本單元課程訓(xùn)練目標(biāo)在於藉由電腦輔助電路模擬并動(dòng)手制作簡(jiǎn)單且安全的...

1、.一、 前言本單元課程訓(xùn)練目標(biāo)在於藉由電腦輔助電路模擬並動(dòng)手製作簡(jiǎn)單且安全的小型的電動(dòng)機(jī)控制，使學(xué)生明瞭電動(dòng)機(jī)控制所需各領(lǐng)域彼此的關(guān)係。這種訓(xùn)練除了讓學(xué)生有按步引導(dǎo)親自參與的學(xué)習(xí)成就感外且灌輸工業(yè)界實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)之重要基本概念；亦即實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)評(píng)估工作由適當(dāng)?shù)能涹w模擬優(yōu)先硬體模擬。本課程實(shí)際上是電機(jī)領(lǐng)域中諸多學(xué)門之綜合體；也就是說，它是一門實(shí)務(wù)應(yīng)用課程。它與其他課程相同為達(dá)到學(xué)習(xí)的成效，必須事先修習(xí)一些相關(guān)課程做為基礎(chǔ)，如電子學(xué)、電路 學(xué)、電力電子學(xué)、數(shù)位邏輯、電機(jī)機(jī)械、自動(dòng)控制、單晶片、感測(cè)元件、電路模擬分析等課程，彼此關(guān)係如圖1所示。電子學(xué)電路學(xué)感測(cè)元件電力電子學(xué)電路模擬分析電動(dòng)機(jī)控制實(shí)習(xí)數(shù)位邏輯自

2、動(dòng)控制電機(jī)機(jī)械 圖1 電動(dòng)機(jī)控制實(shí)習(xí)與各學(xué)門之關(guān)連性至於課程實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇PWM方法來控制直流馬達(dá)的速度，並分別進(jìn)行軟體模擬分析與硬體製作量測(cè)。它的系統(tǒng)方塊圖，如圖2所示。讓學(xué)習(xí)者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，明瞭每部份方塊圖之基本動(dòng)作後，以便課程的訓(xùn)練目標(biāo)能順利達(dá)成。我們針對(duì)每部份方塊圖做觀念的陳述如下：直流能源速度設(shè)定機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器伺服馬達(dá)設(shè)定速度圖2直流伺服馬達(dá)速度控制系統(tǒng)之方塊圖（一）設(shè)定速度：期望伺服馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，也就是說，依據(jù)應(yīng)用目的加以設(shè)定。（二）設(shè)定機(jī)構(gòu)：將設(shè)定速度轉(zhuǎn)換成實(shí)際運(yùn)作能接受之物理量。例如系統(tǒng)中設(shè)定轉(zhuǎn)速rpm轉(zhuǎn)成相對(duì)的電壓訊號(hào)。（三）驅(qū)動(dòng)器：將所需的適當(dāng)?shù)哪芰客高^它能傳遞給設(shè)備。（四）直

3、流能源：提供設(shè)備所需能量的形式與能量的來源。（五）伺服馬達(dá)：設(shè)備的型式。二、實(shí)驗(yàn)工具古人有云：工欲善其事，必先利其器，因此實(shí)驗(yàn)課程所用的工具瞭解程度相當(dāng)重要。從實(shí)驗(yàn)課程的項(xiàng)目分成兩大部份：軟體模擬方式與硬體實(shí)作方式知道，完成它們所需的基本工具如下說明：（一） 軟體模擬方式：選定模擬軟體並學(xué)會(huì)需要操作部份，本系統(tǒng)軟體採用美國(guó)Intusoft 公司所發(fā)展的ICAP/4系統(tǒng)，它包含四個(gè)主軟體1. SpiceNet電路圖輸入軟體。2. PreSpice模型資料庫軟體。3. IsSpice電路模擬軟體。4. IntuScope波形分析與處理軟體。它的處理方式可彈性應(yīng)用交談的模擬方式，使應(yīng)用者對(duì)不滿意的現(xiàn)

4、狀加以改變。再談到軟體在課程運(yùn)用的層面上做部份做簡(jiǎn)要的說明：（1） 電路圖編撰：利用SpiceNet軟體直接引用內(nèi)建的元件資料庫繪製電路圖，它的動(dòng)作如下：a.進(jìn)入SpiceNet系統(tǒng)。 指令動(dòng)作：開始程式集（P） ICAP-4Rx Start ICAPS 按左鍵一下。顯示畫面：圖3進(jìn)入SpiceNet系統(tǒng)的圖形b.繪製電路圖： 指令動(dòng)作： 將滑鼠選定電路元件欲擺設(shè)的位置按左鍵一下 選取SpiceNet Parts 【選取所需元件】 按左鍵一下 完成一元件選取 依元件選取方式完成整個(gè)電路。顯示畫面：圖4 選取一元件步驟1圖5 選取一元件步驟2圖6 選取一元件步驟3完整電路繪製結(jié)果：圖7 完整電路

5、的繪圖練習(xí)：利用SpiceNet軟體繪製電路圖。問題討論：實(shí)習(xí)中遇那些問題.（2） 元件參數(shù)設(shè)定：將滑鼠移至在繪製電路圖上，指令動(dòng)作：選擇要設(shè)定參數(shù)的元件 按連續(xù)左鍵二下 進(jìn)入元件參數(shù)內(nèi)容 移至元件設(shè)定參數(shù)值位置更改參數(shù) OK顯示畫面：圖8 進(jìn)入元件參數(shù)內(nèi)容練習(xí)：利用SpiceNet軟體繪製電路圖，設(shè)定下列參數(shù)如圖所示。（3） 電路模擬分析設(shè)定： 指令動(dòng)作： 選取SpiceNet Actions Simulation Setup Edit 分析選擇項(xiàng)目（如Transient）設(shè)定模擬參數(shù) Done 顯示圖形：圖9 進(jìn)入Simulation Setup畫面圖10 進(jìn)入Edit畫面圖11 進(jìn)入分析

6、選擇項(xiàng)目畫面圖12 進(jìn)入設(shè)定模擬參數(shù)畫面練習(xí)：繼續(xù)上題，設(shè)定 Data Step Time=20usTotal Analysis Time =30ms Time Start Recording Data=25m問題討論：說明其他分析方式之用途.（4） 觀測(cè)訊號(hào)選擇分析：指令動(dòng)作：選取SpiceNet Actions Simulation按滑鼠左鍵一下顯示圖形：圖13（a）進(jìn)行分析執(zhí)行動(dòng)作圖13（b）完成分析執(zhí)行動(dòng)作指令動(dòng)作：選取Ispice4 Actions Scope按滑鼠左鍵一下 顯示圖形：圖14 選擇觀測(cè)分析圖15 進(jìn)入觀測(cè)分析畫面指令動(dòng)作：選取IntuScope Waveforms 選

7、取波形按滑鼠左鍵一下 顯示圖形：圖16（a）選擇觀測(cè)訊號(hào)畫面圖16（b）顯示選取觀測(cè)訊號(hào)畫面（5） 做報(bào)告印出圖形方式：指令動(dòng)作：選取IntuScope File Print 按滑鼠左鍵一下顯示圖形：圖17 選取印出圖形畫面圖18 顯示整頁圖形畫面圖19 顯示實(shí)際圖形畫面圖形貼於Microsoft Word 剪貼簿中：指令動(dòng)作：Copy to Clipboard Done（二） 硬體實(shí)作方式：想要順利建構(gòu)任何系統(tǒng)，它的基本原則是將系統(tǒng)細(xì)分?jǐn)?shù)個(gè)小系統(tǒng)並協(xié)定小系統(tǒng)的規(guī)格，再個(gè)別進(jìn)行測(cè)試並連接完成的部份。若要對(duì)細(xì)分的小系統(tǒng)單獨(dú)能順利完成測(cè)試，則所需測(cè)試設(shè)備要加以選擇。我們期望能藉此機(jī)會(huì)訓(xùn)練學(xué)習(xí)者具備

8、有此觀念且按部就班完成這方式。針對(duì)課程舉例的控制直流伺服馬達(dá)速度系統(tǒng)做範(fàn)例說明，並提供可依循的步驟參考：（1）將系統(tǒng)分成幾個(gè)小系統(tǒng)：課程製作的控制直流伺服馬達(dá)之速度，它的系統(tǒng)分成四大部份，分別為1.電源電路系統(tǒng)2.三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)3.控制比較電路系統(tǒng)4.驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)。（2）列出每個(gè)小系統(tǒng)的功能：控制直流伺服馬達(dá)之速度的系統(tǒng)每個(gè)小系統(tǒng)的功能說明如下：1. 電源電路系統(tǒng)：提供電路的電源（電壓規(guī)格：5V,+12V與-12V；電流規(guī)格：數(shù)豪安培）與設(shè)備的電源（電源規(guī)格：24V；電流規(guī)格：1.5安培以內(nèi)）。2. 三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)：提供PWM訊號(hào)三角波訊號(hào)的來源訊號(hào)。期望PWM訊號(hào)頻率的規(guī)格：500H

9、z且工作週期可調(diào)整，因此三角波之規(guī)格：（A）訊號(hào)頻率的規(guī)格：500Hz（B）振幅的規(guī)格：+10V-10V。3. 控制比較電路系統(tǒng)：提供產(chǎn)生PWM訊號(hào)的另一來源訊號(hào)為直流參考電壓，它的規(guī)格為+10V-10V且輸出之PWM訊號(hào)的規(guī)格：（A）振幅05V（B）訊號(hào)頻率的規(guī)格：500Hz（C）工作週期可改變。4. 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)：利用PWM訊號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)來控制直流伺服馬達(dá)之速度在03200RPM。（3）畫出小系統(tǒng)彼此輸入與輸出相連性：三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)控制比較電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)直流伺服馬達(dá)電源電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)速設(shè)定機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)定實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)定速度圖20 PWM方法控制直流伺服馬達(dá)之方塊圖（4）列出所需儀器：系統(tǒng)所

10、需儀器與工具有儀器部份：1. 電源供應(yīng)器：一部。2. 訊號(hào)產(chǎn)生器：一部。3. 示波器：一部。工具部份：1. 麵包板。2. 撥線鉗。（5）認(rèn)識(shí)元件接角且在電路圖標(biāo)示元件接角號(hào)碼並完成電路的接線。（6）檢查接線確定無誤，用儀表檢查小系統(tǒng)是否短路。（7）若短路，再檢查線路。 （8）若無，以軟體模擬所得調(diào)整參數(shù)值並加入電源訊號(hào)進(jìn)行測(cè)試與做參數(shù)微調(diào)，以符合協(xié)定規(guī)格。（8）再對(duì)符合規(guī)格部份進(jìn)行連接整合並做細(xì)部修改。（9）待系統(tǒng)結(jié)合成成，再對(duì)成品做包裝與修飾。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用PWM方法來控制直流伺服馬達(dá)之速度的課程，它的系統(tǒng)架構(gòu)可分四大部份，分別為（一）電源電路系統(tǒng)（二）三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)（三）控制比較電路

11、系統(tǒng)（四）驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，如圖21所示。圖21顯示各部份相連性。對(duì)於每部份電路之軟體與硬體實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)如下：三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)控制比較電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)直流伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)定機(jī)構(gòu)電源電路系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速設(shè)定設(shè)定速度圖圖21 PWM方法控制直流伺服馬達(dá)之方塊圖實(shí)驗(yàn)一 電源電路系統(tǒng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 明瞭電源電路之動(dòng)作原理。2. 明瞭電源電路之特性。二、實(shí)驗(yàn)原理：控制直流馬達(dá)的速度的系統(tǒng)中所需電源主要可分電子電路與直流電動(dòng)機(jī)二大部份，其中電子電路所需電源規(guī)格5V、±12V且電流在數(shù)mA，至於直流電動(dòng)機(jī)之電源規(guī)格30V以內(nèi)且電流幾安培內(nèi)。它們的電路基本架構(gòu)圖，如圖22所示。從圖22來說明電源

12、電路系統(tǒng)的動(dòng)作原理，它的陳述如下：橋氏電路穩(wěn)壓電路或IC變壓器圖22 直流電源電路基本架構(gòu)圖對(duì)於電源來源的選擇必須設(shè)備所處環(huán)境，我們選取平時(shí)在實(shí)驗(yàn)室或普通教室易獲取的電源，它的規(guī)格為110V、60Hz交流電壓當(dāng)成電源訊號(hào)並透過變壓器（必須能夠承受能量傳遞）轉(zhuǎn)換成高於系統(tǒng)所需交流電源，並透過橋氏全波整流電路，將交流電壓訊號(hào)整成直流電壓訊號(hào)，但此電壓訊號(hào)具有相當(dāng)大的漣波因數(shù)不適合當(dāng)電源訊號(hào)，因此加入適當(dāng)?shù)碾娙萜魈幚?。再配合適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓電路或選用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓IC（依需求選用相關(guān)產(chǎn)品，參考公司提供的資料），獲取適合系統(tǒng)所需電源。對(duì)於穩(wěn)壓IC我們做基本介紹：一般而言，市面上的穩(wěn)壓IC提供有正或負(fù)輸出，固定或

13、可調(diào)整電壓等多樣產(chǎn)品。（一）固定的穩(wěn)壓IC：固定的穩(wěn)壓IC可提供有多種正或負(fù)輸出，其中三端子元件，固定的穩(wěn)壓IC正輸出電壓則以7800系列的穩(wěn)壓IC最具代表性，然而負(fù)輸出電壓則以7900系列的穩(wěn)壓IC最具代表性，它們的規(guī)格如表1所示。它們的三個(gè)端子分別為輸入、輸出與接地，如圖22中的的穩(wěn)壓IC（將ADJUST改成GND）。至於穩(wěn)壓IC的電壓與電流規(guī)格呢.電壓規(guī)格，從表中規(guī)納知道常用元件編號(hào)的最後二個(gè)數(shù)目指定輸出電壓規(guī)格。再說到電流規(guī)格，從廠商資料可整理出：78L00系列輸出電流約為100mA，78M00系列輸出電流約為500mA，78T00系列輸出電流約為3A，若加上適當(dāng)?shù)纳崞稍龃筇峁┑妮?/p>

14、出電流。對(duì)於7900系列的電壓與電流規(guī)格與7800系列幾乎是一致，不再說明。表1（a）固定的穩(wěn)壓IC正輸出電壓型 號(hào)輸 出 電 壓78055.0V78066.0V78088.0V78099.0V781212.0V781515.0V781818.0V782424.0V（二）可調(diào)整的穩(wěn)壓IC：LM317為可調(diào)整的正輸出電壓代表性元件。此元件詳細(xì)規(guī)格可查廠商提供的元件手冊(cè)。它的電路外觀接角圖，如圖22中的穩(wěn)壓IC部份。此元件的三個(gè)端點(diǎn)分別標(biāo)示為輸入、輸出與調(diào)整，利用外部二電阻數(shù)值做輸出電壓設(shè)定，輸出電壓可從1.2V37V。它的電流規(guī)格為1.5A。由圖23說明它的基本操作。在穩(wěn)壓IC的輸出端與調(diào)整端會(huì)

15、保持近於1.25V的參考電壓（）。此固定電壓產(chǎn)生一固定參考電流（）流經(jīng)，而不受值影響。圖23 LM317的基本動(dòng)作.（1）由上式可知，輸出電壓可由與決定，一般先選定，再調(diào)整得輸出電壓。表1（b）固定的穩(wěn)壓IC負(fù)輸出電壓型 號(hào)輸 出 電 壓7905-5.0V7905.2-5.2V7906-6.0V7908-8.0V7912-12.0V7915-15.0V7918-18.0V7924-24.0V 舉例說明：若假設(shè)A且、=240與為5k可變電阻，則最大及最小輸出電壓.【解】 當(dāng)調(diào)整至5k，則最大輸出電壓：A×5k=26.3V當(dāng)調(diào)整至0，則最小輸出電壓：A×5 k=1.25V電壓調(diào)

16、整範(fàn)圍：1.25V 26.3V 三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（一）軟體模擬設(shè)計(jì)：1. 18V與18V電源設(shè)計(jì)模擬。2.直流電動(dòng)機(jī)電源設(shè)計(jì)模擬。（二）硬體實(shí)作與測(cè)試：1. 5V、12V與12V電源電路。2.直流電動(dòng)機(jī)24V電源電路。四、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）軟體模擬設(shè)計(jì)：1. +18V與18V電源設(shè)計(jì)模擬：（1）進(jìn)入SpiceNet 繪電路，如圖24所示，其中輸入信號(hào)為110V、60Hz交流電源，中間抽頭變壓器二次測(cè)電壓為18V018V。（2）設(shè)定交流電壓源Vac。 Vac為110V,60Hz交流電源，一般交流電壓為有效值（rms）。正弦波的峰值電壓為110V×156V 參數(shù)設(shè)定如下：Offest： 0

17、Peak Amplitude： 156 Frequency： 60 （3）設(shè)定中間抽頭變壓器匝數(shù)比（XFMR-TAP）。V2/V1=18/110=0.1636參數(shù)設(shè)定如下：RATIO： 0.1636 （4）設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a. 選取Transient Analysis分析方式：b. 選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data： 輸入信號(hào)60Hz，其中週期等於16.67ms且並期望觀察與分析三個(gè)週期的信號(hào)資料：Total An

18、alysis Time=16.67ms×6100msTime to Start Recording Data：50msc. 選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=16.67ms/10000.02ms（5）執(zhí)行模擬。 （6）進(jìn)入 IntuScope，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果。 （7）紀(jì)錄波形數(shù)據(jù)Vac電壓波形、Vac2p電壓波形、Vdcp電壓波形。（8）當(dāng)濾波電容（C1與C2）為100u、22u與10u並重覆紀(jì)錄Vdcp直流電壓（average）、Vdcp之漣波峰值電壓（pk-pk）並計(jì)算Vdcp之漣波有效電壓（rms）與漣波因數(shù)r。 2. 直流電

19、動(dòng)機(jī)電源設(shè)計(jì)模擬：（1）進(jìn)入SpiceNet 繪電路，如圖25所示，其中輸入信號(hào)為110V、60Hz交流電源，中間抽頭變壓器二次測(cè)電壓為18V-0-18V。（2）設(shè)定交流電壓源Vac。 參數(shù)設(shè)定如下：Offest： 0 Peak Amplitude： 156 Frequency： 60 （3）設(shè)定中間抽頭變壓器匝數(shù)比（XFMR-TAP）。參數(shù)設(shè)定如下：RATIO： 0.1636 （4）設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis

20、 Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data： 輸入信號(hào)60Hz，其中週期等於16.67ms且並期望觀察與分析三個(gè)週期的信號(hào)資料：Total Analysis Time=16.67ms×3100msTime to Start Recording Data：50msc.選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=16.67ms/10000.02ms（5）設(shè)定電阻值R1：1k5k,R2=240。（6）執(zhí)行模擬。（7）進(jìn)入 IntuScope，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果。（8）調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)所需電源24V之電阻值並顯示波形並紀(jì)錄

21、結(jié)果。（2）硬體模擬設(shè)計(jì)：1. 依圖26所示，電路圖接線於麵包板上。2. 接線完成後，利用歐姆檔量測(cè)電路是否有短路。3. 若無短路產(chǎn)生，加入110交流電源。4. 用示波器量測(cè)T1T9訊號(hào)並紀(jì)錄訊號(hào)。5. 焊接於萬用板並量測(cè)訊號(hào)。圖24 +18V與18V電源電路圖圖25 供應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)電源電路圖 圖26 系統(tǒng)所需之硬體電源電路圖 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1） 軟體模擬設(shè)計(jì)：(A) +18V與18V電源電路圖模擬結(jié)果： 圖27 Vac電壓波形圖28 Vac2p電壓波形圖29 Vdcp電壓波形表2 濾波電容值造成直流輸出影響比較表量測(cè)值計(jì)算值C1=C2Vp-pVavgVp-p2*Vp-p/Vdc=Vavgr

22、10uF10.19919.53310.1996.49319.5330.33222uF6.01421.4456.0143.82921.4450.179100uF1.66823.3871.6681.06223.3870.045(B)供應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)電源電路圖結(jié)果：圖30 R1=5k,R2=240之直流電壓輸出圖形圖31 R1=4k,R2=240之直流電壓輸出圖形圖32 R1=3k,R2=240之直流電壓輸出圖形圖33 R1=2k,R2=240之直流電壓輸出圖形圖34 R1=1k,R2=240之直流電壓輸出圖形由圖30至圖34知，直流電動(dòng)機(jī)電源24V之電阻值R1介於4k5k，用同樣方法，可找到直流電動(dòng)

23、機(jī)電源24V之電阻值R1。直流電動(dòng)機(jī)電源24V之電阻值R1= 4080 。圖35 R1=4080,R2=240之直流電壓輸出圖形（2） 硬體模擬設(shè)計(jì)：(A) +5V、+12V與12V電源電路結(jié)果：a. Test1 的量測(cè)訊號(hào)：b. Test2 的量測(cè)訊號(hào)：c. Test3 的量測(cè)訊號(hào)：d. Test4 的量測(cè)訊號(hào)：e. Test5 的量測(cè)訊號(hào)：f. Test6 的量測(cè)訊號(hào)：g. Test7 的量測(cè)訊號(hào)：（B）供應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)電源電路圖結(jié)果：h. Test8 的量測(cè)訊號(hào)：i. Test9 的量測(cè)訊號(hào)： 六、問題與討論：1. 說明濾波電容對(duì)整流電路之漣波因素有何影響，並說明運(yùn)用時(shí)，必須注意那些事情.

24、2. 說明如何利用穩(wěn)壓IC運(yùn)用於需較大電流之電路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)二 三角波訊號(hào)產(chǎn)生電路系統(tǒng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1. 三角波訊號(hào)產(chǎn)生電路特性。2. 如何設(shè)定三角波訊號(hào)產(chǎn)生之頻率。 二、實(shí)驗(yàn)原理：首先透過積分器動(dòng)作原理作為三角波產(chǎn)生電路的基本慨念，如圖36所示。三角波產(chǎn)生的動(dòng)作說明如下：當(dāng)開關(guān)撥至位置A，輸入積分器的訊號(hào)為負(fù)電壓值，而使輸出端電壓以正斜率值送出；同理可得，當(dāng)開關(guān)撥至位置B，輸入積分器的訊號(hào)為正電壓值，而使輸出端電壓以負(fù)斜率值送出。因此在適當(dāng)時(shí)間做開關(guān)變換即可產(chǎn)生輸出訊號(hào)含有正負(fù)斜率之三角波，如圖37所示。圖36 基本三角波產(chǎn)生電路振幅Vmax時(shí)間Vout 0T2T1Vmin位置B位置A圖3

25、7 當(dāng)開關(guān)撥至位置變換，輸出電壓波形圖38 三角波產(chǎn)生電路之實(shí)際電路圖 圖38為三角波產(chǎn)生電路之實(shí)際電路圖，其中運(yùn)用運(yùn)算放大器來取代圖36之開關(guān)動(dòng)作。詳細(xì)動(dòng)作原理說明如下：首先假設(shè)一開始時(shí)電路處於負(fù)飽和電壓狀態(tài)，其中負(fù)飽和電壓被齊納二極體電壓限制為.(1)此時(shí) (2)將 且代入（2）式，可得在圖37所示，在週期終止之輸出電壓為 (3)同理可得，將且代入（2）式，可得在圖37所示，在週期終止之輸出電壓為. (4)由上分析可整理出： 三角波電路之振幅為(3)式減(4)式得 .(5)因此，整理得三角波電路之相關(guān)週期公式為 .(6) .(7) .(8) .(9) 三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：1.三角波產(chǎn)電路軟體模擬

26、。2.三角波產(chǎn)電路硬體實(shí)作。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：（1）三角波產(chǎn)生電路軟體模擬：1. 進(jìn)入SpiceNet 繪電路，如圖39所示。 2. 設(shè)定參數(shù)R1=22k，R2=22K，VR1=0k，R=10k，C=250n且IC=0.1V（f=100Hz）3. 設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data： 依公式（8）代入設(shè)定參數(shù)得期望觀察與分析二個(gè)週期的信號(hào)資料：T

27、otal Analysis Time=10ms×220msTime to Start Recording Data：0msc.選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=10ms/10000.01ms4. 執(zhí)行模擬。 5. 進(jìn)入 IntuScope，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果與頻率。 6. 欲求f=500Hz自行調(diào)整各參數(shù)值，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果。7. 欲使f=500Hz1k Hz 可變電阻應(yīng)選定多少並計(jì)算結(jié)果。（2）三角波產(chǎn)電路硬體實(shí)作：1.將電路圖接線於麵包板，如圖40所示。2.用示波器量測(cè)T1T2訊號(hào)並紀(jì)錄訊號(hào)。3.焊接於萬用板並量測(cè)訊號(hào)。圖39 三

28、角波產(chǎn)電路圖圖40 三角波產(chǎn)電路硬體圖 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1. 三角波產(chǎn)電路軟體模擬結(jié)果：圖41 輸出三角波與方波訊號(hào)對(duì)時(shí)間三角波頻率 f=100Hz圖42 f=500Hz之三角波產(chǎn)生電路圖圖43 輸出三角波與方波訊號(hào)對(duì)時(shí)間2. 三角波產(chǎn)電路硬體實(shí)作結(jié)果：a. Test1 的量測(cè)訊號(hào)：b. Test2 的量測(cè)訊號(hào)： 六、問題討論：1.圖44 三角形產(chǎn)生器電路之頻率為何.2.繼續(xù)上題，積分器上方的電阻1meg之作用為何.3.圖45 三角形產(chǎn)生器電路之週期公式為何.圖44 三角方與波形產(chǎn)生器電路圖圖45 三角形產(chǎn)生器電路圖實(shí)驗(yàn)三控制比較電路系統(tǒng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾接慞WM信號(hào)之特性。 二、實(shí)驗(yàn)原理： 控

29、制比較電路系統(tǒng)包含直流參考電壓準(zhǔn)位電路、三角波訊號(hào)放大電路與訊號(hào)運(yùn)算比較電路，取得PWM訊號(hào)來驅(qū)動(dòng)功率電晶體。對(duì)每部份電路說明如下：（一） 訊號(hào)放大電路：運(yùn)用反相運(yùn)算放大電路對(duì)輸入三角波訊號(hào)做反相放大，其接線圖如圖46所示。訊號(hào)經(jīng)由串聯(lián)電阻Ri接至反相輸入端，回授部份亦經(jīng)Rf進(jìn)入反相輸入端。對(duì)此電路分析得知放大倍率為.（1） 值得一提輸出訊號(hào)範(fàn)圍以供應(yīng)電壓為原則，亦即放大值計(jì)算若超過供應(yīng)電壓則以供應(yīng)電壓大小值輸出。本系統(tǒng)採取放大倍率以保持原來三角波訊號(hào)為原則，以便日後產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腜WM訊號(hào)。圖46 訊號(hào)放大電路圖（二） 直流參考電壓準(zhǔn)位電路：直流參考電壓準(zhǔn)位電路設(shè)計(jì)如圖47所示，它的參數(shù)選擇說明

30、如下：輸出電壓值由KVL計(jì)算得： （2）圖47 直流參考電壓準(zhǔn)位電路圖我們期望輸出電壓值介於三角波訊號(hào)之值，亦即，也就是說輸出電壓值可藉由可變電阻（）調(diào)整。若可變電阻（）轉(zhuǎn)至最左側(cè)電阻值為零，則輸出電壓值為；同樣狀況，若可變電阻（）轉(zhuǎn)至最右側(cè)電阻為最大值，則輸出電壓值為。底下針對(duì)可變電阻（）變化情形來決定參數(shù)範(fàn)圍的說明：（1） 若x=0時(shí)，則，可計(jì)算值為 .（3） .（4）（2）若x=（最大電阻值）時(shí)，則，可計(jì)算值為 .（5） （6） 從（1）（2）藉由可得與關(guān)係為整理得.（7）由（1）（2）探討得知，若要輸出電壓值符合三角波訊號(hào)之值，、與必須符合下列方程式：.（8） .（9）或 （10）舉例

31、說明：若、且可變電阻（）選擇10k，試問與應(yīng)選何值.【解】 將數(shù)據(jù)代入（8）式得 （11） 將數(shù)據(jù)代入（9）式得10k .（12）整理並解聯(lián)立方程式得k=1k .（13）（三）訊號(hào)運(yùn)算比較電路：運(yùn)算放大器經(jīng)常以非線性元件作電壓比較器，即將運(yùn)算放大器接成開環(huán)路型式。由於開環(huán)路增益非常大，因此二輸入端僅有些微小電壓存在，運(yùn)算放大器會(huì)被推入飽和狀態(tài)，輸出訊號(hào)達(dá)到最大值。它的動(dòng)作說明：當(dāng)非反相輸入端訊號(hào)大於反相輸入端訊號(hào)，則輸出訊號(hào)達(dá)到正最大值；當(dāng)非反相輸入端訊號(hào)小於反相輸入端訊號(hào)，則輸出訊號(hào)達(dá)到負(fù)最大值，如圖48所示。圖48（a）運(yùn)算比較電路圖圖48（b）運(yùn)算比較電路訊號(hào)圖然而在某些運(yùn)用上，常須使比

32、較器之輸出電壓比飽和輸出電壓較低。本系統(tǒng)正是需要這種情形，因此在運(yùn)算放大器輸出端接適當(dāng)規(guī)格齊納二極體，使運(yùn)算放大器輸出電壓等於齊納二極體電壓與二極體順向偏壓之兩種情況。至於系統(tǒng)產(chǎn)生PWM訊號(hào)的動(dòng)作說明，由接線圖如圖49（a）所示，其中直流參考訊號(hào)輸入非反相輸入端，三角波訊號(hào)輸入反相輸入端。圖49（a） PWM訊號(hào)產(chǎn)生電路圖Vmax第一區(qū)塊T/4Vmin第二區(qū)塊圖49（b）對(duì)稱三角波訊號(hào)與直流參考電壓準(zhǔn)位PWM訊號(hào)的工作週期說明如下，由圖49來探討，首先將一週期之三角波區(qū)分為四區(qū)塊且區(qū)分與兩部份來說明：（1）部份來計(jì)算工作週期：由圖49（b）中得三角波第一區(qū)塊的曲線數(shù)學(xué)方程式為.（14） 其中

33、：座標(biāo)縱軸的電壓值、：座標(biāo)橫軸的時(shí)間值、：三角波之最大正電壓值、：三角波之週期時(shí)間值將直流參考電壓值代入代表三角波的方程式（14）計(jì)算出交點(diǎn)時(shí)間為.（15） . （16）工作週期（2）部份來計(jì)算工作週期：由圖49（b）中得三角波第二區(qū)塊的曲線數(shù)學(xué)方程式為.（17） 其中 ：座標(biāo)縱軸的電壓值、：座標(biāo)橫軸的時(shí)間值、：三角波之最大負(fù)電壓值、：三角波之週期時(shí)間值將直流參考電壓值代入代表三角波的方程式（17）計(jì)算出交點(diǎn)時(shí)間為.（18） . （19）工作週期 （20）經(jīng)歸納整理得： （a） 若工作週期在050時(shí)，則工作週期之計(jì)算式為且設(shè)定範(fàn)圍為 。 （b） 若工作週期在51100時(shí)，則工作週期之計(jì)算式為且

34、設(shè)定範(fàn)圍為 。 三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：1.三角信號(hào)放大電路軟體模擬。2.直流參考電壓軟體模擬。3.控制比較電路系統(tǒng)軟體模擬。4.控制比較電路系統(tǒng)硬體實(shí)作與量測(cè)。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 三角信號(hào)放大電路軟體模擬：1. 進(jìn)入SpiceNet 繪電路，如圖50所示。 2. 設(shè)定參數(shù)Rvar為50k。 3. 設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data：三角波產(chǎn)生器週期

35、為T=2ms期望觀察與分析二個(gè)週期的信號(hào)資料：2ms×2.55msTotal Analysis Time=5msTime to Start Recording Data：0msc.選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=2ms/10000.002ms 4. 執(zhí)行模擬。 5. 進(jìn)入 IntuScope，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果。6.欲使自行調(diào)整參數(shù)值Rvar，顯示波形並紀(jì)錄結(jié)果。圖50 三角信號(hào)放大電路（2）直流參考電壓軟體模擬：1. 進(jìn)入SpiceNet 繪電路，如圖51所示。 2. 設(shè)定參數(shù)Vcontrol介於0至1並每次增加0.1 3. 設(shè)定模

36、擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data：與三角波產(chǎn)生器同一系統(tǒng)Total Analysis Time=5msTime to Start Recording Data：0msc.選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=2ms/10000.002ms 4. 執(zhí)行模擬。 5. 進(jìn)入 IntuScope，顯示波形並紀(jì)錄輸

37、出電壓。圖51 直流參考電壓電路圖（3）控制比較電路系統(tǒng)軟體模擬：1. 進(jìn)入SpiceNet 繪電路，圖52所示。 2. 設(shè)定參數(shù)Vcontrol為0.5 3. 設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data：與三角波產(chǎn)生器同一系統(tǒng)Total Analysis Time=5msTime to Start Recording Data：0msc.選定每筆資料

38、執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)錄每週期有1000筆資料Data Step Time=2ms/10000.002ms 4. 執(zhí)行模擬。 5. 進(jìn)入 IntuScope，顯示波形（PWM）並紀(jì)錄結(jié)果並計(jì)算工作週期。圖52 控制比較電路系統(tǒng)電路圖（4）控制比較電路系統(tǒng)硬體實(shí)作與量測(cè)：（A）三角波放大電路實(shí)作圖電壓放大調(diào)整：a.調(diào)整萬用板上VR2，如圖53所示，並使三角波輸出電壓介於10-10V。b.用示波器量測(cè)T3訊號(hào)並紀(jì)錄訊號(hào)。圖53 三角波放大電路實(shí)作圖（B）控制比較電路系統(tǒng)硬體實(shí)作與量測(cè)：1.電路圖接線於麵包板，如圖54所示。2.量測(cè)電路是否短路。3.若無短路則調(diào)整可變電阻（VAR）並用示波器量測(cè)T1T2訊

39、號(hào)並紀(jì)錄訊號(hào)。3.焊接於萬用板並量測(cè)訊號(hào)。圖54 控制比較電路系統(tǒng)硬體圖 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）三角信號(hào)放大電路軟體模擬結(jié)果： 圖55 輸出電壓對(duì)時(shí)間圖56 三角信號(hào)放大電路圖圖57 輸出電壓對(duì)時(shí)間（2） 直流參考電壓軟體模擬結(jié)果：表3 直流參考電壓代表各電壓的參數(shù)表Vcontrol00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0電壓-10-8-6-4-20246810（3） 控制比較電路系統(tǒng)軟體模擬結(jié)果： 圖58 控制比較電路系統(tǒng)軟體PWM訊號(hào)控制比較電路系統(tǒng)軟體PWM訊號(hào)的工作週期50。（4）控制比較電路系統(tǒng)硬體實(shí)作與量測(cè)結(jié)果：（A）三角波放大電路電壓放大調(diào)整量測(cè)結(jié)果：a.Te

40、st3 的量測(cè)訊號(hào)：（B）控制比較電路系統(tǒng)硬體實(shí)作與量測(cè)結(jié)果：a.Test1 的量測(cè)訊號(hào)：b.Test2 的量測(cè)訊號(hào)： 六、問題討論：1.本系統(tǒng)在比較器輸出端加齊納二極體其作用為何.2.若PWM工作週期為40時(shí)，它的直流參考電壓應(yīng)設(shè)定何值.實(shí)驗(yàn)四驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模好鞑t單象限截波驅(qū)動(dòng)器來控制直流電動(dòng)機(jī)之轉(zhuǎn)速。 二、實(shí)驗(yàn)原理：本系統(tǒng)以單象限截波驅(qū)動(dòng)器來控制直流電動(dòng)機(jī)，係利用PWM方式來控制可控式開關(guān)之導(dǎo)通時(shí)間，以控制直流電動(dòng)機(jī)之轉(zhuǎn)速。至於系統(tǒng)的架構(gòu)圖，如圖59所示。電壓圖59 直流電動(dòng)機(jī)單象限截波驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)圖對(duì)於圖59中開關(guān)如何選擇呢.簡(jiǎn)單而言，我們選擇功率半導(dǎo)體元件當(dāng)開關(guān)，它們可以是

41、BJTs、MOSFETs、GTOs及IGBTs等元件。祇要加訊號(hào)於它們的端前即可控制它們的導(dǎo)通，它們稱為可控式開關(guān)，藉由圖60符號(hào)來概括表示。它的動(dòng)作與理想特性陳述如下：（1）動(dòng)作：當(dāng)開關(guān)截止時(shí)沒有電流流通，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流方向只能如箭頭所指。（2）特性： 1. 當(dāng)開關(guān)截止時(shí)沒有電流流通且可承受雙極性任意大小電壓。2. 當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)無導(dǎo)通壓降且可流通任意大小電流。3.當(dāng)受觸發(fā)時(shí)可立即改變導(dǎo)通狀態(tài)。4.無限小的控制訊號(hào)功率即可觸發(fā)開關(guān)。實(shí)際之元件並非理想，它必定會(huì)消耗功率。如果消耗太多的功率，不僅會(huì)燒毀元件本身甚至?xí)p毀系統(tǒng)其他元件。功率損耗是功率半導(dǎo)體元件先天存在的問題，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須掌握這些

42、因素才能將功率損耗降至最低。IV圖60 可控式開關(guān)概括表示在考慮選擇可控式開關(guān)可參考表4，雖然表4之比較是明確，但值得一提，有些新式元件正在開發(fā)，它們具備高容量、快速率及低價(jià)格是大家選擇一致目標(biāo)。 表4 可控式開關(guān)特性比較元件功率處理能力切換速度BJTs中等中等MOSFETs低快GTOs高慢IGBTs中等中等從上述表中明瞭可控式開關(guān)的特性後，針對(duì)系統(tǒng)所選用的可控式開關(guān)形式做基本特性的介紹：（一）雙極性接面電晶體（BJTs）及單達(dá)靈頓NPN型BJT的電路符號(hào)及特性曲線，如圖61所示。圖61（a）BJTs電路符號(hào)Ib圖61（b）i-v特性IconoffVce0圖61（c）理想動(dòng)作若欲電晶體體當(dāng)成開

43、關(guān)（完全導(dǎo)通），必須滿足下列之基極電流條件：.（1）其中為元件之直流電流增益。BJT的導(dǎo)通電壓大約只有12V，因此具有較低之導(dǎo)通損失。對(duì)於高功率之BJTs為電流控制元件，其通常只有510。因此，有時(shí)會(huì)將它們連接成達(dá)靈頓方式來使用，如圖62所示，但此方式有較高及較慢的切換速度（大約數(shù)百ns到s幾）等缺點(diǎn)。IbIc圖62 達(dá)靈頓架構(gòu)圖（二）金氧半場(chǎng)效電晶體（MOSFETs）一N通道之金氧半場(chǎng)效電晶體（MOSFETs）的電路符號(hào)及特性曲線，如圖63所示。開關(guān)的控制方式為電壓控制，欲導(dǎo)通開關(guān)必須使加於閘源之偏壓大於其臨界值，且須維持電壓才能維持其導(dǎo)通。它的切換時(shí)間約數(shù)十至數(shù)百ns左右。圖63（a）MO

44、SFET電路符號(hào)Vgs圖63（b）MOSFET i-v特性IdonoffVds0圖63（c）MOSFET理想動(dòng)作 三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： 1.運(yùn)用BJT做可控式開關(guān)來控制直流電動(dòng)機(jī)之轉(zhuǎn)速。 2.運(yùn)用MOSFET做可控式開關(guān)來控制直流電動(dòng)機(jī)之轉(zhuǎn)速。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）運(yùn)用BJT做可控式開關(guān)來控制直流電動(dòng)機(jī)之轉(zhuǎn)速：1. 進(jìn)入SpiceNet 繪電路圖，如圖64所示。 2. 設(shè)定參數(shù)Vcontrol為0至1，每次增加0.1。 3. 設(shè)定模擬參數(shù)。進(jìn)入ActionsSimulation SetupEdit進(jìn)入對(duì)話框，設(shè)定參數(shù)，參數(shù)設(shè)定說明如下： a.選取Transient Analysis分析方式：b.選定分析時(shí)間Total Analysis Time與觀察時(shí)間Time to Start Recording Data：與三角波產(chǎn)生器同一系統(tǒng)Total Analysis Time=30msTime to Start Recording Data：25msc.選定每筆資料執(zhí)形行時(shí)間：欲紀(jì)