng)晶體管：一種電壓控制的半導(dǎo)體器件，可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS管)。 (2)單結(jié)晶體管：因其具有兩個(gè)基極，故又稱為雙基極三極管。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,(3)晶閘管：晶閘管是一種能進(jìn)行強(qiáng)電控制的大功率半導(dǎo)體器件。,圖4-3 利用單結(jié)晶體管構(gòu)成的 基本晶閘管觸發(fā)電路,4.1 模擬電路及應(yīng)用,1)電極數(shù)目。 2)材料和極性。 3)類型。 4)序號(hào)。 5)規(guī)格。,表4-3 晶體管型號(hào)中漢語(yǔ)拼音字母的含義,4.1 模擬電路及應(yīng)用,表4-3 晶體管型號(hào)中漢語(yǔ)拼音字母的含義,1)用高頻管代替低頻管，需要注意功率的問(wèn)題，但低頻管不能代替高頻管。 2)用開關(guān)管代替普通管。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,3)只要參數(shù)相同，PNP和NPN管一般可以互相代替，但要注意管腳極性的變化。 4)用不同三極管代替場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 5)用復(fù)合管代替單個(gè)三極管，增加放大倍數(shù)。 6.石英諧振器 石英諧振器的主要原料是石英單晶(水晶)。 7.繼電器 繼電器是一種對(duì)電路進(jìn)行控制和換接的器件，是自動(dòng)化設(shè)備中的主要電器元件，起著自動(dòng)操作、自動(dòng)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)等重要作用。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,1)根據(jù)所控制的電路確定觸點(diǎn)的種類及數(shù)量，以觸點(diǎn)電路的電流種類、大小及電壓高低確定觸點(diǎn)容量。 2)根據(jù)控制電路的特點(diǎn)，確定繼電器的種類、功率及容量。 3)根據(jù)控制電路的要求，確定繼電器的動(dòng)作時(shí)間。,圖4-4 固態(tài)繼電器內(nèi)部組成圖,4.1 模擬電路及應(yīng)用,4)選用繼電器應(yīng)考慮的環(huán)境和工作條件包括：溫度和濕度，設(shè)備或電路的工作壽命，設(shè)備的振動(dòng)和移動(dòng)對(duì)繼電器的影響，繼電器的外形尺寸、體積和重量。 4.1.2 電路簡(jiǎn)介 有關(guān)模擬電路的電路分析、計(jì)算和功能介紹，請(qǐng)查閱有關(guān)專業(yè)書籍或手冊(cè)。 1.電源電路 電源電路主要是指為工作設(shè)備的需要，將外部電源轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需要的電源的電路部分，是設(shè)備電路的常用組成部分，最常用的有整流電路、隔離電路和變頻電路等。 (1)晶閘管可控電源電路：對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)而言，晶閘管可控電源是比較常見的。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-5 單相全控整流電路及波形 a)電路 b)波形,(2)晶閘管變頻電路：晶閘管變頻電路在電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中有,4.1 模擬電路及應(yīng)用,著十分重要的應(yīng)用。,圖4-6 晶閘管變頻電路,(3) DC/DC隔離電源：采用DC/DC隔離電源的目的主要是隔開兩側(cè)電路的地線，以切斷電源干擾，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要抗干擾措施。 1)開關(guān)穩(wěn)壓電源。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,2)推挽式DC/DC變換電源。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-7 開關(guān)穩(wěn)壓電源,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-8 推挽式DC/DC變換電源,3)橋式DC/DC變換電源。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-9 橋式DC/DC變換電源,2.光隔離電路和開關(guān)量輸出控制 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，各種功率、控制信號(hào)交織在一起，各個(gè)控制系統(tǒng)之間的相互干擾是無(wú)法避免的。,4.1 模擬電路及應(yīng)用,圖4-10 光隔離和開關(guān)量輸出控制電路,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,4.2.1 數(shù)字電路的特點(diǎn) 數(shù)字電路是用以傳遞、加工和處理數(shù)字信號(hào)的電路。 1)采用二進(jìn)制。 2)抗干擾能力強(qiáng)。 3)精度高。 4)保密性好。 5)通用性強(qiáng)。 4.2.2 數(shù)字電路的基本單元 1.邏輯門電路及邏輯代數(shù) 邏輯門電路一般是利用電路的輸入信號(hào)作為條件，輸出信號(hào)作為結(jié)果，從而使電路的輸入和輸出之間有一定的因果關(guān)系(邏輯關(guān)系)。,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,表4-4 3種基本邏輯運(yùn)算,2.組合邏輯電路 利用基本邏輯電路，可以組合成能完成一定功能的邏輯電路。,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,表4-5 幾種常見的復(fù)合邏輯運(yùn)算,4.2.3 雙穩(wěn)態(tài)集成觸發(fā)器及應(yīng)用,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-11 基本RS觸發(fā)器 a)邏輯圖 b)邏輯符號(hào),4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-12 同步RS觸發(fā)器 a)邏輯圖 b)邏輯符號(hào),4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,1)基本RS觸發(fā)器。 2)同步RS觸發(fā)器和主從RS觸發(fā)器。 3)主從JK觸發(fā)器。,圖4-13 主從RS觸發(fā)器,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-14 主從JK觸發(fā)器,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-15 施密特觸發(fā)器的滯后特性,4)施密特觸發(fā)器。,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-16 正弦波整形為矩形波,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,4.2.4 其他觸發(fā)器及其應(yīng)用 1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路有穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)不同的工作狀態(tài)。,圖4-17 受干擾波整形為矩形波,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,2.無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(振蕩器) 圖4-19所示為兩個(gè)CMOS反向器組成的 多諧振蕩器，該電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，uO1=1、uO2=0為一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。,圖4-18 微分型單穩(wěn)態(tài)電路,4.2 數(shù)字電路及應(yīng)用,圖4-19 多諧振蕩器,4.3 集成電路及應(yīng)用,1)電路合理，系統(tǒng)質(zhì)量高。 2)降低系統(tǒng)成本，提高生產(chǎn)效率。 3)減少元器件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。 4.3.1 集成電路的分類和封裝形式 集成電路的封裝材料主要有金屬、陶瓷和塑料等。,圖4-20 常見的集成電路封裝形式 a)雙列直插式 b)單列直插式 c)扁平雙列式 d)圓形結(jié)構(gòu),4.3 集成電路及應(yīng)用,圖4-21 封裝引腳的識(shí)別,4.3 集成電路及應(yīng)用,表4-6 半導(dǎo)體集成電路的型號(hào)命名(國(guó)標(biāo)),4.3.2 集成電路的主要應(yīng)用,4.3 集成電路及應(yīng)用,集成電路的應(yīng)用是極其廣泛的，今天，我們幾乎已經(jīng)找不到?jīng)]有集成電路的電氣設(shè)備。,圖4-22 集成運(yùn)放的 電路符號(hào),4.3 集成電路及應(yīng)用,4M22.tif,1.集成運(yùn)算放大器及其運(yùn)用 運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)是高增益的直流放大器。 (1)比例放大電路：圖4-23所示為由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的基本比例放大電路。,4.3 集成電路及應(yīng)用,圖4-23 由集成運(yùn)放構(gòu)成的基本比例放大電路 a)同比例放大 b)反向比例放大,(2)采樣-保持電路：在對(duì)高速變化的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，,4.3 集成電路及應(yīng)用,必須在輸入模擬信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換之間加上采樣-保持電路，才能保證A/D轉(zhuǎn)換的可靠性和準(zhǔn)確性。 (3) PID調(diào)節(jié)電路：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)器是廣泛應(yīng)用的通用校正裝置，其作用是對(duì)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)與給定信號(hào)相比較得到的偏差量進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生相對(duì)的輸出，去控制系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)節(jié)。,圖4-24 采樣“峰值”保持電路 a)電路 b)“峰值”保持波形圖,4.3 集成電路及應(yīng)用,圖4-25 PID調(diào)節(jié)電路,4.3 集成電路及應(yīng)用,圖4-26 555集成電路,4.3 集成電路及應(yīng)用,2. 555電路的基本運(yùn)用 集成555定時(shí)器是另一種運(yùn)用十分廣泛的 多用途集成電路。 (1)利用555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器電路：如圖4-27所示，將2、6引腳連接在一起作為輸入端，4、8引腳作為工作電壓UCC的接入端。,圖4-27 施密特觸發(fā)器及工作波形圖 a)電路 b)波形圖,4.3 集成電路及應(yīng)用,(2) 利用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路：如圖4-28所示，引腳2作為輸入端，用負(fù)階躍信號(hào)觸發(fā)。,圖4-28 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及其工作波形圖 a)電路 b)波形圖,4.3 集成電路及應(yīng)用,(3)利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器電路：如圖4-29所示，由于是無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，因此，無(wú)需輸入信號(hào)，接通電源就可產(chǎn)生振蕩。,圖4-29 多諧振蕩器電路及其工作波形 a)電路 b)波形圖,4.3 集成電路及應(yīng)用,3.直流穩(wěn)壓集成電路 直流穩(wěn)壓集成電路有很多種，主要有78/79系列固定型輸出穩(wěn)壓電路和317/337系列輸出電壓可調(diào)型穩(wěn)壓電路。 4.3.3 集成電路的使用注意事項(xiàng) 1.含有集成電路的電路板布線要求 集成電路都是安裝在印制電路板上的，印制電路板合理的布線是防止干擾、提高電路性能的重要方面。,圖4-30 由7800集成電路構(gòu)成的穩(wěn)壓電路,4.3 集成電路及應(yīng)用,2.集成電路的正確使用 1)不允許在超極限的條件下工作。 2)正確控制輸入信號(hào)的強(qiáng)度。 3)注意引腳的排列順序，特別是在用其他集成電路替代原設(shè)計(jì)集成電路時(shí)，更要注意這一點(diǎn)。 4)要注意消除集成電路的自激現(xiàn)象，可通過(guò)在相應(yīng)引腳接入電容的方法防止自激。 5)注意不同集成電路之間的電平配置。 4.3.4 集成電路替換技巧 在實(shí)際電路設(shè)計(jì)、制作或維修時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到集成電路替換的問(wèn)題，下面就介紹一些集成電路替換的技巧。,4.3 集成電路及應(yīng)用,1.直接替換 直接替換是指用其他集成電路不經(jīng)任何改動(dòng)而直接取代原來(lái)的集成電路，替換后不影響機(jī)器的主要性能與指標(biāo)。 (1)同一型號(hào)集成電路的替換。 (2)不同型號(hào)集成電路的替換 1)型號(hào)前綴字母相同、數(shù)字不同的集成電路替換。 2)型號(hào)前綴字母不同、數(shù)字相同的集成電路替換。 3)型號(hào)前綴字母和數(shù)字都不同的集成電路替換。 2.非直接替換 非直接替換是指不能進(jìn)行直接替換的集成電路，稍加修改其外圍電路，改變?cè)_的排列或增減個(gè)別元件等，使之成為可替換的集成電路的方法。 1)不同封裝集成電路的替換。 2)電路功能相同但個(gè)別引腳功能不同的集成電路的替換。,4.3 集成電路及應(yīng)用,3)類型相同但引腳功能不同的集成電路的替換。 3.用分立元器件替換集成電路 有時(shí)可用分立元器件替換集成電路中被損壞的部分，使其恢復(fù)功能。 4.組合替換 組合替換就是把同一型號(hào)的多塊集成電路內(nèi)部未受損的電路部分重新組合成一塊完整的集成電路，用以代替功能不良的集成電路的方法。 1)要注意集成電路引腳的編號(hào)順序，切勿接錯(cuò)。 2)為適應(yīng)替換后的集成電路的特點(diǎn)，與其相連的外圍電路的元器件要作相應(yīng)的改變。 3)電源電壓要與替換后的集成電路相符。 4)替換以后要測(cè)量集成電路的靜態(tài)工作電流，如電流遠(yuǎn)大于正常值，則說(shuō)明電路可能產(chǎn)生自激，這時(shí)須進(jìn)行調(diào)整。,4.3 集成電路及應(yīng)用,5)替換后集成電路的輸入、輸出阻抗要與原電路相匹配；檢查其驅(qū)動(dòng)能力。 6)在改動(dòng)時(shí)要充分利用原電路板上的腳孔和引線,外接引線要求整齊，避免前后交叉，以便檢查和防止電路自激，特別是防止高頻自激。 7)在通電前，電源回路里最好再串接一直流電流表，將降壓電阻阻值由大到小改變，觀察集成電路總電流的變化是否正常。 1.有關(guān)名詞解釋 1)印制線路。 2)印制電路。 3)印制電路板。 4)低密度印制板。,4.3 集成電路及應(yīng)用,5)中密度印制板。 6)高密度印制板。 2.印制電路按所用基材的分類 按所用基材不同，印制電路可分為剛性、撓性和剛-撓性。 3.一般覆銅箔板的制作 一般覆銅箔板是用增強(qiáng)材料(玻璃纖維布、玻璃氈和浸漬纖維紙等)浸以樹脂粘合劑，通過(guò)烘干、裁剪、疊合成坯料，然后覆上銅箔，用鋼板作為模具，在熱壓機(jī)中經(jīng)高溫、高壓成形而制成的。 4.根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T47211992規(guī)定介紹印制電路板的型號(hào) 產(chǎn)品型號(hào)第一個(gè)字母C即表示覆銅箔。 5.有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的英文縮寫 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其縮寫見表4-7。,4.3 集成電路及應(yīng)用,表4-7 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其縮寫,6.壓延銅箔和電解銅箔的性能特點(diǎn)和制法 壓延銅箔是將銅板經(jīng)過(guò)多次重復(fù)輥扎而制成的。,4.3 集成電路及應(yīng)用,7.一般紙基覆銅箔板與環(huán)氧玻璃布基覆銅箔板的比較 一般紙基覆銅箔板與環(huán)氧玻璃布基覆銅箔板相比，具有價(jià)格低和PCB可沖孔加工等優(yōu)點(diǎn)。 8.印制電路的作用 首先，為晶體管、集成電路、電阻、電容和電感等元器件提供了固定和裝配的機(jī)械支撐；其次，它實(shí)現(xiàn)了晶體管、集成電路、電阻、電容和電感等元器件之間的布線和電氣連接、電絕緣，并滿足其電氣特性；最后，為電子裝配工藝中元器件的檢查、維修提供了識(shí)別字符和圖形，為波峰焊接提供了阻焊圖形。 9.印制電路制造工藝的分類,4.3 集成電路及應(yīng)用,(1)加成法：避免使用大量蝕刻銅，降低了成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，提高了生產(chǎn)效率，能達(dá)到齊平導(dǎo)線和齊平表面，提高了金屬化孔的可靠性。 1)全加成法工藝流程為鉆孔、成像、增粘處理(負(fù)相)、化學(xué)鍍銅、去除抗蝕劑。 2)半加成法工藝流程為鉆孔、催化處理和增粘處理、化學(xué)鍍銅、成像(電鍍抗蝕劑)、圖形電鍍銅(負(fù)相)、去除抗蝕劑、差分蝕刻。 3)部分加成法工藝流程為成像(抗蝕刻)、蝕刻銅(正相)、去除抗蝕層、全板涂覆電鍍抗蝕劑、鉆孔、孔內(nèi)化學(xué)鍍銅、去除電鍍抗蝕劑。 (2)減成法：工藝成熟、穩(wěn)定、可靠。,4.3 集成電路及應(yīng)用,1)全板電鍍(掩蔽法)工藝流程為雙面覆銅板下料、鉆孔、孔金屬化、全板電鍍加厚、表面處理、貼光致掩蔽型干膜、制正相導(dǎo)線圖形、蝕刻、去膜、插頭電鍍、外形加工、檢驗(yàn)、印制阻焊涂料、熱風(fēng)整平、網(wǎng)印制標(biāo)記符號(hào)、成品。 2)圖形電鍍(裸銅覆阻焊膜)工藝流程為雙面覆銅板下料、沖定位孔、數(shù)控鉆孔、檢驗(yàn)、去毛刺、化學(xué)鍍薄銅、電鍍薄銅、檢驗(yàn)、刷板、貼膜(或網(wǎng)印)、曝光顯影(或固化)、檢驗(yàn)修版、圖形電鍍銅、圖形電鍍錫鉛合金、去膜(或去除印料)、檢驗(yàn)修版、蝕刻、退鉛錫、通斷路測(cè)試、清洗、阻焊圖形、插頭鍍鎳/金、插頭貼膠帶、熱風(fēng)整平、清洗、網(wǎng)印制標(biāo)記符號(hào)、外形加工、清洗干燥、檢驗(yàn)、包裝、成品。 10.單面板、雙面板和多層板,4.3 集成電路及應(yīng)用,1)單面板。 2)雙面板。 3)多層板。,4.4 抗干擾技術(shù),1.干擾的來(lái)源 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，干擾是產(chǎn)生元器件失效、數(shù)據(jù)傳輸和處理錯(cuò)誤，從而影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作的一個(gè)最常見和最主要的因素之一。 (1)傳導(dǎo)型干擾：傳導(dǎo)型干擾可分為供電干擾、強(qiáng)電干擾和接地干擾。 1)供電干擾。,4.4 抗干擾技術(shù),2)強(qiáng)電干擾。,圖4-31 干擾來(lái)源,4.4 抗干擾技術(shù),3)接地干擾。,圖4-32 接地點(diǎn)遠(yuǎn)離形成接地環(huán)流,4.4 抗干擾技術(shù),圖4-33 集中接地形成接地環(huán)流,4.4 抗干擾技術(shù),(2)輻射型干擾：輻射型干擾是由存在于設(shè)備附近的電磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)等輻射源，通過(guò)空間感應(yīng)而直接干擾設(shè)備的控制系統(tǒng)或?qū)Ь€，使之控制電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖干擾信號(hào)。 1)電磁干擾。 2)靜電干擾。 2.抗干擾措施 針對(duì)上述各種干擾源的性質(zhì)和形成干擾的不同部位，我們必須采取各種相應(yīng)的抗干擾措施，以避免或減輕干擾對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的影響，提高設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性。 (1)供電系統(tǒng)的抗干擾：針對(duì)交流電網(wǎng)采取的抗干擾措施主要有穩(wěn)壓、濾波和隔離。,4.4 抗干擾技術(shù),圖4-34 低通濾波電路,4.4 抗干擾技術(shù),1)穩(wěn)壓。 2)濾波。 3)隔離。 (2)地線抗干擾：電器設(shè)備接地的目的之一就是抑制干擾，但若接地不當(dāng)，則可能