機械電子學精品課件

1、機械電子學第1頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院2機械電子裝置中的電子器件按電路功能IC分兩大類： 模擬IC： 數(shù)字IC：按集成度IC分（10mm10mm）： 小規(guī)模（小于100） 中規(guī)模（1001000） 大規(guī)模（100010000） 超大規(guī)模（大于10000）從功率上IC分 微電子 電力電子第2頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院3集成IC外形封裝及名稱第3頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院4模擬器件在機械電子裝置中的作用信號放大模擬運算信號變換功率放大調(diào)制解調(diào)濾波穩(wěn)

2、壓提供基準波形第4頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院5集成運放的種類高輸入阻抗，（FET作輸入級）高精度低溫漂（mV,V級）高速型，用于采樣保持低功耗型（用于遙測遙感）高壓型第5頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院6理想運算放大器的指標差模開環(huán)電壓增益AVD差模輸入電阻RID 輸出電阻R0 0共模抑制比KCMR 12345678第6頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院7理想運放工作在線性區(qū)有兩個重要特點：理想運放工作在非線性區(qū)有兩個重要特點：I+ I- 0正向飽和時VO E

3、C負向飽和時VO EE虛短路虛開路放大倍數(shù)與負載無關(guān)， 可以分開分析。u+uo_+uIi第7頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院8反相比例運算電路i1= i2uo_+R2R1RPuii1i21. 放大倍數(shù)虛短路虛開路結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。第8頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院9同相比例運算電路_+R2R1RPuiuou-= u+= ui虛短路虛開路結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。第9頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院10電壓跟

4、隨器_+uiuo此電路是電壓并聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。第10頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院11差動放大器_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：第11頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院12對數(shù)電路利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算第12頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院13反對數(shù)（指數(shù)）電路uo = RF

5、 IS eui /UT輸入與輸出的關(guān)系式為:第13頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院14 模擬乘法器乘法運算電路KXYXYuO = KuxuyK 增益系數(shù)模擬乘法器符號第14頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院15模擬除法器8u1R1uOR2XYKXYu3u2第15頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院16調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第16頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院17調(diào)幅（典型應(yīng)用交流電橋）第17頁，共67頁，2022年，5月20

6、日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院18PID控制器第18頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院19有源濾波器應(yīng)用電位器傳感器濾波第19頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院20課后作業(yè)（1)：求輸出U0的表達式第20頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院21課后作業(yè)（2)：求i0與E的關(guān)系第21頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院22課后作業(yè)(3):V/I變換求Vi與IL的關(guān)系第22頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星

7、期四山東科技大學機電學院23數(shù)字集成電路的分類（1）雙極性：TTL,ECL(射極耦合邏輯電路),HTL （高閾值邏輯電路）,DTL單極性：PMOS,NMOS,CMOS組合邏輯電路時序邏輯電路數(shù)字集成電路的分類（2）第23頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院24數(shù)字電路基本單元門電路門電路的作用：是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與基本邏輯關(guān)系相對應(yīng)。門電路的主要類型：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。第24頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院25分立元件門電路（1）D1D2FAB+12VD1FD2AB-12VR1D

8、R2AF+12V+3V&ABF1ABF1AF第25頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院26分立元件門電路（2）R1DR2F+12V+3V三極管非門D1D2AB+12V二極管與門&ABF第26頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院27數(shù)字IC在機械電子裝置中的應(yīng)用實現(xiàn)各種控制邏輯實現(xiàn)信息存儲實現(xiàn)數(shù)字量的各種運算實現(xiàn)電路之間參數(shù)匹配提供基準波形第27頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院28TTL數(shù)字集成門電路數(shù)字集成電路：在一塊半導體基片上制作出一個完整的邏輯電路所需要的全部元件和

9、連線。使用時接：電源、輸入和輸出。數(shù)字集成電路具有體積小、可靠性高、速度快、而且價格便宜的特點。TTL型電路：輸入和輸出端結(jié)構(gòu)都采用了半導體晶體管，稱之為: Transistor Transistor Logic。第28頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院29TTL與非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100第29頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院30TTL與非門管子狀態(tài)輸入全為1 T1 T2 T3 T4 T5管子狀態(tài)倒置放大飽和微導通截止深飽和輸入不全為

10、1 T1 T2 T3 T4 T5管子狀態(tài)深飽和截止微飽和放大 截止第30頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院31IC參數(shù)開門電平VON與關(guān)門電平VOFF VON 保證輸出為低電平時所允許的輸入高電平的最小值，一般VON=2V VOFF 保證輸出為高電平時所允許的輸入低電平的最大值，一般VOFF=0.8V輸出高電平VOH與輸出低電平VOL VOH指任一輸入端接低電平時的輸出電平，典型值3.4V，不得低于2.4V VOL指任一輸入端接高電平時的輸出電平，典型值0.2V，不得高于0.4V輸入短路電流IIL和輸入漏電流IIH扇出系數(shù)與扇入系數(shù) 電路能驅(qū)動同類門的

11、個數(shù)為扇出系數(shù),分拉電流扇出系數(shù)和灌電流扇出系數(shù)。噪聲容限與抗干擾能力 噪聲容限分低電平噪聲容限和高電平噪聲容限。低電平噪聲容限指保證輸出高電平為額定值90%所允許疊加在輸入低電平上的噪聲電壓。VNL=VOFF-VIL高電平噪聲容限指保證輸出為低電平所允許疊加在輸入高電平上的噪聲電壓。 VNH=VIH-VON第31頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院32其它類型的TTL門電路集電極開路的與非門（OC門）+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCRLUCC第32頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院33&UCC

12、F1F2F3F分析：F1、F2、F3任一導通，則F=0。 F1、F2、F3全截止，則F=1 。輸出級RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3 OC門可以實現(xiàn)“線與”功能。第33頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院34E 控制端+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDE一、結(jié)構(gòu)其它類型的TTL門電路三態(tài)門第34頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院35三態(tài)門的符號及功能表&ABF符號功能表&ABF符號功能表使能端高電平起作用使能端低電平起作用第35頁，共67頁，2022年，5月20日，3點1

13、1分，星期四山東科技大學機電學院36三態(tài)門的用途E1E2E3公用總線三態(tài)門主要作為TTL電路與總線間的接口電路。工作時，E1、E2、E3分時接入高電平。第36頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院37CMOS電路的工作特點：輸入阻抗高，可達1010 ，幾乎不從電源吸取電流，功耗極小。扇出系數(shù)大，只受工作頻率影響輸出電平擺幅大，噪聲容限大。由于輸入阻抗高，CMOS電路易受靜電感應(yīng)并發(fā)生擊穿。與TTL相比，開關(guān)速度較慢。1）CMOS的VDD可以在一定范圍內(nèi)改變，本表為5V時測得。國產(chǎn)邏輯門性能比較第37頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山

14、東科技大學機電學院38開門電阻與關(guān)門電阻+5VRUiFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c13603k750100 由于R一端接低電平，與非門的輸入電流IIL流經(jīng)R會產(chǎn)生壓降Ui，它隨R的增大而升高。通常把剛剛使輸出為低電平的R值稱為開門電阻，把剛剛使輸出為高電平的R值稱為關(guān)門電阻RUi1.40Ui1.4V以后，Ub1被箝位在2.1V第38頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院39門電路多余輸入端的處理(1)對于TTL與非、與門多余輸入端處理方法：直接接高電平（或電源正）與其它的輸入端并聯(lián)，但對信號源取用電流增加懸空，相當于接高電平（當干擾較

15、小時）。通過大于開門電阻RON接地對于TTL或非、或門多余輸入端處理方法：接低電平直接接地與其它的輸入端并聯(lián)，但對信號源取用電流增加通過小于關(guān)門電阻ROFF接地對CMOS邏輯門多余輸入端處理：與非、與門多余輸入端接高電平（不可懸空）或非、或門多余輸入端接地第39頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院40觸發(fā)器與寄存器時序電路的特點：具有記憶功能。在數(shù)字電路中，凡是任一時刻的穩(wěn)定輸出不僅決定于該時刻的輸入，而且還和電路原來的狀態(tài)有關(guān)者，都叫做時序邏輯電路，簡稱時序電路。時序電路的基本單元：觸發(fā)器。觸發(fā)器的分類：按穩(wěn)定工作狀態(tài)劃分：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和

16、無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按功能分：有R-S觸發(fā)器、D型觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T型等；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按觸發(fā)方式劃分：有電平觸發(fā)方式、主從觸發(fā)方式和邊沿觸發(fā)方式 。第40頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院41RS觸發(fā)器的功能表RD SD Q1 10 11 00 0保持原狀態(tài)0 11 0不定狀態(tài)復(fù)位端置位端邏輯符號第41頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院42主從式JK觸發(fā)器的功能表功能表JK觸發(fā)器的功能小結(jié)：1. 當J=0、K=0時，具有保持功能；2. 當J=1、K=1時，具有翻轉(zhuǎn)功能；3. 當J=0、K=1時，具有

17、復(fù)位功能；4. 當J=1、K=0時，具有置位功能。邏輯符號RDSDCQKJC處的小三角表示動態(tài)觸發(fā)，即屬于邊沿型第42頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院43JK觸發(fā)器時序圖JQCPKJQ 保持T第43頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院44攪拌機葉片折斷報警電路第44頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院45傳感器輸出的信號PXS1PXS2正常時1100折斷時1000第45頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院46D觸發(fā)器（1）JK觸發(fā)器

18、轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器CQKJDCP第46頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院47D觸發(fā)器（2）功能表CPDQD觸發(fā)器的輸出波形。邏輯符號RDSDDCQD觸發(fā)器功能：在時鐘下降沿將D信號狀態(tài)存儲到Q端，常用于存儲數(shù)據(jù)，因此D觸發(fā)器又稱為鎖存器。第47頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院48D觸發(fā)器應(yīng)用由D觸發(fā)器構(gòu)成的四位并行寄存器第48頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院49 T觸發(fā)器（1）CQKJTCPJK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器第49頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，

19、星期四山東科技大學機電學院50T觸發(fā)器（2）功能表時序圖：CPQTRDSDCQT邏輯符號:T=0時CP不起作用，T=1時每來一個時鐘脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次第50頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院51T觸發(fā)器應(yīng)用(4位二進制計數(shù)器)CQTTFF1QCTQCQTCTTFF2CQTTFF3TFF4+VDDTTFF1TFF2TFF3TFF4CLOCK第51頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院52功率電子器件概述電子技術(shù)微電子技術(shù)：弱電領(lǐng)域電力電子技術(shù)：強電領(lǐng)域電力電子器件晶閘管（SCR）可關(guān)斷晶閘管（GTO）功率晶體管

20、（GTR）功率場控晶體管（MOS-FET）絕緣門極雙極晶體管（IGBT）電力電子器件應(yīng)用整流逆變斬波交流調(diào)壓第52頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院53普通晶閘管(SCR)簡介主電壓V2ppnn-K主電流V1pn門極G+ASCR等效電路在陽極A與陰極K之間加正向電壓，同時在門極G與陰極K之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽極A與陰極K之間即進入導通狀態(tài)。晶閘管一旦導通，只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH，門極G與陰極K之間是否還存在正向電壓，對已經(jīng)導通的晶閘管完全沒有影響。晶閘管導通條件：主電極陽極A與陰極K之間的電流小于其維持電流IH，晶閘管

21、即進入關(guān)斷狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷條件：第53頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院54SCR外形圖第54頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院55晶閘管實驗(a)開關(guān)未閉合(b)開關(guān)閉合后又斷開(c)電源反向第55頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院56單相半波可控整流控制角：導通角：第56頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院57單相全控橋式整流第57頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院58雙向晶閘管（TR

22、IAC）雙向晶閘管圖形符號 與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管的主要區(qū)別是： 在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ模?觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對值達到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導通。功率晶體管（GTR-Giant Transistor） 功率晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理與小功率晶體管非常相似，屬雙極型器件。V1V2 1 2達林頓復(fù)合晶體管第58頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院59功率晶體管外形第59頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院60可關(guān)斷晶閘管GTO(Gate Turn off Thyristor)陽極A門極G陰極K功率場控晶體

23、管（功率MOSFET） (MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 功率MOSFET 如同普通MOSFET一樣，也是一種單極型晶體管，是電壓控制型，屬全控型器件。它是用柵極電壓控制漏極電流，因此驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，頻率高，它在所有的電力電子器件中是最高的。G柵極S源極D漏極N溝道 GTO是晶閘管的派生器件，是晶閘管家族的一個成員，GTO可以通過在門極施加負電流脈沖使其關(guān)斷，屬全控型器件。它的電壓、電流容量比電力晶體管大的多，和晶閘管接近。第60頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，星期四山東科技大學機電學院61絕緣門極雙極晶體管（IGBT）IGBT是雙極型電力晶體管與MOSFET的復(fù)合。電力晶體管飽和壓降小，載流密度大，但是驅(qū)動電流大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但是導通壓降大載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降降低。GECCEG第61頁，共67頁，2022年，5月20日，3點11分，