第3章模擬系統設計模擬系統的基本結構及一般設計方法；常用基本單元電路；以電子系統的數控直流穩壓電源設計為例，講述低頻模擬系統設計；基于鎖相環系統的設計。1.概述

模擬電路是相對于數字電路而言。通常認為，模擬電路處理的是連續的量，數字電路處理的是分立的量。模擬電路有線性和非線性之分。在一定范圍內被認為沒產生新頻率成分的為線性電路，否則為非線性電路。一般無源元件的網絡，例如LC濾波器，變壓器，各種傳輸線，定向耦合器，天線等屬于線性模擬電路。有源器件一般是非線性的，僅僅在小信號下可以認為是線性的。非線性模擬的例子很多，例如整流器，檢波器，混頻器，功率放大器等。§3-1模擬系統設計方法當前的應用電子系統，一般都是由數字系統和模擬系統綜合而成，二者互為補充，充分發揮各自優勢。設計上有其共性，也有其個性。本章側重于以模擬技術為主，對模擬系統在設計中的特點作一描述。模擬技術的適用場合

應用電子系統對獲得的模擬信號不需要作復雜的處理，也不要作遠距離傳送，且最后的執行機構也是用模擬信號進行驅動的電子系統。比如：電源（包括開關電源和線性電源）、功放、收音機和電視機，除線性電路和非線性電路外，還包括頻率變換、調制解調等等模擬電子系統的設計特點與數字電子系統設計相比，模擬電子系統的設計有以下特點：1.工作于模擬領域中單元電路的類型較多，涉及面很寬，要求設計者具有寬廣的知識面;2.模擬單元電路一般要求工作于線性狀態;3.電子系統設計中的重點之一是系統的輸入單元與信號源之間的匹配和系統的輸出單元與負載（執行機構）之間匹配;4.測試工作的難度大;5.自動化設計進展比較緩慢，人工介入起著重要的作用。3.1.2模擬系統的設計方法與步驟

1.任務分析，方案比較，確定總體方案 舉例：高精度的信號源（采用鎖相環的方案CD4046，采用集成函數發生器方案ICL8038）說明模擬系統設計由于分立或集成器件種類繁多，技術方案多，要求設計人員深入分析任務，對功能、性能、體積、成本等多方面做權衡比較，并根據具體實際情況確定總體方案。3.1.2模擬系統的設計方法與步驟

2.劃分各個相對的獨立功能塊，得出總體的原理框圖

根據選定的系統方案及指標，按信號輸入到輸出的流向劃分各個獨立的功能框圖。舉例：數據采集系統前向通道（輸入放大器—濾波器—取樣/保持電路—多路模擬開關—A/D轉換器等）除了按功能劃分外，還要兼顧系統指標的分配、裝配連接的合理性等。如：采集系統誤差的合理分配。3.1.2模擬系統的設計方法與步驟

3.以集成塊為中心，完成各功能單元配置的外電路的設計

對輸入單元和輸出單元的集成塊的選擇應特別關注，要求輸入單元的輸入特性與信號源匹配（獲得盡可能大的信噪比），輸出單元的輸出特性與負載匹配（獲得盡可能大的輸出功率）。3.1.2模擬系統的設計方法與步驟

4.單元之間的耦合及整體的電路的配合——得到整體系統電原理圖（1）單元間耦合直接耦合的級間耦合，后級的輸入阻抗影響前級的性能指標。（2）系統整體的配合普遍采用負反饋技術來改善品質。5.根據第三、第四兩步得到的結果，重新核算系統的主要指標6.在設計過程中應充分利用EDA仿真軟件7.畫出系統元器件的布置圖和印刷電路板的布線圖，并考慮好測試方案，設置測試點§3-2低頻模擬系統主要單元電路及其應用知識單元電路是組成電子系統的“細胞”。單元電路有運放、AD/DA、傳感器、機電系統和執行機構。3.2.1集成運放應用設計基礎通用集成運放：常用的有：第二代集成運放F007（國外型號：μA741）、第三代集成運放4E325（AD508）及第四代集成運放5G7650（ICL7650）。專用集成運放：高速型集成運放、低漂移高精度集成運放、高輸入電阻型集成運放、高壓型、低功耗型、大功率型等。集成運算放大器ICOperationalAmplifier（簡稱運放），當運放的外圍電路接入不同形式的反饋網絡之后，便能實現多種基本電路功能：1)可用作放大器（如音頻、視頻放大、交流直流放大、微分放大和對數放大器等等）；2)可作模擬運算（如加法器、減法器、積分器、微分器、換碼器、系數均衡器等等）；3)可作有源濾波器（如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等等）；4)可作振蕩器（如正弦波振蕩器、非正弦波振蕩器、多諧振蕩器等等）；5)可作恒定電源（如穩壓源、恒流源等等）；6)可作轉換器（如電流／電壓轉換器、頻率／電壓轉換器、數／模轉換器、比較器、電壓跟隨器等等）；7)可構成各種非線性電路（如高效檢波器、限幅器、高頻檢波器、對數轉換器、乘法器等等）；理想中的運放主要指標1)增益為無窮大；2)通頻帶為無窮寬；3)同相與反相輸入端之間阻值無窮大，同相反相兩輸入端與公共地之間的阻抗無窮大；4)輸出電流容量為無窮大；5)輸出阻抗為零；6)輸入失調電壓為零；7)輸入電流為零；8)只放大差模信號，而完全抑制共模信號；9)以上各項指標不受任何溫度和濕度的影響。實際使用的運放特性指標1)電壓增益相當大；2)通頻帶相當寬；3)能作反相或同相的差分放大；4)輸入阻抗相當大；5)輸出阻抗很??；6)直流失調可設計到最小；7)可進行溫度補償；8)可加深度負反饋，以改善高頻特性；9)輸出級可輸出最大額定電流；10)在差分輸入狀態下，對共模信號的抑制能力好（即共模抑制比高）。集成運放的四個重要參數（1）增益帶寬乘積GBW

GBW=中頻開環差模增益×上限截止頻率根據運放的使用目的，在小信號狀

態下和在大信號狀態下，寬頻帶型

的定義是不同的。在小信號條件下使用的運放是用單

位增益帶寬（在開環狀態下使其增

益下降到直流增益的0dB時所對應

的輸入工作頻率，用fT或GB表示）

來定義的。在大信號條件下工作的運放是用最大輸出帶寬（不失真的最大輸出的頻率）、或增益帶寬積GBW（在開環增益下降至直流增益的－3dB時所對應的輸入信號頻率稱為增益帶寬，增益帶寬與增益的乘積就稱為增益帶寬積）。對于一個單極點放大器的頻率特性而言，其GBW是一個常數。（2）擺率（轉換速率）SR

擺率是表示運放所允許的輸出電壓Vo對時間變化率的最大值。轉換速率通常用單位V/μs來表示。通用型運放的轉換速率規定在5V/μs以下，而轉換速率在5V/μs以上者即為高性能運放。例有一個以F007接成的電壓跟隨器電路，已知集成運放F007的擺率SR＝0.5V/μs，請問當輸入一個頻率50kHz，幅度2V的正弦波，其輸出失真嗎？其不失真的最大輸出電壓多少？解：由擺率公式 正弦電壓 可以推出

所以電壓跟隨器電路不失真的最大輸出電壓

可見，當輸入一個頻率50kHz，幅度2V的正弦波，其輸出失真。（3）共模抑制比CMRR此指標的大小，表示了集成運放對共模信號（通常是一種干擾信號）的抑制能力。定義為開環差模增益Avd和開環共模增益Avc之比例某一放大器的差模輸入信號Vidm為10μV，而放大器的輸入端有10V的共模干擾信號。為使輸出信號中的有用信號明顯大于干擾信號，如何選擇運算放大器的共模抑制比？解：為使輸出信號中的有用信號明顯大于干擾信號，取有用信號為干擾信號的2倍 Voc=Avc·Vic=10Avc(V)

Vod=2Voc=20Avc(V) 而Vod=Avd·Vid=10Avd×10-6 =20Avc

所以CMRR≥Avd/Avc=2×106 即CMRR≥126dB（4）最大差模輸入電壓VidM和最大共模輸入電壓VicMVidM是運放兩輸入端間所能承受的最大差模電壓值。超過該值，輸入級某一側的晶體管將出現反向擊穿現象。VicM是兩輸入級能正常工作的情況下允許輸入的最大共模信號。當共模輸入電壓超過此值時，集成運放便不能對差模信號進行放大。2.運放的三種輸入方式3.2.2高性能放大電路介紹1.數據放大器數據放大器又稱儀表放大器，它是在多路數據采集系統中常用的具有全面高指標的放大器。要求：高增益、高共模抑制比、高精度（失調、漂移等很小）、高速（頻帶寬、擺率大）。適用于大的共模電壓背景下對緩變微弱的差值信號進行放大，常用于熱電偶、應變電橋、生物信號等的放大。

數據放大器可以應用三運放組成，也可以應用單片集成測量放大器。如通用型（如INA110、INA114/115、INA131）；

高精度型（如AD522、AD524、AD624）；

低噪聲低功耗型（如INA102、INA103等）；

可編程型（如AD526、PcA102等）2.可編程數據放大器簡稱程控放大器，用一組數碼來控制放大器的放大倍數，根據輸入信號的大小來實現放大倍數的自動調節。放大器的放大倍數是以2的冪次分檔。例如BB3606放大倍數的變化范圍從20~210分10檔。

3.跨導型放大器（電壓/電流轉換器）用于信號的遠距離傳送，為了消除導線電阻的影響和外界干擾造成的誤差，將信號電壓放大，并將其轉換為與其成正比的橫流源。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++

–

4.隔離放大器隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號，在工業控制、信號測量和醫療器械,信號放大等各個方面獲得廣泛應用。隔離放大器作用是對模擬信號進行隔離,并按照一定的比例放大。在這個隔離、放大的過程中要保證輸出的信號失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數都要達到使用要求。對被測對象和數據采集系統予以隔離,從而提高共模抑制比,同時保護電子儀器設備和人身安全。3、選用運放的注意事項（1）若無特殊要求，應盡量選用通用型運放。當一系統中有多個運放時，建議選用雙運放（如CF358）或四運放（如CF324等）。如系統要求精密，溫漂小，噪聲干擾低，則應選擇高精度、低漂移、低噪聲的集成運放。如系統要求運放輸入阻抗高，輸入偏流小，則選擇高輸入阻抗運放。若系統對功耗有嚴格要求，選低功耗運放。若系統工作頻率高，則選擇寬帶、高速集成運放。

（2）對于手冊中給出的運放性能指標應有全面的認識。

首先，不要盲目片面追求指標的先進，例如場效應管輸入級的運放，其輸入阻抗雖高，但失調電壓也較大，低功耗運放的轉換速率必然也較低。其次，手冊中給出的指標是在一定的測試條件下測出的，如果使用條件和測試條件不一致，則指標的數值也將會有差異。（3）當用運放作弱信號放大時，應特別注意選用失調以及噪聲系數均很小的運放，如ICL7650。同時應保持運放同相端與反相端對地的等效直流電阻相等。此外，在高輸入阻抗及低失調、低漂移的高精度運放的印刷底板布線方案中，其輸入端應加保護環。（4）當運放用于直流放大時，必須妥善進行調零。有調零端的運放應按推薦的調零電路進行調零；若沒有調零端的運放，則可參考圖3.6進行調零。（5）為了消除運放的高頻自激，應參照推薦參數在規定的消振引腳之間接入適當電容消振。同時應盡量避免兩級以上放大級級連，以減小消振困難。為消除電源內阻引起的寄生振蕩，可在運放電源端對地就近接去耦電容，考慮到去耦電解電容的電感效應，常常在其兩端再并聯一個容量為（0.01～0.1）pF的瓷片電容。（6）集成運放的電源供給方式集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。

對稱雙電源供電方式運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。單電源供電方式單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內部單元電路具有合適的靜態工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位，運放的輸出是在某一直流電位基礎上隨輸入信號變化。3.2.3A/D轉換器、D/A轉換器和取樣/保持（S/H）電路（1）A/D、D/A轉換器的主要技術指標 ①分辨率：ADC的輸出數碼變化一個LSB（LeastSignificantBit最小有效位）時，輸入模擬量的“最小變化量”； ②精度指標：量化誤差（舍入誤差±1/2LSB），零誤差（偏移誤差），滿量程誤差（增益誤差），線性誤差（線性度），滯后誤差； ③轉換時間：A/D轉換器完成一次轉換所需要的時間。采樣保持器 一般A／D變換過程包括采樣、保持、量化和編碼4個步驟。采樣是將輸入模擬量變為時間上離散、幅值上連續的采樣信號（又稱為離散模擬信號），而幅值變為數字量即為量化、編碼的過程。保持：由于模擬量隨時間連續變化，而完成A／D變換需要一定時間Δt，為使A／D變換結束時的值能代表采樣時刻的模擬量值，應該在Δt內保持送到A／D變換的模擬量值不變。2.工作原理1.采樣保持電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應管導通)，

ui對存儲電容C充電，

uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。

SuC+–ui+–uo+–++

–

采樣芯片和組件分類（1）通用芯片：AD282K、AD583K、LF198／298／398，組件式SHA1134、SHA-5。（2）高速芯片：如HTS－0025、HTS-0060、HTC-0300、THC-1500，組件式有SHA－2A等。（3）高分辨率芯片：如SHA1144，組件式有SHA－6等。（4）低下降率組件：如SHA－3、SHA－4等。采樣保持器主要有以下兩個參數：（1）采集（捕捉）時間tAC

指電路收到“采樣”控制信號后，至模擬輸出電壓達到指定的誤差范圍如0.1％或0.01％之內所需時間。它與輸入級的工作速度、保持電容的大小及輸入電壓的最大變化率有關。（2）保持電壓變化速率dVO／dt

在保持階段輸出電壓下降（或上升）的快慢，這是由電容的放電（或充電）所造成的。dVO／dt的大小與運放A2輸入偏置電流、電子開關K的漏電流及保持電容CH的大小及漏電等有關在實際應用中總希望采樣要快（即CH宜取?。?，保持下降要慢（即CH宜取大），顯然這是一個矛盾。最終CH的取值應考慮所用的A／D變換器的速度和所要求的系統精度而定。注意：采樣保持器的供電電源必須進行穩壓和濾波。取樣/保持電路是數據采集系統中常用的一個部件，常用于逐次逼近型A/D轉換器的前端，以提高輸入到A/D轉換器模擬信號的頻率。也可用來除去D/A轉換器輸出中的虛假信號等。采樣保持電路LF198的電路結構圖例某10位A/D轉換器的轉換時間為10μs，用它采集50Hz的正弦信號是否需要接取樣/保持電路？計算所能采集的最大輸入信號頻率為多大？分析： 根據轉換時間 可算出取樣最大頻率為100kHz

根據取樣定理（每一通道的取樣頻率必須大于通道的模擬信號頻譜中最高頻率成分的兩倍以上），輸入模擬信號的最高頻率只要小于50kHz即可。思考：能采集這么高頻率的信號嗎?從精度考慮，為了使獲得的數字值能精確表示A/D轉換器開始轉換瞬間的模擬信號值，則要求在轉換時間內，模擬信號值的任何變化不能大于轉換器的一個LSB。有：VFS為A/D轉換器的滿量程值，N為A/D轉換器的位數解：取幅值最大的正弦信號（幅值達到A/D轉換器的滿量程）： 其變化速率最大值：為保證A/D轉換器的精度不致因變換速率限制而下降，則輸入正弦信號的最高頻率fmax應滿足： 即 故，需要加采樣保持電路。加采樣保持電路后，最大允許頻率為：TAP為采樣保持電路的孔徑時間——從發出保持命令到開關真正斷開這一小段延遲時間，其值遠小于A/D轉換器轉換時間。3.2.4傳感器傳感器一般是指能將各種非電量按一定規律轉換成便于處理和傳輸的電量的裝置。一般情況下傳感器產生的電壓（流）等電學物理量的信號值都相當微弱的，難以帶動執行機構去實現控制動作，所以一般都是將傳感器和各種門電路、放大電路等結合在一起使用的。傳感器應用的一般模式一、力傳感器的應用——1電子秤應變片能夠把物體形變這個力學量轉化為電壓這個電學量（輸出應變片上下表面的電壓差值）形變（力學量）電壓（電學量）轉換金屬梁壓阻式壓力傳感器利用壓阻效應將壓力信號變換為電阻變化信號的傳感器。利用檢測電路把壓阻式壓力傳感器的電阻變化轉變為電壓輸出，即可被電子系統處理。檢測電路通常是采用惠斯通電橋構成的。壓力傳感器在低成本電子秤中的應用電子秤基本結構電子秤樣機電路A：電阻應變式稱重傳感器B：RC濾波網絡輸入模擬信號范圍為（-AVDD/2，AVDD/2）

SDI提供SPI（串行外設接口）與MCU通信1、動圈式話筒：膜片在聲波下振動，使得與膜片相連的線圈中產生周期性變化的感應電流。二、聲傳感器的應用——話筒2、電容式話筒：金屬膜片M

和固定電極

N

形成一個電容器,M

在聲波作用下振動,電容器的電容作周期性變化，電阻R

兩端的電壓也做相應的周期性變化。絕緣支架3、駐極體話筒：它由內部的駐極體塑料膜感受聲波，其工作原理與電容式話筒類似，但是工作的電壓只須3～6V，＋＋＋－－－特點：體積小，重量輕，價格便宜，靈敏度高，常用在盒式錄音機、聲控玩具等便宜的家電上常溫下兩觸點分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發生變化，使觸點接觸。三、溫度傳感器的應用——1.電熨斗雙金屬片溫度傳感器：電燙斗的構造思考與討論：●常溫下兩觸點是接觸還是分離？●如何用調溫旋鈕來升高或降低電燙斗的工作溫度？M2.冰箱溫度控制器(問題與練習1)4、彈簧片1、測溫泡2、細管3、彈性金屬盒5、動觸點6、靜觸點7、拉桿8、凸輪9、連桿思考與討論：1、為什么溫度較高時壓縮機自動工作，達到設定低溫后就自動停止工作？2、凸輪為什么可以改變設定的溫度？氯甲烷及它的蒸氣感溫鐵氧體的“居里點”：感溫鐵氧體在常溫下具有鐵磁性，但溫度升高到103℃時便失去了鐵磁性，這個溫度稱為這種材料的“居里溫度”或“居里點”。3.電飯鍋電飯鍋的構造思考與討論：●開始做飯時為什么要壓下開關按鈕？●若用電飯鍋燒水，水在沸騰以后是否會自動斷電？四、光傳感器的應用——1.鼠標器鼠標中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標移動時，滾球帶動x、y

方向兩個碼盤轉動，紅外管接收到一個個紅外線脈沖。計算機分別統計

x、y兩個方向上的脈沖信號，就能確定鼠標的位置。2.火災報警器光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發光二極管發出的光被不透明擋板擋住。當有煙霧時，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報警電路工作。此電路在實際應用中還需改進，如樓道照明增加聲控開關、路燈控制增加抗干擾附加電路。光敏電阻的應用電路——照明燈自動控制電路根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃喝绻淹ㄓ须娏鞯膶w放在垂直于它的磁場中，則在導體的兩側會產生一電勢差，它與電流及磁感應強度成正比，與導體厚度成反比。五、霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的基本應用電路控制電流（激勵電流）由電源E供給，其大小可由調節電阻RP來實現，霍爾片輸出端接負載Rj，Rj可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內阻。在磁場和控制電流的作用下，負載上就有輸出電壓。在實際使用中，輸入信號可為電流I或磁感應強度B，或者兩者同時作為輸入，則輸出信號可正比于I或B，或兩者之積?；魻杺鞲衅鞯牡湫蛻谩獪y量轉速在非磁材料的圓盤邊緣上粘貼一塊磁鋼，將圓盤固定在被測轉軸上，開關型霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，圓盤每旋轉一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，用頻率計測量這些脈沖，便可知道轉速。設頻率計的頻率為f，粘貼的磁鋼數為Z，則轉軸轉速為n=60f/Z（r/min），若Z=60，則n=f，即轉速為頻率計的示值。若粘貼6塊磁鋼，則轉速為n=10f，這樣讀數與計算都比較方便。

（1）轉速測量原理霍爾傳感器的典型應用——測量轉速（2）測量轉速電路測量轉速的裝置UGN3040是集電極開路元件，外接上拉電阻。當磁性轉子轉動時，霍爾IC的輸出也隨之變化，B點是經過三極管反相后的輸出。后續電路可用計數器記錄轉速。

3.2.5執行機構

所謂執行機構是指把動力源獲得的能量變換成機械能，是機械工作的一種裝置，是系統控制的受控對象，具體實現系統指令所要求的動作和功能。電氣執行元件機械執行裝置3.2.5.1電氣執行元件

電氣執行元件不需任何流體作為工作介質，免除了介質的可壓縮和泄漏等弊端。由于這些原因，電氣執行元件是用途最廣泛的一類執行元件，特別是各種執行電動機。電動機按照電源形式分類：直流電動機交流電動機按照用途分類：驅動用電動機（進行能量轉換）控制用電動機（進行控制信號轉換和傳送）步進電動機伺服電動機1.直流電動機優點：調速范圍寬廣，調速特性平滑過載能力較強，起動和制動轉矩較大控制方法簡單，動態響應快缺點：存在換向器，有磨損、電火花問題，不適用于高速運轉和易燃場合制造復雜，大容量直流電動機成本較高直流電動機穩態特性1機械特性：是一定控制電壓下轉矩與轉速之間的關系。對于并勵或者永磁直流電動機當控制電壓一定，轉速

和轉矩成負線性關系，

此系數絕對值越小，則

稱機械特性越硬。ωTUa增大直流電動機穩態特性2調節特性：指一定負載轉矩下穩態轉速隨控制電壓變化的關系直流電動機具有優良的調速特性,調速平滑、方便,調速范圍廣，適用于軋鋼機、造紙機等高精度調速場合。UaωT增大直流斬波器的基本結構與工作原理1.直流斬波器的基本結構

直流斬波器－－電動機系統原理圖和電壓波形2.輸出電壓計算電動機得到的平均電壓為：Ouωt>SPWM波PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>可逆PWM變換器集成驅動電路由IR2103構成的半橋驅動器2交流異步電動機交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、成本較低、堅固耐用的優點，是應用最為廣泛的電動機。缺點是不能經濟地在較為廣泛的范圍內平滑調速(因變頻器價格較高)。以往在要求調速范圍較寬的設備中，多采用直流電動機。同步與異步：轉速是否與所接交流電源頻率具有嚴格不變的關系(與磁場同步/異步)。交流異步電動機調速方法1.改變轉差率s，可在轉子繞組中串接電阻來改變轉差率s。

這種方法成本低，易實現，但調速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。改變定子電壓U也可改變轉差率s，這種方法損耗也很大。損耗使電動機的效率降低，特性變差。2.改變極對數p，這種方法調速是有級的，而且調速范圍窄。電動機設計制造時就已決定了p的可取值，往往是2或3。3.改變定子供電頻率f，可以無級地改變電動機的同步轉速n0，這種方法稱為變頻調速，如果定子電壓與定子供電頻率f協調，性能會更好。隨著電力電子技術的發展，變頻調速應用日益廣泛。變頻調速變頻技術是先從電網輸入50Hz的交流電源，經可控或不可控的整流器變成直流電壓，再由逆變器在控制下變換成所需的電壓和頻率，驅動交流異步電動機。異步電動機的

變頻調速對機

械特性的影響：變頻調速技術可控整流調壓-逆變調頻調速優點是控制方法方便，調節性能比較好，缺點是可控整流器的功率因數低，而且產生的高次諧波成分多，對電網造成諧波污染。不可控整流—斬波調壓—逆變調頻調速設備的功率因數高，調速范圍寬，但輸入電流中的高次諧波成分仍很多。交流—交流直接變頻調速脈寬調制變頻調速能同時完成調壓和調頻，電網功率因數高，調速范圍寬，從電網輸入的工作電流中的高次諧波成分少。3.步進電動機步進電動機是一種無刷的同步直流電機，也是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的電磁機械裝置。步進電動機具有以下特點：1．運行轉速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴格的對應關系，且在負載能力范圍內不受電壓波動、電流波形及環境溫度變化的影響。2．位移量取決于輸入脈沖數，步距誤差不會長期積累。在不失步的情況下，每轉一周積累誤差等于零。3．在脈沖數字信號控制下，具有靈活的控制性能，能方便地實現起動、加速、減速、停止、反轉、定位等運行方式。

步進電動機及其工作原理步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉動一個角度(步距角)，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，改變方向。步進電動機及其工作原理反應式步進電機工作原理：定子轉子定子繞組

步進機主要由兩部分構成：定子和轉子。它們均由磁性材料構成，其上分別有六個磁極，六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。工作方式可分為：三相單三拍、 三相單雙六拍、三相雙三拍等。一、三相單三拍通電順序為：A相

B相

C相

A相

A相

C相

B相

A相步進電動機及其工作原理這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉子轉過30

。此角稱為步距角，用

表示。（2）轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉向。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34121C'342CA'BB'A三相單三拍A相

B相

C相二、三相單雙六拍通電順序為：A

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。CA'BB'C'A3412工作過程：A相通電，轉子1、3齒和A相對齊。步進電動機及其工作原理二、三相單雙六拍A、B相同時通電，BB'磁場對2、4齒有磁拉力，該拉力使轉子順時針方向轉動。AA'磁場繼續對1、3齒有拉力。轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA'通電，轉子轉了15°。CA'BB'C'A3412A

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。步進電動機及其工作原理二、三相單雙六拍

B相通電，轉子2、4齒和B相對齊，又轉了15

。A

AB

B

BC

C

CA

A共六拍。CA'BB'C'A3412總之，每個循環周期，有六種通電狀態，所以稱為三相六拍，步距角為15

。步進電動機及其工作原理三、三相雙三拍通電順序為：AB

BC

CA

AB共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電CA通電CA'BB'C'A3412步進電動機及其工作原理三、三相雙三拍工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉子也是轉30

。以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩定，因此較常采用。步進電動機及其工作原理步進電動機的驅動根據步進電機的工作原理，我們知道步進電機的角位移量與指令脈沖的個數成正比，旋轉方向與通電方向有關。因此步進電機的驅動電路，必須能控制步進電機各相勵磁繞組電信號的通電斷電變化頻率、次數和通電順序。這個工作由脈沖分配器和功率放大器來完成。

步進電機驅動電源通常由環形分配器和功率放大器組成。

環形分配器主要功能是將插補脈沖，按步進電動機所要求的規律分配給步進電動機驅動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的導通或關斷。同時由于電動機有正反轉要求，所以環形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。

環形分配器的功能可由硬件或軟件來實現。步進電動機的驅動硬件環形分配器

根據步進電機的相數和控制方式設計的。真值表或邏輯關系式，采用邏輯門電路和觸發器來實現。一般由與非門和J－K觸發器組成。常用的是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環形分配器。

軟件環形分配器

按步進電動機的要求編制不同的軟環分程序，存入EPROM中。常用的是查表法步進電動機的驅動電源環形分配器A相驅動B相驅動C相驅動FULL/HALFDIRCLKM三相硬件環形分配器的驅動控制步進電動機的驅動三相六拍環形分配器專用集成芯片CH250軟件環形分配

對于三相六拍環形分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環形分配器軟件根據下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個進給脈沖到來時，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是100，則對于下一個正向進給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進給脈沖，應是010，而使步進電機正向地旋轉起來。

步進電動機的驅動作業設計一個帶能自啟動的、具有正反轉功能的三相六拍步進脈沖分配電路。使用jk觸發器以硬件電路實現，寫出設計過程，畫出電路圖。采用微程序法用直接尋址法進行設計，畫出MDS圖，列出微指令表并畫出對應的電路圖。采用微程序法用單測試雙地址法進行設計，寫出RTL算法，列出微指令表并畫出對應的電路圖。正轉111→000→110→010→011→001→101→100→110反轉111→000→110→100→101→001→011→010→110功率放大器

作用：將環形分配器發出的TTL電平信號放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進電動機的各繞組。

控制電路：最早的功率驅動器采用單電壓驅動，后來出現了高低壓驅動、恒流斬波、細分驅動等。步進電動機的驅動單電壓驅動電路原理單電壓驅動是應用最早的一種電路形式,它的電路原理如右圖所示。它的突出特點是線路簡單,成本低,在繞組回路中串接電阻,用以改善電路的時間常數以提高電機的高頻特性。缺點是:串接電阻的做法將產生大量的熱,功耗較大,對驅動電源的正常工作極其不利,電流上升不夠快，尤其在高頻工作時更加嚴重。因而它一般用于小功率或起動、運行頻率要求不高的場合。步進電動機的驅動高低電壓驅動電路原理高低壓驅動方式是在單電壓供電的基礎上,為了解決單電壓驅動的快速性能不好而發展起來的一種供電技術。其基本思路是,在脈沖到來時,在電機繞組的兩端先施加一較高電壓,從而使繞組的電流迅速建立,使電流建立時間大為縮短,在相電流建立起來之后,改用低電壓,以維持相電流的大小,這樣做可以減小限流電阻的阻值甚至去掉限流電阻,使電源的驅動效率大為提高。步進電動機的驅動斬波驅動電路為了彌補高低壓驅動電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷,發展了恒流驅動技術,使步進電機電流在額定值附近保持恒定。它充分利用了現有的電源電壓,能夠在較寬的頻率范圍內工作,極大改善了電流波形、矩頻特性,形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。由于不需外接限流電阻,故使能耗大為降低,提高了電源效率。步進電動機的驅動斬波驅動一、斬波恒流驅動（利用斬波的方法使電流恒定在額定值范圍）三種驅動電路的電流波形比較細分驅動電路（微步距

）是將一個步距角細分成若干點步的驅動方式,在不改動電動機結構參數的情況下，使步距角減小。用電的方法來進行細分，使繞組電流由矩形波供電改為梯形波供電，電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的個數轉一個步距角。細分驅動的優點是使步距角減小，運行平穩，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。步進電動機的驅動3.3低頻模擬系統設計舉例3.3.1電子系統的數控直流穩壓電源設計直流穩壓電源分為：線性型和開關型

①線性型穩壓電源是一個線性反饋系統，其調整管、誤差放大器都工作在線性放大狀態。 其特點：性能優良，設計制作較簡單，必須使用工頻變壓器，增加了體積、重量、損耗、降低效率，同時調整管的管耗也比較大。②開關型穩壓電源 其特點：調整管工作在開關狀態，工作頻率較高（20kHz以上），調整管管耗很小，效率高。開關電源的工作原理1.交流電源輸入經整流濾波成直流;2.通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上;3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經整流濾波供給負載;4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩定輸出的目的.開關型穩壓電源開關電源的結構中由于中間沒有變壓器和散熱片，因而體積非常小。同時，開關電源內部都是電子元件，效率高、發熱小。雖然，具有電磁干擾等缺點，但現在的屏蔽技術已經非常到位。其實現在已經有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調試。開關電源與線性電源的比較：

線性電源功率器件工作在線性狀態，也就是說他一用起來功率器件就是一直在工作，所以也就導致他的工作效率低，一般在50%~60%，還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有降壓裝置，一般的都是變壓器。這樣一來他的體積也就很大，笨重，效率低、發

熱量也大。他也有他的

優點：紋波小，調整率

好，對外干擾小。適合

用與模擬電路，各類放

大器等。

開關電源與線性電源的比較：開關電源，他的功率器件工作在開關狀態，（一開一關，一開一關，頻率非?？?，一般的平板開關電源頻率在100~200KHz，模塊電源在３００～５００ＫＨＺ）．這樣他的損耗就小，效率也就高，對變壓器也有了要求，要用高磁導率的材料來做．他的變壓器就是一個字?。?/p>

效率８０％～９０％吧．

據說美國最好的VICOR

模塊高達９９％．開關電

源的效率高體積小，但是

和線性電源比他的紋波，

電壓電流調整率就有折扣

了。

總結：①開關電源的體積和重量明顯小于同功率的線性電源。②開關電源的效率高于線性電源。③開關電源的適應性強。④開關電源的輸出端不易出現過壓故障。⑤開關電源適宜于低電壓、大電流的輸出。⑥輸出端大的紋波電壓和產生的脈沖干擾是開關電源的主要缺點。⑦開關電源的瞬態響應比線性電源的瞬態響應要差。4.3.1.2設計任務設計一個輸出電壓可調的數控電壓源：①輸出電壓：2～20V，調節單位0.1V②電壓穩定度：（△Vo/Vo）小于0.2％，紋波電壓小于10mV（所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經過穩壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數反比于穩壓系數S。）③輸出電流：1A④輸出電壓值由數碼管顯示，并由“＋”、“－”兩鍵控制輸出電壓步進增減⑤電源具有輸出短路保護和功率器件的過熱保護功能分析由于本任務要求的輸出功率小，應首先采用線性穩壓源。如果改用開關電源的程式，由于控制電路（振蕩器、脈寬調制器、驅動器、比較放大、基準電源等）已集成在一個芯片（如：MC3420），目前設計工作并不復雜。所以，采用線性電源設計方案。4.3.1.3方案論證與框圖方案一：方案二：4.3.1.3方案論證與框圖方案三：4.3.1.3方案論證與框圖4.3.1.4主要單元電路參數的選定和方案的實現圖中有極性電容C1、C3參數的選定：根據電容的放電時間常數大于其充電周期的（3~5倍）工頻頻率50Hz，充電周期10msC1=0.05s/25Ω=2000μFV=1.4×25=35VC2=0.05s/9Ω=5500μFV=1.4×9=12.6V調壓電路穩壓器和電阻網絡電阻參數的選定：由于Iq>5mA，故：R1=1.25V/5mA=250ΩR=0.1V/5mA=20Ω接口和驅動電路：J為繼電器§3-4鎖相環系統環路基礎理論知識

鎖相環路是一種反饋電路，鎖相環的英文全稱是Phase-LockedLoop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。

鎖相環在數據采集系統中，鎖相環是一種非常有用的同步技術，因為通過鎖相環，可以使得不同的數據采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數據采集。鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統。1.鎖相環的基本組成鎖相環的基本組成：由鑒相器PD、環路濾波器LF、壓控振蕩器VCO組成。鎖相環的工作原理（1）壓控振蕩器的輸出經過采集并分頻；（2）和基準信號同時輸入鑒相器；（3）鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓；（4）控制VCO，使它的頻率改變；（5）這樣經過一個很短的時間，VCO的輸出就會穩定于某一期望值。鎖相環跟蹤特性環路的鎖定狀態是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環路所處的狀態稱為跟蹤狀態。同步帶△ωH、捕捉帶△ωP用雙蹤示波器同時觀察Vi和Vv的波形，

并用頻率計測量Vv的頻率fv。先調節信

號源頻率fi<fv，使環路失鎖。然后，

緩慢地調節信號源頻率使fi逐步升高，

注意觀察Vi和Vv的波形，用頻率計測出

Vi和Vv剛剛進入同步狀態（Vi和Vv同為

穩定的，形狀清晰的波形）時所對應的

頻率fi（與fv相等），記為f1，繼續升高

fi，直至Vi和Vv剛剛脫離同步狀態（Vi為不穩定的、模糊不清的波形）時所對應的fi，記為f2’。再反方向調節fi，使之逐步降低，直至Vi和Vv又重新剛剛進入同步狀態，測出此時的fi，記為f2，接著繼續降低fi，直至Vi和Vv又重新脫離同步狀態，測出此時的fi，記為f1’。

所謂同步帶是指環路原先是鎖定，能維持鎖定狀態的最