数字仪表中的新颖检测电路ppt课件.ppt

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1、河北科技大学信息科学与工程学院,2009.10,数字化测量技术,第六节 测量电容及电感的电路,理想的电阻只有电阻分量，没有电抗分量；理想电感和理想电容则只有电抗分量。 电容电抗简称容抗 电感电抗简称为感抗,传统的数字仪表测量电容一般采用脉宽调制法，充放电周期法等，缺点是电路本身不能自动调零等。 容抗法不仅能实现电容挡的自动调零，还能用来测电感量。,第六节 测量电容及电感的电路,一、用容抗法测量电容,设计思想： 首先用正弦波信号将被测电容量Cx变成容抗XC， 然后进行C/U转换，把XC转换成交流信号电压； 再经过AC/DC转换器测量平均值电压,只要 Cx，适当调节电路参数，即可直读电容量。,第六

2、节 测量电容及电感的电路,一、用容抗法测量电容,文氏桥振荡器,获得400Hz正弦信号约5V,信号电压调整,调节RPK=0.16获得400Hz80mv正弦信号,UB,C/U转换,二阶有源带通滤波器,UC,UD,C=2000PFXc=200KRf=1MUc=400mv,UA,400Hz中心增益为0.5满量程时Ud=200mv,第六节 测量电容及电感的电路,一、用容抗法测量电容,C/U转换电路,被测电容等效阻抗Xc；R711等效反馈电阻Rf；电路简化为：,结论：输出线性正比与被测电容,例：设计2000pf量程，满量程输出400mv 条件Ui=80mv f=400Hz解：当 C=2000pf Xc=1

3、/2fc=200K 此时输出应为满量程 400mv 根据公式1 得 Rf=Xc Uo / Ui =1M,1,总结测量电容量的过程：文氏桥振荡器C/U转换器AC/DC转换器A/D转换器。,第六节 测量电容及电感的电路,二、用容抗法测量电感,利用容抗法C/U转换器也可以测量电感量，使之变成感抗法L/U转换器。,1. 测量纯电感的原理,以Lx的感抗XL代替容抗，假设读数值为C即此时的感抗与容量为C的电容容抗相同,若电容单位取F，Lx取mH则 Lx156/C,因原最高量程为20F，故被测电感量须满足：Lx156/207.8mH 否则仪表将溢出。,此计算法仅适用于纯电感。对于工频变压器绕组、电机绕组、继

4、电器线圈，其直流电阻很小，可近似视为纯电感。,第六节 测量电容及电感的电路,二、用容抗法测量电感,2. 测量非纯电感,当电感本身的直流电阻R可同感抗XL相比较时，就不再是纯电感了，必须对测量值进行修正。修正公式为：,Lx为测量值Lx为实际电感量,举例：用4位数字电容表的20F挡实测一只标称值为4.7mH的色码电感，仪表读数为7.975（F） 若按式Lx156/C计算 则Lx19.56mH 为标称值的4倍。 用数字欧姆表的200挡测量其直流电阻，R47.98 按照上式修正后电感量应为 4.79mH 仅比标称值大1.9,第六节 测量电容及电感的电路,三、用感抗法测量电感,以VC9808+型数字万用

5、表的2mH挡为例，介绍测量电感的原理，,保护,三角波发生器,电感/电压(Lx/UO)转换器,极性转换器,第六节 测量电容及电感的电路,三、用感抗法测量电感,（1）三角波发生器,设电源电压为U，充放电电流为U/34.7K,当Z电压过阈值翻转，4093阈值1/6 U 正向充电A为高翻转电压: UB=-0.55 U 反向放电A为低翻转电压: UB=0.55 U 冲放电压程 1.1U,Z,充放电时间 It/c=1.1 U t=38.17C=0.3817ms 周期T=2t=0.7634ms,振荡频率 f=1/T =1.31KHz 实际测量 1.3278Hz,校准输出电压,缓冲驱动,积分电路,翻转控制,第

6、六节 测量电容及电感的电路,三、用感抗法测量电感,（2）电感/电压（Lx/UO）转换电路,（Lx/UO）转换,放大驱动,XL2fLx,代入阻值及感抗,结论：UO与Lx成正比，后接AC/DC变换及AD转换即可完成测量。,UE与LX电流同相位LX电流超前UD90o,第六节 测量电容及电感的电路,三、用感抗法测量电感,（3）极性转换器,如果后续测量电路未使用AC/DC转换器，A/D转换器求平均值，就必须增加极性转换器，以避免在整个积分周期内三角波的平均值为零。,F,UO,t,K=0,K=1,K=1,O,三角波电压,L/V转换输出压，超前90o,根据K状态翻转负信号,超量程限制： H 输出 超输出低正

7、常时E点三角波幅度只有0.2V，故H恒为高电平。仅当Lx2mH时，H变低，仪表显示超量程符号。同时 停止三角波振荡，系统变为直流状态，电感两端电流泄放后，回复正常工作。,第七节 测量频率及占空比的电路,一、测量频率的原理,测量原理：利用f/U转换器把被测频率信号转换成直流电压，然后经A/D转换器转换结果。,测量方法：常用的有 周期计时法 如ICM7216 不用A/D 定时计数法 如ICM7216 不用A/D f/U间接测量法 通过AD转换获得 锁相环f/U 例图5-3-2 单稳态f/U 其他,单稳态f/U基本思路,第七节 测量频率及占空比的电路,一、测量频率的原理,理过零比较,整形缓冲,单稳态

8、,低通滤波器,微分,隔值耦合,偏置在(U+ - U-)/2,偏置在(U+ - COM)/2,t1-R7C3ln1/31.1R7C3,第七节 测量频率及占空比的电路,一、测量频率的原理,f=800Hz,f=1600Hz,R7为定时电阻，C3是定时电容,当2脚负跳变到U/3时,触发器置位,OUTl,VT截止, R7对C3充电。,当充电到UC3U+，6脚使触发器复位,OUT0,VT导通，放电。,等待下次负向跳变,t1-R7C3ln1/31.1R7C3,结论：占空比 D=t1 /信号周期 =t1信号频率 平均电压=D U+ = U+ t1信号频率,UPU+,第七节 测量频率及占空比的电路,一、测量频率

9、的原理,结论：占空比 D=t1 /信号周期 =t1信号频率 平均电压=D U+ = U+ t1信号频率,设计电路时应注意事项：,（1）由结论可得，信号周期必须大于定时时间t1，否则D 1,因此t1决定了信号频率上限；改变定时RC即可调节脉宽t1，所以设计多量程数字频率表,如设计20kHz、200kHz两个频率挡，需使用两套定时电阻，各由固定电阻与电位器串联而成，可单独调节。 （2）该数字频率表的特点是将f/U转换器与200mV数字电压表配套使用。它与数字频率计有本质区别，后者由数字电路构成，不作A/D转换。（3）电路中关键器件为定时R7、C3和分压取样电阻R8、R9、Rp，电阻应使用误差为1%

10、的金属膜电阻。C3选用瓷片电容。（4）由结论可得，平均电压输出与电源电压（7555）有关，采用不同的电压供电时，须调整分压电路；如可配ICL7129型4位A/D转换器，此时UCOM之间的电压EO3.2V。,第七节 测量频率及占空比的电路,二、测量占空比的电路,输入保护,电压放大,整形,校准,低通滤波,UP2.8V,UP=0.1V,矩形波平均值电压,脉冲经放大后，幅度UP2.8V。经R2和RP分压，幅度降成UP=100mv,占空比=1 时 平均电压=100mv,ICL7106的测量显示值：小数点在十位即可只读%,第八节 测量温度的电路,一、测温电桥的工作原理,以一种能对热电偶自动进行温度补偿的新

11、颖测温电桥电路为例介绍设计思想：利用硅晶体管发射结（或硅二极管）作半导体温度传感器来测量室温，热电偶测温时对冷端温度进行自动补偿，电路简单，成本低廉，准确度高，便于调试。其测温准确度可达1%左右，分辨力为1。,热电偶,一种感温元件，直接测量温度，把温度转换成热电动势, 原理是两种不同成份材质导体组成闭合回路,结合点作为一端，当两端存在温度差时, 导体之间存在电动势热电动势(即塞贝克效应)测温范围可达1400。,如：K型热电偶具有正的电压温度系数 TK41.269V/40V/假定 被测温度T100（热端） 室温TA20（冷端）热电势 eTK(T-TA) 40V/(10020) 3.2mV。,因此

12、：热电偶测温时必须对冷端温度进行补偿,第八节 测量温度的电路,一、测温电桥的工作原理,DVM测量的是A点和C点电位差串联热电动势e UIN=UA-UC+ e(t） e(t）随冷端升高而减小 如果让UA随冷端升高而增加，并有相同的温度系数(反向)， 即可补偿冷端带来的影响,硅晶体管发射结正向导通压降UBE与温度成反比，负温度系数TBE=-（2.02.5）mV/。假定2N3904的TBE 2.4mV/ 1 温升时 UBE 2.4mV UD E0 UBE =2.4mV,A,B,C,D,UA具有正温度系数，且A= 40V/与热电偶温度系数相同，正好可补偿冷端温度带来的影响,第八节 测量温度的电路,一、

13、测温电桥的工作原理,当被测温度为0，调整RP1使 UIN=0V 则，正常测温时 UIN= 40V/ T,当被测温度为0，调整RP1使UIN=0V 则，正常测温时 UIN= 40V/ T,调整RP2使UREF=4010-3V 则,即显示值就是温度值,桥接电阻,第八节 测量温度的电路,一、测温电桥的工作原理,该电路具有以下四个显著特点：,（1）利用硅管发射结导通压降的负温度系数，去补偿K型热电偶的正温度系数。（2）鉴于|TBE|TK，需借助分压器使|TBEK|TK，从而实现了温度自动全补偿。（3）插上热电偶仪表显示的是被测温度T；未插热电偶时，R8将桥路的输出端接通，仪表显示常温TA(即室温)，测

14、量室温的范围是040。热电偶测温范围则取决于其型号，例如选用TP03微型热电偶时为501300。（4）该数字温度表在40400时的准确度为0.75%，在4001000时的准确度为1.5%，分辨力是1。,第八节 测量温度的电路,二、设计要点,（1）温度测量中的“归一化”并非0.1mV/，而是1个字/。 RP1是校准0的电位器,消除0时所有电路的偏移量； RP2为校准100电位器，来调整UREF，使仪表不必关注UREF值。（2）热电势信号很弱，应选用电噪声很小的金属膜电阻作桥臂电阻。（3）调试方法,将测温头与仪表在相同温度(室温)下放置20分钟，测出该环境温度TA。再把测温头与标准水银温度计一同置

15、于冰水混合物中。调整电位器RP1，使被校表的显示值为（000001）。把探头热端插入100沸水中，调节电位器RP2改变基准电压值，使被校表显示99100。在海拔较高的地区，水的沸点会低于100，此时只要仪表显示值与标准水银温度计所指示的沸点温度相符（允许1），即认为合格。拔掉测温探头，仪表应显示所处环境温度TA值，允许有1的误差。将标准毫伏信号源的输出接被校表的热电偶插座中。依次输出12.207mV、29.128mV和41.269mV，分别校准300、700、和1000的显示值。若被校表出现偏差，则微调RP2，直至显示值符合要求。调试完毕，将RP1和RP2用胶或石蜡封固。,第九节 检测二极管和

16、晶体管的电路,一、测量二极管正向压降UF的电路,被测二极管VD,正向驱动电流,正向压降UF,可测电压,0.550.7V（硅管）或0.150.3V （锗管）,设计思路,分压器,A/D转换,测量结果,1mA,适合小功率二极管,10：1,100mV,VREF=100mV,修正小数点,第九节 检测二极管和晶体管的电路,一、测量二极管正向压降UF的电路,1、被测二极管正向接入： 2.8V基准电压源经R1、VD1、R2向被测二极管VD提供约1mA的工作电流。UV= UF(二极管正向压降为0.550.7V（硅管）或0.150.3V（锗管）)。,V,2、被测二极管反向向接入： 被测二极管截止。 UVEo(R3

17、+R4)/(R3+R4+R1+R2)2V,3、UV经R3、R4分压后 UIN=0.1 UV,结论：小数点在千位时N=1.000UV，即为UF值，被测二极管反向向接入时，UV2V,则超量程溢出。,第九节 检测二极管和晶体管的电路,一、测量二极管正向压降UF的电路,1、正半周时 VDl反向偏置而截止，R1电路不通。R3、R4电阻很大，不会损坏电路。,保护电路由VDl、VD2和R2构成。,假如不慎误用该电路去测220V交流电压,UIN,3、器件选择 A：负半周时回路电流I220V/R2220V/2k110mA（RMS）。限流电阻R2应选2W的电阻。 B：VDl和VD2反压可达220V，应采用耐压为4

18、00V的1N4004型硅整流管。 C：关键器件分压电阻R3与R4宜选误差为1%的金属膜电阻。,2、负半周时 电流通过COMVDlVD2R2形成回路，可保护仪表不受损坏。,第九节 检测二极管和晶体管的电路,二、测量晶体管hFE的电路,100mV,晶体管电流放大系数近似等于集电极电流IC与基极电流IB之比：,hFEIC/IB,设计思路,被测晶体管,给固定IB电流,放大后的IC,集电极串联取样电阻,IC转换成电压,A/D转换,测量结果,NPN 或PNP,10uA,一般放大IC10mA,10,VREF=100mV,第九节 检测二极管和晶体管的电路,二、测量晶体管hFE的电路,1、IB=UE0-UBE/

19、R1+RP10uA 调整RP使IB=10uA,2、ICIB 取样电阻R2 UIN= IC R2= IB R2,3、仍以100mV基准为例,结论：无小数点，显示值即为被测晶体管的hFE,PNP晶体管的hFE测量,第九节 检测二极管和晶体管的电路,二、测量晶体管hFE的电路,NPN晶体管的hFE测量,带hFE插口的测量电路,测量结果为IE，与IC多IB，所以测量值应-1，才是真正的hFE,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,作用：是当仪表停止使用一段时间（如15min）后，能自动切断电源，使仪表进入微功耗的备用模式，亦称休眠模式（Sleep Mode）。,工作过程分四个状态1、硬关机状

20、态2、开机过程3、定时过程4、自动关机,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,1、硬关机状态,S拨至“OFF” 位置：电池与系统断开，关机,定时电容充电 仪表内部的9V叠层电池E向C1充电，使UC1E。,无电状态,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,2、开机过程,V点接通电池，为分压器R2、R3及开关管供电。,定时电容接通C点，通过VD1为运放供电。,无电状态,V,C,TL061比较定时电容电压和Ub，此时电容电压Ub，运放输出高，VT1导通，推动VT2导通，电池通过VT2为运放及系统供电。 VD1截止，将定时电容与系统供电隔离。,1.5V,S由 “OFF”拨至“ON”

21、瞬间：,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,3、定时过程,定时电容接通R1放电。,定时电容不断放电； 只要Ua1.5V时比较器输出为电平，保持VT1和VT2导通，U得电，仪表正常工作。,V,C,1.5V,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,4、自动关机,定时电容放电到时； Ua1.5V时比较器翻转，输出为低电平，使VT1和VT2截止，U被切断，仪表停止工作。,V,C,1.5V,结论：改变C1的容量，即可设定t值。 例 当C147F时，t14min。,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,一、自动关机电路,如何再次开机,S由 “ON”拨至 “OFF： 给定时电容再次充电,V,C,

22、1.5V,由 “OFF”拨至“ON” 再次重复开机过程,第十节 自动关机及蜂鸣器电路,二、具有声、光指示的蜂鸣器电路,是配合数字多用表200电阻挡、专用于检测线路通断的。其优点是操作者不必观察显示值，凭声音及是否发光来判路的通断，不仅操作简便，而且能大大缩短检测时间。,电阻检测,指示电路,振荡蜂鸣电路,Rx小于某一阻值（例如30）时，U20V，U3U2，比较器输出高电平,作 业,P239 习题十一 3、4、5、6,实验三：31/2位DVM的电路设计 合班分组试验，各班班长共同联系 试验中心主任（睢炳东教授）安排相关事宜及具体时间。 电话：13831122231,网络教学平台学生网络课程测试纳入成绩考核，所有学生务必登陆答题。,课程设计 ：“LED智能显示系统” 一周合班分组设计，各班班长共同联系 试验中心主任（睢炳东教授）安排相关事宜及具体时间。,