《机械电子学》PPT课件.ppt

1,机械电子装置中的电子器件,按电路功能IC分两大类：模拟IC：数字IC：按集成度IC分（10mm10mm）：小规模（小于100）中规模（1001000）大规模（100010000）超大规模（大于10000）从功率上IC分 微电子 电力电子,2,集成IC外形封装及名称,3,模拟器件在机械电子装置中的作用,信号放大模拟运算信号变换功率放大调制解调滤波稳压提供基准波形,4,集成运放的种类,高输入阻抗，（FET作输入级）高精度低温漂（mV,V级）高速型，用于采样保持低功耗型（用于遥测遥感）高压型,5,理想运算放大器的指标,差模开环电压增益AVD差模输入电阻RID 输出电阻R0 0共模抑制比KCMR,1,2,3,4,5,6,7,8,6,理想运放工作在线性区有两个重要特点：,理想运放工作在非线性区有两个重要特点：,I+I-0正向饱和时VO EC负向饱和时VO EE,虚短路虚开路放大倍数与负载无关，可以分开分析。,7,反相比例运算电路,i1=i2,1.放大倍数,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,8,同相比例运算电路,u-=u+=ui,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,9,电压跟随器,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,10,差动放大器,解出：,11,对数电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,12,反对数（指数）电路,输入与输出的关系式为:,13,模拟乘法器,乘法运算电路,uO=Kuxuy,K 增益系数,模拟乘法器符号,14,模拟除法器,15,调制与解调,调幅调频调相,16,调幅（典型应用交流电桥）,17,PID控制器,18,有源滤波器应用电位器传感器滤波,19,课后作业（1)：求输出U0的表达式,20,课后作业（2)：求i0与E的关系,21,课后作业(3):V/I变换求Vi与IL的关系,22,数字集成电路的分类（1）,双极性：TTL,ECL(射极耦合逻辑电路),HTL（高阈值逻辑电路）,DTL单极性：PMOS,NMOS,CMOS,组合逻辑电路时序逻辑电路,数字集成电路的分类（2）,23,数字电路基本单元门电路,门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,24,分立元件门电路（1）,25,分立元件门电路（2）,26,数字IC在机械电子装置中的应用,实现各种控制逻辑实现信息存储实现数字量的各种运算实现电路之间参数匹配提供基准波形,27,TTL数字集成门电路,数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。,TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为:Transistor Transistor Logic。,28,TTL与非门内部结构,29,TTL与非门管子状态,30,IC参数,开门电平VON与关门电平VOFF VON 保证输出为低电平时所允许的输入高电平的最小值，一般VON=2V VOFF 保证输出为高电平时所允许的输入低电平的最大值，一般VOFF=0.8V输出高电平VOH与输出低电平VOL VOH指任一输入端接低电平时的输出电平，典型值3.4V，不得低于2.4V VOL指任一输入端接高电平时的输出电平，典型值0.2V，不得高于0.4V输入短路电流IIL和输入漏电流IIH扇出系数与扇入系数 电路能驱动同类门的个数为扇出系数,分拉电流扇出系数和灌电流扇出系数。噪声容限与抗干扰能力 噪声容限分低电平噪声容限和高电平噪声容限。低电平噪声容限指保证输出高电平为额定值90%所允许叠加在输入低电平上的噪声电压。VNL=VOFF-VIL高电平噪声容限指保证输出为低电平所允许叠加在输入高电平上的噪声电压。VNH=VIH-VON,31,其它类型的TTL门电路,集电极开路的与非门（OC门）,32,分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。,F=F1F2F3,OC门可以实现“线与”功能。,33,E 控制端,一、结构,其它类型的TTL门电路三态门,34,三态门的符号及功能表,功能表,功能表,35,三态门的用途,三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。,工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。,36,CMOS电路的工作特点：,输入阻抗高，可达1010，几乎不从电源吸取电流，功耗极小。扇出系数大，只受工作频率影响输出电平摆幅大，噪声容限大。由于输入阻抗高，CMOS电路易受静电感应并发生击穿。与TTL相比，开关速度较慢。,1）CMOS的VDD可以在一定范围内改变，本表为5V时测得。,国产逻辑门性能比较,37,开门电阻与关门电阻,由于R一端接低电平，与非门的输入电流IIL流经R会产生压降Ui，它随R的增大而升高。通常把刚刚使输出为低电平的R值称为开门电阻，把刚刚使输出为高电平的R值称为关门电阻,Ui1.4V以后，Ub1被箝位在2.1V,38,门电路多余输入端的处理(1),对于TTL与非、与门多余输入端处理方法：直接接高电平（或电源正）与其它的输入端并联，但对信号源取用电流增加悬空，相当于接高电平（当干扰较小时）。通过大于开门电阻RON接地,对于TTL或非、或门多余输入端处理方法：接低电平直接接地与其它的输入端并联，但对信号源取用电流增加通过小于关门电阻ROFF接地,对CMOS逻辑门多余输入端处理：与非、与门多余输入端接高电平（不可悬空）或非、或门多余输入端接地,39,触发器与寄存器,时序电路的特点：具有记忆功能。,在数字电路中，凡是任一时刻的稳定输出不仅决定于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关者，都叫做时序逻辑电路，简称时序电路。,时序电路的基本单元：触发器。,触发器的分类：,按稳定工作状态划分：双稳态触发器、单稳态触发器和无稳态触发器。双稳态触发器按功能分：有R-S触发器、D型触发器、JK触发器、T型等；双稳态触发器按触发方式划分：有电平触发方式、主从触发方式和边沿触发方式。,40,RS触发器的功能表,41,主从式JK触发器的功能表,功能表,JK触发器的功能小结：,1.当J=0、K=0时，具有保持功能；,2.当J=1、K=1时，具有翻转功能；,3.当J=0、K=1时，具有复位功能；,4.当J=1、K=0时，具有置位功能。,C处的小三角表示动态触发，即属于边沿型,42,JK触发器时序图,保持,T,43,搅拌机叶片折断报警电路,44,传感器输出的信号,45,D触发器（1）,JK触发器转换成D触发器,46,D触发器（2）,功能表,D触发器的输出波形。,D触发器功能：在时钟下降沿将D信号状态存储到Q端，常用于存储数据，因此D触发器又称为锁存器。,47,D触发器应用,由D触发器构成的四位并行寄存器,48,T触发器（1）,JK触发器转换成T触发器,49,T触发器（2）,功能表,T=0时CP不起作用，T=1时每来一个时钟脉冲，触发器状态翻转一次,50,T触发器应用(4位二进制计数器),51,功率电子器件概述,电子技术,微电子技术：弱电领域,电力电子技术：强电领域,电力电子器件,晶闸管（SCR）,可关断晶闸管（GTO）,功率晶体管（GTR）,功率场控晶体管（MOS-FET）,绝缘门极双极晶体管（IGBT）,电力电子器件应用整流逆变斩波交流调压,52,普通晶闸管(SCR)简介,在阳极A与阴极K之间加正向电压，同时在门极G与阴极K之间加正向电压（触发），这样阳极A与阴极K之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流IH，门极G与阴极K之间是否还存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响。,晶闸管导通条件：,主电极阳极A与阴极K之间的电流小于其维持电流IH，晶闸管即进入关断状态。,晶闸管关断条件：,53,SCR外形图,54,晶闸管实验,(a)开关未闭合,(b)开关闭合后又断开,(c)电源反向,55,单相半波可控整流,控制角：导通角：,56,单相全控桥式整流,57,双向晶闸管（TRIAC）,双向晶闸管图形符号,与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别是：在触发之后是双向导通的；触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。,功率晶体管（GTR-Giant Transistor）,功率晶体管的结构和工作原理与小功率晶体管非常相似，属双极型器件。,1 2,达林顿复合晶体管,58,功率晶体管外形,59,可关断晶闸管GTO(Gate Turn off Thyristor),功率场控晶体管（功率MOSFET）(MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor),功率MOSFET 如同普通MOSFET一样，也是一种单极型晶体管，是电压控制型，属全控型器件。它是用栅极电压控制漏极电流，因此驱动电路简单，驱动功率小。开关速度快，频率高，它在所有的电力电子器件中是最高的。,GTO是晶闸管的派生器件，是晶闸管家族的一个成员，GTO可以通过在门极施加负电流脉冲使其关断，属全控型器件。它的电压、电流容量比电力晶体管大的多，和晶闸管接近。,60,绝缘门极双极晶体管（IGBT）,IGBT是双极型电力晶体管与MOSFET的复合。电力晶体管饱和压降小，载流密度大，但是驱动电流大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但是导通压降大载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降降低。,61,各种电力器件性能比较,62,应用举例（1）,直流斩波：将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter），用于城市电车、地铁。,一般将L选择得比较大，使电流连续，U0=E，可等效为把电源电压从E降为E后向负载供电。,63,应用举例（2）,交流调压的应用：灯光调节泵及风机的感应电动机调速,逆变器的应用：调温的工频加热和感应加热交直交变频器,64,电力电子器件在机电一体化系统中的作用一般是作为电力开关使用。,65,思考题,三态门的表示法普通与非门、三态门、OC门哪个输出能并接？噪声容限和抗干扰性之间的关系。用J-K触发器设计主电机的开停回路。（按一下按钮电机起动，再按一下按钮电机停止）与非门拉电流IOH=400微安，灌电流IOL=10毫安，LED指示灯点亮的电流值不低于5mA，以下采用哪个电路适合？,66,