基本单元电路设计制作训练（课件）.ppt

1、理论学时理论学时:12学时学时 实训学时实训学时:10学时学时教学目标教学目标:1、集成直流稳压电源电路、集成直流稳压电源电路2、信号产生电路、信号产生电路3、信号处理电路、信号处理电路4、声音报警电路、传感器及其应用电路、声音报警电路、传感器及其应用电路5、功率驱动电路、功率驱动电路6、显示电路、显示电路7、A/D与与D/A电路电路教学重点教学重点:掌握常用电子电路的设计与制作掌握常用电子电路的设计与制作2.1集成稳压电源的设计集成稳压电源的设计2.1.1直流稳压电源的基本原理直流稳压电源的基本原理 直流电源由变压器、整流电路、滤波直流电源由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分组成电

2、路、稳压电路四个部分组成,它的方框它的方框图如图图如图2.1.1所示。所示。图图2.1.1 直流电源的组成框图直流电源的组成框图 其中变压器是把有效值为其中变压器是把有效值为220V的交的交流电压变换为幅值为几伏到几十伏的交流流电压变换为幅值为几伏到几十伏的交流电电;整流电路是将交流电转为具有直流电整流电路是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电成分的脉动直流电;滤波电路是将脉动直滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除流中的交流成分滤除,减少交流成分减少交流成分,增加增加直流成分直流成分;稳压电路对整流后的直流电压稳压电路对整流后的直流电压采用稳压及负反馈技术进一步稳定直流电采用稳压及负反馈技术

3、进一步稳定直流电压。压。1、整流电路、整流电路 它主要由单相半波整流电路、全波整流电它主要由单相半波整流电路、全波整流电路或单相桥式整流电路来构成。如图路或单相桥式整流电路来构成。如图2.1.2所所示。示。(a)单相半波整流电路单相半波整流电路+-(b)全波整流电路全波整流电路(c)单相桥式整流电路单相桥式整流电路全波桥式整流电路参数计算全波桥式整流电路参数计算1)输出电压平均值输出电压平均值UO(AV):2)输出电流平均值输出电流平均值IO(AV):3)脉动系数脉动系数S:2202O(AV)9.022)d(sin21UUttUULLAVOAVORURUI2)()(9.067.032)(1AV

4、OMOUUS4)二极管的平均电流二极管的平均电流ID(AV):等于负载电流等于负载电流的平均值的平均值IO(AV)一半一半L2)(D(AV)45.02RVIIAVO5)二极管所承受的最大反向电压二极管所承受的最大反向电压URMAX:2Rmax2UU2、滤波电路、滤波电路 现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图所示电容滤波电路如图所示,在负载电阻上并联了在负载电阻上并联了一个滤波电容一个滤波电容C。图图2.1.3单相桥式整流电容滤波电路单相桥式整流电容滤波电路 3、三端固定式稳压器、三端固定式稳压器1)W7800系列系列输出电压输出电压:

5、5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V输出电流输出电流:1.5A(W7800)、0.5A(W78M00)、0.1A(W78L00)图图2.1.5 78系列三端稳压器基本应用电路系列三端稳压器基本应用电路2)基本应用基本应用 图图2.1.6 具有正负两路输出稳压电路具有正负两路输出稳压电路 3)输出电压可调稳压电路输出电压可调稳压电路图图2.1.7使输出电压可调稳压电路使输出电压可调稳压电路O32132AURRRRRU 因为因为OAOUUUO213232132OO)1()1/(URRRRRRRRRUU 所以 三端可调式集成稳压器输出电压可三端可调式集成稳压器输出电压可调调,稳压精度高稳

6、压精度高,输出纹波小输出纹波小,只需外接两只需外接两只不同的电阻只不同的电阻,即可获得各种输出电压。即可获得各种输出电压。其中其中,CW317系列稳压器输出连续系列稳压器输出连续可调的正电压可调的正电压,CW337系列稳压器输出系列稳压器输出连续可调的负电压连续可调的负电压,。稳压器内部含有过。稳压器内部含有过流、过热保护电路。流、过热保护电路。R1与与RP1组成电组成电压输出调节电路压输出调节电路,输出电压输出电压Vo1.25(1+RP1/R1)4、可调式三端稳压器、可调式三端稳压器 R1的值为的值为120 240,流经流经R1的泄放电流的泄放电流为为5mA10mA。RP1为精密可调电位器。

7、电为精密可调电位器。电容容C2与与RP1并联组成滤波电路并联组成滤波电路,以减小输出的纹以减小输出的纹波电压。二极管波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路的作用是防止输出端与地短路时时,损坏稳压器。集成稳压器的输出电压损坏稳压器。集成稳压器的输出电压Vo与稳与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流ICMI0max,输入电压输入电压Vi的范围的范围Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max,式式中中,Vomax为最大输出电压为最大输出电压;Vomin为最小输出为最小输出电压电压;(Vi-Vo)min为稳压器的最小输入、

8、输出压为稳压器的最小输入、输出压差差;(Vi-Vo)max为稳压器的最大输入、输出压差。为稳压器的最大输入、输出压差。图图2.1.8 三端可调式集成稳压器引脚排列图三端可调式集成稳压器引脚排列图图图2.1.9 三端可调式集成稳压电路三端可调式集成稳压电路5、DC-DC电源电压电源电压 利用单位增益缓冲器利用单位增益缓冲器BUF643,可以可以组成组成+24V变成变成12V的对称电源。如的对称电源。如图图2.1.10所示。由于所示。由于BUF643的供电范的供电范围为围为2.2518V,故该电路可将故该电路可将+4.5+36V电源电压转换成为上述电电源电压转换成为上述电压。两个压。两个10k电阻

9、要精密匹配。在正负电阻要精密匹配。在正负负载不对称时负载不对称时,在输入电压过高的应用中在输入电压过高的应用中,正负输出电流之差不应超过正负输出电流之差不应超过250mA。图图2.1.10 正负对称电源变换电路正负对称电源变换电路2.2 运算放大器电路运算放大器电路1、比例运算电路、比例运算电路 分析方法分析方法,利用虚短、虚断的概念利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理列出放大倍数表达和基尔霍夫电流定理列出放大倍数表达式。式。反相比例运算电路反相比例运算电路(1)电路的组成如图电路的组成如图2.2.1所示。所示。图图2.2.1反相比例运算电路反相比例运算电路1uRRAf由分析得电路的放大倍数

10、为由分析得电路的放大倍数为(2)电路的特点电路的特点输入信号接入反相输入端输入信号接入反相输入端,uN点虚点虚 地地,其输出信号与输入信号反相。其输出信号与输入信号反相。电路不存在共模信号。电路不存在共模信号。放大倍数可以大于放大倍数可以大于1,可以小于可以小于1,也也 可以等于可以等于0。因为电路引入电压并联负反馈因为电路引入电压并联负反馈,故电路故电路 的输入阻抗较低的输入阻抗较低,即即Ri=R1。图图2.2.2同相比例运算电路同相比例运算电路1uRR1Af由分析得电路的放大倍数为由分析得电路的放大倍数为(2)电路的特点电路的特点输入信号接入同相输入端输入信号接入同相输入端,故其输出故其输

11、出 信号与输入信号同相。信号与输入信号同相。电路存在共模信号电路存在共模信号,故应选用共模抑故应选用共模抑 制比高的集成运放。制比高的集成运放。放大倍数只能大于或等于放大倍数只能大于或等于1。因为电路引入电压串联负反馈因为电路引入电压串联负反馈,故其故其 输入阻抗很高。输入阻抗很高。2、加减运算电路、加减运算电路1)反相求和运算电路反相求和运算电路电路的输出表达式为电路的输出表达式为图图2.2.3反相求和运算电路反相求和运算电路2211ouRRuRRuff图图2.2.4反相求和运算电路反相求和运算电路232213231ouRRRuRRRRR1uf2)同相求和运算电路同相求和运算电路电路的输出表

12、达式为电路的输出表达式为3)加减运算电路加减运算电路图图2.2.5加减运算电路加减运算电路1123231ouRRuRRRRR1uff电路的输出表达式为电路的输出表达式为3、积分运算电路、积分运算电路分析方法分析方法,利用虚短、虚断的概念和基尔利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理及电容端电压与通过它的霍夫电流定理及电容端电压与通过它的电流的关系列出输出方程。电流的关系列出输出方程。图图2.2.6积分运算电路积分运算电路2)电路的分析电路的分析利用上述分析方法可得电路的输出表达式利用上述分析方法可得电路的输出表达式上式表明输出电压为输入电压对时间的积上式表明输出电压为输入电压对时间的积分。在求解

13、分。在求解t1到到t2时间段的积分电压值时间段的积分电压值时时式中式中uo(t1)为为t1时刻电容上存的初始电时刻电容上存的初始电压。压。dtIouRC1u 1ottIotuuRC1u21dt4、微分运算电路、微分运算电路图图2.2.7微分运算电路微分运算电路2)电路的分析电路的分析利用上述分析方法可求得电路的输出表利用上述分析方法可求得电路的输出表达式达式上式表明输出电压正比与输入电压对时上式表明输出电压正比与输入电压对时间的微分。间的微分。dtduRCuIo5、测量放大电路、测量放大电路 在精密测量和控制系统中在精密测量和控制系统中,需要把来需要把来自各种传感器的电信号在共模条件下按自各种

14、传感器的电信号在共模条件下按一定的倍数精确地放大一定的倍数精确地放大,这些电信号往这些电信号往往是微弱的差值信号往是微弱的差值信号,这就要求放大电这就要求放大电路具有很大的共模抑制比路具有很大的共模抑制比,极高的输入极高的输入电阻电阻,放大倍数能在大范围内可调放大倍数能在大范围内可调,且误且误差小、稳定性好等特点差小、稳定性好等特点,这样的放大电这样的放大电路称之为测量放大电路路称之为测量放大电路,又称为精密放又称为精密放大电路或仪用放大电路。大电路或仪用放大电路。典型的测量放大电路如图典型的测量放大电路如图2.2.8 所示所示,图中所有电阻均采用精密电阻。图中所有电阻均采用精密电阻。图图2.

15、2.8 三运放测量放大电路三运放测量放大电路1)电路结构与特性电路结构与特性如图如图2.2.8 所示是由三个运算放大器组所示是由三个运算放大器组成的测量放大电路成的测量放大电路,两个对称的同相放大两个对称的同相放大器器A1、A2 构成第一级构成第一级,差动放大器差动放大器A3 构成第构成第二级。为提高电路的抗共模干扰能力和二级。为提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的抑制漂移的影响影响,应使电路上下对称应使电路上下对称,即取即取R1=R2,R4=R6,R5=R7。若。若A1、A2、A3 都是理想运放都是理想运放,则则V1=V4,V2=V5,故有故有由上两式由上两式,可得可得整个放大器的闭整个放大

16、器的闭环放大倍数环放大倍数:由此可见由此可见,测量放大电路具有以下的特测量放大电路具有以下的特点点:(1)测量放大器是一种带有精密差动测量放大器是一种带有精密差动 电压增益的器件。电压增益的器件。(2)具有高输入阻抗、低输出阻抗。具有高输入阻抗、低输出阻抗。(3)具有强抗共模干扰能力、低温具有强抗共模干扰能力、低温 漂、低失调电压和高稳定增益等漂、低失调电压和高稳定增益等 特点。特点。(4)在检测微弱信号的系统中被广泛在检测微弱信号的系统中被广泛 用作前置放大器。用作前置放大器。2.3信号产生电路2.3.1方波产生电路 矩形波产生电路是一种能够直接产矩形波产生电路是一种能够直接产生矩形波的非正

17、弦信号发生电路。由于生矩形波的非正弦信号发生电路。由于矩形波包含极丰富的谐波矩形波包含极丰富的谐波,因此因此,这种电路这种电路又称为多谐振荡器。又称为多谐振荡器。图图2.3.1由运放组成的矩形波产生电路由运放组成的矩形波产生电路1、由运放组成的矩形波产生电路、由运放组成的矩形波产生电路 矩形波产生电路如图矩形波产生电路如图2.3.1所示所示,图中参图中参数数R1,R2,RRP1可根据具体应用情况调整可根据具体应用情况调整,而振荡的频率取决于而振荡的频率取决于R,C的大小的大小,频率计算公频率计算公式为式为 RCf39.112、晶振和运放组成的矩形波产生器、晶振和运放组成的矩形波产生器 图图2.

18、3.2中的输出信号频率决定于晶振中的输出信号频率决定于晶振的频率的频率,其中电阻其中电阻R4=2K用作运算放大器用作运算放大器输出级集电级开路的负载。输出级集电级开路的负载。图图2.3.2晶振和运放组成的矩形波产生器晶振和运放组成的矩形波产生器3、555电路组成的矩形波产生电路电路组成的矩形波产生电路电路特点电路特点:充放电电路分开。充电路充放电电路分开。充电路径径:tw1=RACln2,放电路放电路径径:tw2=RBCln2占空比占空比:q=tw1/(tw1+tw2)=RA/(RA+RB),通过调节通过调节R2来调节占空比来调节占空比图图2.3.2 555电路组成的矩形波产生电路电路组成的矩

19、形波产生电路2.3.2正弦波产生电路图图2.3.3是一个桥是一个桥T型型RC振荡器振荡器,电路中电路中C1=C2=C3,振荡频振荡频率为率为 ,。为了减小失。为了减小失真真,Q值不大于值不大于5,R1/R2=100,正正反馈系数反馈系数F=R3/(R3+R4)。图图2.3.3正弦波产生电路正弦波产生电路2.3.3三角波产生电路三角波产生电路 图图2.3.4中运放采用中运放采用4136,U1A是一个是一个门限检测器门限检测器,U1B是一个积分器是一个积分器,RW用于幅度用于幅度调节调节,RP控制控制C1的充电电流的充电电流,进行频率调节。进行频率调节。图图2.3.4三角波产生电路三角波产生电路2

20、.3.4多种信号发生器多种信号发生器图图2.3.5由由555组成的多种信号发生器组成的多种信号发生器 该信号发生器电路简单、成本低廉、调整该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。方便。555定时器接成多谐振荡器工作形定时器接成多谐振荡器工作形式式,C2为定时电容为定时电容,C2的充电回路是的充电回路是R2R3RPC2;C2的放电回路是的放电回路是C2RPR3IC的的7脚脚(放电管放电管)。由于。由于R3 RPR2,所以充电时间常数与放电时间常数近所以充电时间常数与放电时间常数近似相等似相等,由由IC的的3脚输出的是近似对称方波。按脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数图所示元件参数,其频率

21、为其频率为1kHz左右左右,调节电位调节电位器器RP可改变振荡器的频率。方波信号经可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后积分网络后,输出三角波。三角波再经输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络积分网络,输出近似的正弦波。输出近似的正弦波。C1是电源滤是电源滤波电容。发光二极管波电容。发光二极管VD用作电源指示。用作电源指示。图图2.3.6 采用采用8038的函数发生电路的函数发生电路 如图如图2.3.6所示为采用所示为采用8038的函数发生的函数发生电路。采用集成电路芯片电路。采用集成电路芯片8038构成的函数发构成的函数发生器可同时获得方波、三角波和正弦波。三角生器可同时获得方

22、波、三角波和正弦波。三角波通过电容恒流放电而直接形成波通过电容恒流放电而直接形成;方波由控制方波由控制信号获得信号获得;正弦波由三角波通过折线近似电路正弦波由三角波通过折线近似电路获得。通过这种方式获得的正弦波不是平滑曲获得。通过这种方式获得的正弦波不是平滑曲线线,其失真率为其失真率为1左右左右,可满足一般用途的需可满足一般用途的需要。电路中的电位器要。电路中的电位器PR1用于调整频率用于调整频率,调整调整范围为范围为20Hz到到20kHz。PR2用于调整波形用于调整波形的失真率的失真率,PR3用于调整波形的占空比。用于调整波形的占空比。2.4 信号处理电路信号处理电路n信号处理电路主要利用集

23、成运算放大信号处理电路主要利用集成运算放大器或专用模拟集成电路器或专用模拟集成电路,配以少量的外配以少量的外接元件可以构成各种功能的处理电路。接元件可以构成各种功能的处理电路。主要功能有信号放大、信号滤波、阻主要功能有信号放大、信号滤波、阻抗匹配、电平变换、非线性裣、电流抗匹配、电平变换、非线性裣、电流/电压转换、电压电压转换、电压/频率转换等。频率转换等。2.4.1有源滤波电路有源滤波电路 滤波电路的种类有很多滤波电路的种类有很多,这里主要介这里主要介绍集成运放和绍集成运放和RC网络组成的有源滤波电网络组成的有源滤波电路。路。根据滤波器的选频作用根据滤波器的选频作用,一般将滤波一般将滤波器分

24、为四类器分为四类,即低通即低通(LPF)、高通、高通(HPF)、带通带通(BPF)和带阻和带阻(BEF)滤波器。滤波器。图图2.4.1 由运放组成的有源低通滤波器由运放组成的有源低通滤波器图图2.4.1所示电路是由运放组成的有源低通所示电路是由运放组成的有源低通滤波器滤波器,R1/R2,C/C2可以是各种值可以是各种值,图中选图中选用用R1=R2,C=2C2,截止频率为截止频率为22121CCRRfc 图图2.4.2是由运放组成的多功能有源是由运放组成的多功能有源滤波电路滤波电路,可以提供低能、带通、高通三种可以提供低能、带通、高通三种滤波特性滤波特性,当信号从反相端输入时当信号从反相端输入时

25、,高通、高通、低通输出端信号的截止频率均低通输出端信号的截止频率均为为 ,当信号当信号从同相端输入时从同相端输入时,带能中心频为带能中心频为 1110CR3/621361RRRRQ1110CR33615.0RRRRQ图图2.4.2 由运放组成的多功能有源滤波电路由运放组成的多功能有源滤波电路2.4.2 电压电压-频率、频率、频率、电压变换电路频率、电压变换电路 VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关电路等三部分组成。各种类型自动复位开关电路等三部分组成。各种类型VFC电路的主要区别在于复位方法及复位时间电路的主要区别在于复位方法及复位时间不同而已

26、。下面将讨论由运算放大器构成的各不同而已。下面将讨论由运算放大器构成的各种种VFC电路和典型的模拟集成电压电路和典型的模拟集成电压频率转换频率转换器。器。模拟集成电压模拟集成电压频率、频率频率、频率电压转换器电压转换器,具有精度高、线性度高具有精度高、线性度高,温度系数低、功耗低、温度系数低、功耗低、动态范围宽等一系列优点动态范围宽等一系列优点,目前已广泛地应用于目前已广泛地应用于数据采集数据采集,自动控制和数字化及智能化测量仪器自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集成电压中。集成电压频率、频率频率、频率电压转换器大多电压转换器大多采用恒流源复位型采用恒流源复位型VFC电路做基本电路。电路做基

27、本电路。图图2.4.3所示电路所示电路,采用多谐振荡器采用多谐振荡器CA3130,产生恒定幅度和宽度的脉冲。输产生恒定幅度和宽度的脉冲。输出电压经积分电路出电压经积分电路(R、C)加到比较器的同加到比较器的同相输入端相输入端,比较器输出经比较器输出经R、VD反馈至反馈至A的反的反相输入端。输入电压范围在相输入端。输入电压范围在010V,输出频输出频率在率在010kHz,转换灵敏度为转换灵敏度为1kHz/V。图图2.4.3 电压电压/频率转换电路频率转换电路 图图2.4.4所示的电路为利用比较器所示的电路为利用比较器SF339(或或LM339)组成压控振荡器。组成压控振荡器。电路由三个部分组成电

28、路由三个部分组成,A比较器构成积分比较器构成积分器器,控制电压控制电压U对电容充电对电容充电;B比较器接成比较器接成施密特触发器施密特触发器,实现三角波到方波的转实现三角波到方波的转换换;C比较器接为控制开关比较器接为控制开关,控制电容器控制电容器的放电。的放电。图图2.4.4 用比较器组成的压控振荡器用比较器组成的压控振荡器 图图2.4.5所示电路中所示电路中,施密特反相施密特反相器器CC40106的的U端接至运算放大器的端接至运算放大器的“虚地虚地”端。输入为低电平时端。输入为低电平时,反相器反相器输出为高电平对输出为高电平对C充电充电;输入为高电平输入为高电平时时,C放电。在一个周期内平

29、均放电电放电。在一个周期内平均放电电流为流为I=Q/T=UCf,输出电压输出电压U=-IR=-URCf,电容电容C、C有抑制开关尖有抑制开关尖峰峰,起平滑滤波的作用。起平滑滤波的作用。图图2.4.5 频率频率/电压转换器电压转换器 2.5声音报警电路声音报警电路1、分立元件制作的声音报警电路、分立元件制作的声音报警电路 图图2.5.1所示电路中所示电路中,LM555电路构电路构成的高频多谐振荡器由启动信号启动后成的高频多谐振荡器由启动信号启动后,使使LM555的第的第4脚为高电平脚为高电平,可以产生音可以产生音频信号频信号,VT1则用做音频放大器和扬声器则用做音频放大器和扬声器的驱动。实际应用

30、时的驱动。实际应用时,也可以将扬声器的也可以将扬声器的电容隔离后接在第电容隔离后接在第3脚的电阻上。脚的电阻上。图图2.5.1 555电路组成的声音报警电路电路组成的声音报警电路 图图2.5.2所示电路中所示电路中,或非门或非门CD4001A和和B构成低频振荡器构成低频振荡器,在启在启动信号动信号(低电平有效低电平有效)触发下触发下,使或非门使或非门A的一个输入端为逻辑的一个输入端为逻辑“0”,振荡器从振荡器从而被激发而被激发,它产生的低频方波对高频振它产生的低频方波对高频振荡器荡器(由由C和和D门组成门组成)进行门控制进行门控制,以产以产生大约生大约1KHZ的信号。调整的信号。调整R1可以改

31、可以改变低频信号的频率变低频信号的频率,调整调整R2可以改变音可以改变音调。调。图图2.5.2 或非门组成的声音报警电路或非门组成的声音报警电路2、传感器的分类、传感器的分类 被测量分类被测量分类 按传感器工作原理分类按传感器工作原理分类 按能量的关系分类按能量的关系分类 按输出信号的性质分类按输出信号的性质分类 2.6.2 霍尔传感器与应用电路1、基本原理、基本原理 在置于磁场中的导体或半导体内通入电在置于磁场中的导体或半导体内通入电流流,若电流与磁场垂直若电流与磁场垂直,则在与磁场和电流都垂则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差直的方向上会出现一个电势差,这种现象称为这种现象称为霍

32、耳效应。霍耳效应。霍耳电压霍耳电压:KH为霍耳灵敏度为霍耳灵敏度,它表示一个霍耳元件在它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。电压的大小。IBKUHH利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍耳元件也叫霍耳传感器。霍耳元件由霍耳耳元件也叫霍耳传感器。霍耳元件由霍耳片、片、引线和壳体组成引线和壳体组成,如图如图2.6.1所示所示图图2.6.1 霍耳效应与霍耳元件霍耳效应与霍耳元件2、霍耳集成传感器、霍耳集成传感器 集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺将集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量

33、电路集成到一起霍尔元件与测量电路集成到一起,实现了材料、实现了材料、元件、电路三位一体元件、电路三位一体,有霍耳开关集成传感器有霍耳开关集成传感器和霍耳线性集成传感器。和霍耳线性集成传感器。图图2.6.2 基本应用电路基本应用电路3、典型应用、典型应用1)转速计转速计 图图2.6.3 转速计转速计设频率计的频设频率计的频率为率为f,小磁铁小磁铁数量为数量为Z,则转则转轴转速轴转速为为:n=60f/Z(r/min)2)位移传感器位移传感器图图2.6.4 霍耳式位移传感器原理示意图霍耳式位移传感器原理示意图 若控制电流若控制电流I 恒定不变恒定不变,霍耳电压与磁感霍耳电压与磁感应强度应强度B成正比

34、成正比,则磁场在一定范围内沿着则磁场在一定范围内沿着x的的方向的变化方向的变化dB/dx为常数为常数,因此元件沿因此元件沿x方方向移动时向移动时,霍耳电压的变化为霍耳电压的变化为 对上式积分得对上式积分得U H=Kx 上式表明霍耳上式表明霍耳电压与位移成正比电压与位移成正比,电压的极性表示了元件位电压的极性表示了元件位移的方向。移的方向。2.6.3 超声波传感器与应用电路超声波传感器与应用电路1 1、超声波及其物理性质、超声波及其物理性质 超声波和声音一样超声波和声音一样,是一种机是一种机械振动波械振动波,是机械振动在弹性介质是机械振动在弹性介质中的传播过程。中的传播过程。1011021031

35、04105106107f/Hz微 波探 测超 声 波语 言音 乐声 波次 声 波0.2510620106 超过超过20KHz称为超声波称为超声波,检测常用的超声波频率范围为检测常用的超声波频率范围为几十几十kHz几十几十MHz。超声波种类超声波种类 纵波纵波:质点振动方向与波的传播方质点振动方向与波的传播方向一致的波向一致的波,它能在固体、液体和气体它能在固体、液体和气体介质中传播。介质中传播。横波横波:质点振动方向垂直于传播方质点振动方向垂直于传播方向的波向的波,它只能在固体介质中传播。它只能在固体介质中传播。表面波表面波:质点的振动介于横波与纵质点的振动介于横波与纵波之间波之间,沿着介质表

36、面传播沿着介质表面传播,其振幅随其振幅随深度增加而迅速衰减的波深度增加而迅速衰减的波,表面波只在表面波只在固体的表面传播。固体的表面传播。超声波的传播速度超声波的传播速度 超声波的传播速度与介质超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波密度和弹性特性有关。超声波在在气体和液体中传播气体和液体中传播时时,仅有纵仅有纵波的传播波的传播,其传播速度其传播速度c为为nBc1-介质的密度介质的密度;Bn-绝对压缩系数。绝对压缩系数。上述的上述的、Bn都是温度的函数都是温度的函数,使超声波在介质中的传播速度随温使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。度的变化而变化。气体气体中纵波声速为中纵波声

37、速为344 m/s,液体液体中纵波声速在中纵波声速在9001900m/s 在在固体固体中中,纵波、横波及其纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关表面波三者的声速有一定的关系系,通常可认为横波声速为纵通常可认为横波声速为纵波的一半波的一半,表面波声速为横波声表面波声速为横波声速的速的90%。反射与折射现象反射与折射现象o介 质 1介 质 2折 射 波反 射 波入 射 波由物理学知由物理学知,当波当波在界面上产生反射在界面上产生反射时时,入射角入射角的正弦的正弦与反射角与反射角的正弦的正弦之比等于波速之比。之比等于波速之比。21sinsincc传播中的衰减传播中的衰减 随着超声波在介质中传播距离

38、随着超声波在介质中传播距离的增加的增加,由于介质吸收能量而使超由于介质吸收能量而使超声波强度有所衰减。声波强度有所衰减。AdeII0式中式中:d-介质的厚度介质的厚度A-介质对超声波能量的吸收系数介质对超声波能量的吸收系数2、超声波传感器、超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。为超声波换能器、探测器或传感器。超声波探头按其工作原理可超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等等,其中以其中以压电式最为常用压电式最为常用。它是利用压电材

39、料的它是利用压电材料的压电效应压电效应来工作的来工作的:逆压电效应将高频电振逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动动转换成高频机械振动,从而产生从而产生超声波超声波,可作为发射探头可作为发射探头;而正压而正压电效应是将超声振动波转换成电信电效应是将超声振动波转换成电信号号,可作为接收探头。可作为接收探头。金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆图图2.6.6 压电式超声波传感器结构及外形压电式超声波传感器结构及外形3、超声波传感器应用、超声波传感器应用1)超声波测距超声波测距 可以应用于汽车倒车、建可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场筑施工工地以及一些工业现场的位置监控的位置监控

40、,也可用于如液位、也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。井深、管道长度的测量等场合。超声波测距的原理一般采用渡越超声波测距的原理一般采用渡越时间法时间法TOF(timeofflight)。首先测出超声波从发射到遇首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间到障碍物返回所经历的时间,再再乘以超声波的速度就得到二倍的乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。声源与障碍物之间的距离。可以采用单片机作为主控可以采用单片机作为主控制器制器,用动态扫描法实现用动态扫描法实现LED数数字显示字显示,超声波驱动信号用单片超声波驱动信号用单片机的定时器完成机的定时器完成,超声波测距器超声波测

41、距器的系统框图如下图所示的系统框图如下图所示:超声波测距器系统设计框图超声波测距器系统设计框图 硬件部分硬件部分 主要由单片机系统及显示主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。波检测接收电路三部分组成。单片机系统及显示电路单片机系统及显示电路 单片机采用单片机采用89S51或其兼容系或其兼容系列。采用列。采用12MHz高精度的晶振高精度的晶振,以获以获得较稳定的时钟频率得较稳定的时钟频率,减小测量误差。减小测量误差。单片机用单片机用P1.0端口输出超声波转化端口输出超声波转化器所需的器所需的40KHz方波信号方波信号,利用外中利用外中

42、断断0口检测超声波接受电路输出的返口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳位共阳LED数码管数码管,段码用段码用74LS244驱动驱动,位码用位码用PNP三极管三极管驱动。驱动。超声波发射电路原理图超声波发射电路原理图 超声波发射电路超声波发射电路超声波接收电路原理图超声波接收电路原理图超声波接收路电超声波接收路电软件部分软件部分 主要由主程序、超声波发主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。序及显示子程序等部分。超声波测距器的算法设计超声波测距器的算法设计 距离计算公式距离计算公式

43、:d=s/2=(c*t)/2 主程序主程序主程序框图主程序框图 2.6.4 金属传感器与应用电路金属传感器与应用电路1、集成金属传感器包括两种类型、集成金属传感器包括两种类型:电感式电感式接近开关和电容式接近开关。接近开关和电容式接近开关。电感式接近开关电感式接近开关图图2.6.8 电涡流接近开关原理框图电涡流接近开关原理框图 图图2.6.9 几种常用的电感开关的外形几种常用的电感开关的外形电容式接近开关电容式接近开关图图2.6.10 电容接近开关原理框图电容接近开关原理框图2.6.5 温度传感器与应用电路温度传感器与应用电路1、热电偶温度传感器、热电偶温度传感器(1)基本原理基本原理 两种不

44、同材料的导体组成一个闭合回两种不同材料的导体组成一个闭合回路时路时,若两接点温度不同若两接点温度不同,则在该回路中会产则在该回路中会产生一个方向和大小与材料及两点的温度有生一个方向和大小与材料及两点的温度有关的电动势。这种现象称为热电效应关的电动势。这种现象称为热电效应,该电该电动势称为热电势。动势称为热电势。(2)应用电路应用电路冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图2.6.12所示。所示。RT为传感器。为传感器。图图2.6.12 冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路2、热电阻温度传感器、热电阻温度传感器(1)工作原理工作原理 热电阻温度传感器就

45、是利用导体的电阻随温热电阻温度传感器就是利用导体的电阻随温度变化的特性度变化的特性,对温度和温度有关的参数对温度和温度有关的参数进行检测的装置。它主要用于测量进行检测的装置。它主要用于测量200500范围内的温度。它随温度变化的特性范围内的温度。它随温度变化的特性,可用特性方程表示为可用特性方程表示为式中式中Rt、R0 热电阻在热电阻在t和和0时的电阻值时的电阻值;热电阻的电阻温度系数热电阻的电阻温度系数(1/)。(2)主要类型主要类型铂热电阻。铂具有稳定的物理、化学性能铂热电阻。铂具有稳定的物理、化学性能,是是目前制造热电阻的最好材料目前制造热电阻的最好材料,它通常用作标准它通常用作标准温度

46、计。温度计。铜热电阻。铜热电阻和铂电阻相比具有温度铜热电阻。铜热电阻和铂电阻相比具有温度系数大系数大,价格低价格低,而且易于提纯等优点而且易于提纯等优点,但存在但存在电阻率小电阻率小,体积较大体积较大,热惯性也大热惯性也大,机械强度差机械强度差等缺点。等缺点。铟、锰、碳等热电阻铂、铜热电阻用于低温铟、锰、碳等热电阻铂、铜热电阻用于低温和超低温测量时性能不够理想和超低温测量时性能不够理想,而铟、锰、碳而铟、锰、碳等热电阻材料都是测量低温和超低温的理想等热电阻材料都是测量低温和超低温的理想材料。材料。(3)测量电路测量电路为了减小引出线电阻的影响为了减小引出线电阻的影响,常采用三线常采用三线或四线

47、连接方法或四线连接方法,如图如图2.6.13所示。所示。图图2.6.13 热电阻传感器的测量电路热电阻传感器的测量电路3、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻(1)热敏电阻分类热敏电阻分类 热敏电阻可分为三种类型热敏电阻可分为三种类型,即即:正正温度系数温度系数(PTC)热敏电阻热敏电阻,负温度系数负温度系数(NTC)热敏电阻热敏电阻,在某一特定温度下电在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器阻值会发生突变的临界温度电阻器(CTR)。(2)半导体热敏电阻的应用半导体热敏电阻的应用 热敏电阻测温电桥热敏电阻测温电桥图图2.6.14热敏电阻测温电桥热敏电阻测温电桥热敏电阻作温度补偿用热敏电阻作温

48、度补偿用通常补偿网络是由热敏电阻器通常补偿网络是由热敏电阻器R T 和与温度无和与温度无关的线性电阻器关的线性电阻器R1 和和R2 串并联组成串并联组成,如如图图2.6.15所示。所示。补偿温度范围为补偿温度范围为T1 T2 。对于。对于晶体管低频放大器晶体管低频放大器和功率放大器电路和功率放大器电路的温度补偿的温度补偿,可用可用公式来确定热敏电公式来确定热敏电阻器的型号。阻器的型号。图图2.6.15 补偿网络补偿网络4、集成温度传感器、集成温度传感器 目前集成温度传感器主要分为三大目前集成温度传感器主要分为三大类类:一类为电压型集成温度传感器一类为电压型集成温度传感器;另一另一类为电流型集成

49、温度传感器类为电流型集成温度传感器;还有一类还有一类是数字输出型。是数字输出型。(1)工作原理工作原理 下面以下面以AD590 为例说明集成温度传为例说明集成温度传感器的工作原理。感器的工作原理。AD590 属于电流型属于电流型集成温度传感器集成温度传感器,电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源是一个输出电流与温度成比例的电流源,由于电流很容易变换成电压由于电流很容易变换成电压,因此这种传因此这种传感器应用十分方便。要指出的是感器应用十分方便。要指出的是,AD590 集成温度传感器的输出电流是整个电路的集成温度传感器的输出电流是整个电路的电源电流电源电流,而

50、这个电流与施加在这个电路而这个电流与施加在这个电路上的电源电压几乎无关。图上的电源电压几乎无关。图2.6.13为为AD590的电路原理图。的电路原理图。图图2.6.16 AD590电路原理图电路原理图(2)温度控制温度控制图图2.6.17 应用应用AD590 用于简单温度控制电路用于简单温度控制电路(3)数字输出型集成温度传感器的应用数字输出型集成温度传感器的应用 美国美国DALLAS 公司生产的单线数字公司生产的单线数字温度传感器温度传感器DS1820,可把温度信号直接可把温度信号直接转换成串转换成串行数字信号供计算机处理。如图行数字信号供计算机处理。如图2.6.18所示为所示为DS1820