电工量计第六章检测电路.ppt

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1、第六章 检测电路,1.常用元器件基础,1.1 电阻、电容、电感及其应用,1.1.1 电 阻,（1）类 型,按阻值 固定电阻、可变电阻,按材料,按用途 高压电阻、无感电阻、功率电阻、光敏电阻,碳膜电阻:价格便宜,精度低（5%20%）,适用温度低（40）,金属膜电阻:价格适中,精度一般（5%10%）适用温度较高（70）,金属氧化膜电阻:价格适中,精度一般（5%10%）适用温度高(200),线绕电阻:价格较高，精度高(0.005%),温度特性好。但频率特性差.,按安装 贴片电阻,1.常用元器件基础,1.1.1 电 阻,（1）类 型,1.常用元器件基础,（2）主要参数,标称阻值，额定功率，分布参数，精

2、度，温度系数等.,（3）等效电路,Z=（R0+ZL）/ZC ZL=jL，ZC=1/jC,1.常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项,分压、取样；限流；均压、均流；泄放、吸收.,应根据具体应用场合，选择合适的电阻，注意分布参数的影响.“热噪声”对微弱信号检测的影响.电阻上实际消耗的平均功率，应小于其额定功率的确1/2.,1.常用元器件基础,1.1.2 电 容,按用途,高压电容、脉冲电容、储能电容,按结构,电解电容、非电解电容可变电容,按安装,按使用材料,瓷片、云母、聚四氟乙烯、涤纶、聚碳酸脂、纸介、钽、钛,（1）类 型,1.常用元器件基础,（2）主要参数,电容量，额定电压，工作温度，分布参

3、数（等效串联电阻ESR、等效电感），品质因素Q、精度,（3）等效电路,ESR极板、引线及它们之间的接触电阻,1.常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项,储能；滤波；隔直；耦合；吸收；定时.,连接时注意极性；使用时不能超过额定电压；电解电容一般不能用于快充快放，只能在额定纹波下使用；温度、频率对电容特性的影响.,1.常用元器件基础,555定时器,充电时间：T1=0.693(R2+R3)C1放电时间:T2=0.693R3C1定时周期:T=T1+T2=0.693(R2+2R3)C1,1.常用元器件基础,CD4060（14位二进制串行计数/分频器和振荡器）,14级分频器,RS,RT,CT,9,1

4、0,11,1.常用元器件基础,1.1.3 电 感,（1）类 型,空芯电感、铁芯电感、可调电感、固定电感、滤波电感、调谐电感.,1.常用元器件基础,（2）主要参数,电感量，直流电阻，额定电流，分布参数，品质因素Q等.,（3）等效电路,电感的等效电路,RT-磁芯损耗引起的等效并联电阻,CP-绕组的分布电容,RW-由于绕线和端子引起的串联电阻,L-器件的理想电感,固有谐振频率,1.常用元器件基础,（4）应 用,（5）注意事项,滤波；限流；储能；调谐.,防止饱和.L与C往往共同存在，易在电路中形成振荡.注意电感瞬变的危险.,1.常用元器件基础,振荡,过冲,电阻分布参数的影响,1.常用元器件基础,1.2

5、 二极管、三极管及其应用,1.2.1 二极管,（1）类型,功率二极管、检波二极管、整流二极管、稳压二极管开关二极管、阻尼二极管、发光二极管、光电二极管恒流二极管、热敏二极管、光敏二极管、磁敏二极管,1.常用元器件基础,（2）主要参数,C bPN结的结电容,额定电压、额定电流,截止频率,RSPN结的体电阻,结压降,正向直流电阻 RD,反向击穿电压 VBR,最高反向工作电压 VRM,最大反向电流 IBR,最大整流电流 IM,（3）应 用,（4）注意事项,整流；隔离；箝位、限幅；逻辑电路；LED使用.,额定参数;频率特性.,1.常用元器件基础,1.2.2 三极管,（1）类型,普通三极管、大功率三极管

6、GTR、场效应管FET、绝缘栅双极晶体管IGBT,1.常用元器件基础,1.2.2 三极管,（2）主要参数,（3）应 用,（4）注意事项,驱动条件；,额定电压、额定电流；,允许功耗、工作温度；,放大倍数；,饱和管压降.,电流放大（功率放大）;各种开关,选择参数必须留有一定的余量 驱动条件 散热和保护,1.常用元器件基础,1.3 运算放大器及其应用,（1）主要参数,电源指标（单、双，范围，静态功耗）,转换速率（V/s）、频带宽度,电压增益,工作环境,输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压,CMRR,功耗（静态和动态）.,1.常用元器件基础,（2）类型,通用型:LM741、LM358 高精度型：7

7、25、TLE2141,高速型：TL082 低功耗型：TLC2252、TLV2211,单电源型：LM358 双电源型：LM741、OP07,根据运放结构和功能（用途）差动电压放大器、功率放大器、仪表放大器、对数放大器、隔离放大器、高压放大器,1.常用元器件基础,（3）理想运算放大器基本特性,开环电压增益Ad无穷大“虚短”,输入阻抗无穷大“虚断”,输出阻抗为零 输出电压与输出端连接的电阻阻值大小无关,（4）基本概念,电压增益,“开环电压增益 Ad”（差模开环电压增益）和“共模电压增益 AC”,差模输入电压,共模输入电压,运放输出电压,带宽 fWB=,1.常用元器件基础,（4）基本概念,共模抑制比,

8、输入失调电压,输入失调电流、输入偏置电流、输入失调电压,输入失调电流,输入偏置电流,IOS=IB1-IB2（Uin=0）,IOS=(IB1+IB2)/2（Uin=0）,Uin（Uo=0）,1.常用元器件基础,（5）应用,信号放大,各种运算（加法器、减法器、乘法器、除法器),微分电路、积分电路,各种信号变换电路、检测电路,波形（信号）发生器,稳压源、稳流源,信号比较,有源滤波器,1.常用元器件基础,（6）注意事项,输入信号范围不应超出电源电压,采取适当的保护措施,根据不同应用场合，选择合适的运放,通常只能作为信号放大或变换，不能用于功率驱动,要求对信号放大倍数较大时，通常采用多级放大的方案,清楚

9、理想运算放大器与实际运算放大器特性的区别,1.常用元器件基础,1.4 光电器件及其应用,光电耦合器,光电耦合器 是发光器件和光敏器件的结合体.,（1）结 构,1.常用元器件基础,（2）类 型,光敏二极管型 光敏三极管型 光敏达林顿型 光敏可控硅型,1.常用元器件基础,（3）特 点,输出与输入之间电绝缘,体积小、寿命长，无触点、耐冲击,容易与逻辑电路连接,响应速度快,单向信号传输，抗干扰能力强,（4）主要参数,工作速度（bit/s）,隔离电压,电流传输比 CTR=Ic/IF100%，10%1000%,1.常用元器件基础,（5）应 用,利用其通断特性和可控阻抗变换特性,a.开关电路b.逻辑电路c.

10、采样电路d.自动控制e.电源,4N25,P521,1.常用元器件基础,（6）注意事项,隔离电压,工作速度,使用方法和参数选取,光耦的“线性”与“非线性”,1.常用元器件基础,1.4.2 光电二极管和光电三极管,Ee(lx),1.常用元器件基础,1.5 基准源器件及其应用,固定式 LM336-2.5,LM336-5.0,可调式 TL431,1.常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,（1）类型,LED数码管、荧光数码管、液晶数码管.,1.常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,a,b,c,d,e,f,g,DP,COM共阳极,1.常用元器件基础,1.6 数字显示器件及其应用,（2）驱动

11、方式,静态驱动和动态驱动,分立元件驱动和专用IC驱动,1.常用元器件基础,（3）应用,1.常用元器件基础,（3）应用,1.常用元器件基础,1.7 元器件的选用原则,降额使用元器件；,满足性能要求；,满足可靠性要求；,选用经实践检验证明性能优良的定型元件；,在满足性能要求的前提下，尽量减少元件品种、型号；,尽量选用符合国家标准或部颁标准的器件；,在满足性能和可靠性要求的条件下，尽量选用廉价的元器件。,常用元器件的降额系数,2.典型电路及实例分析,2.5 差动电压放大器,2.4 比较器,2.2 匹配网络（电路端子）,2.3 测量电桥,2.1 传感器的“前置放大器”,2.7 信号变换电路,2.6 精

12、密整流电路,2.8 实例分析,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电压输入型传感器的“前置放大器”,为了提高传感器输入到前置放大器的效率，必须使ZIN比ZS大很多.,VS=VSZIN/(ZS+ZIN)ZSZIN时，VSVS,（1）传感器与输入前置放大器连接时的等效电路,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,前置放大器的内部噪声小，也不受外部噪声的影响；前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多；前置放大器的增益频率特性能够覆盖必要的频带；具有稳定的、必要的增益，而受温度等因素影响较小；

13、具有良好的增益线性，失真小；前置放大器的输出阻抗要小.,（2）对电压输入型前置放大器基本性能要求,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,（3）适宜作电压输入型前置放大器的电路,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（1）传感器与输入前置放大器连接时的等效电路,IS=ISZS/(ZS+ZIN)；ZSZIN时，ISIS,ZS,ZIN,IS,IS,ISr,Z0,V0,传感器,IS,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（2）适宜作电流输入型前置放大器的电路

14、,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,（3）使用电流输入型前置放大器的注意事项,使用OP放大器的偏置电流要比检测的最小信号电流小得多；由于输入电流全部流过反馈电阻 RC，所以输入电流的最大 值不能超过OP放大器的最大输出电流；由于反馈电阻 RC 的值往往很大，负反馈会因放大器的输入电 容、输入电缆的电容以及传感器的输出电容等而变得不稳；输入阻抗随反馈量而变化；反馈量随信号源电阻的大小而变化；实际安装时必须注意不要产生漏电流.,2.典型电路及实例分析,2.1 传感器的“前置放大器”,2.1.1 电流输入型传感器的“前置放大器”,C

15、T法,测量01A的CT用电流输入放大器,R1=6.8k,R2=100,R3=10kR4=1M,RW1=1k,C1=1FOP=TL082,D1=D2=UF007,运放基本应用1反相放大器,外围电阻元件的选择,R1:1k100k R3:1k几M R2=R1/R3,特点Zi=R1，输入阻抗较低.Z0=R3 A=R3/R1，闭环放大倍数较低.,共模输入信号UC=0，对于运放的共模抑制比要求不高.,运放基本应用2同相放大器,输入电阻很大，输出电阻很小，可以认为 ri=，ro=0；共模输入信号Uic=Ui，对运放的 共模抑制比要求较高。,特点,49,运放基本应用3电压跟随器,是一种单位增益的同相放大器；Z

16、 i很大，Z0很小；常作为缓冲隔离器（级）串接在 输入信号与负载（电路）之间，以消除电路间的相互影响，提高 驱动能力。,特点,运放基本应用4积分器（超级伺服电路）,用 途 检出运放的直流输出成分，补偿前置放大器的直流失调电压，使其直流输出成分为0。,特 点 对没有直流成分的AC信号进行无限积分时结果为0，直流成分 被积分器放大.,运放基本应用4积分器（超级伺服电路）,+,-,+,-,R3,C1,R4,R1,R2,OP,OP,R5,VAC,积分器应用消除运放直流失调电压,光耦基本应用1 光电计数,光耦基本应用2 信号隔离采样,窃电方式(电压)判断,光耦基本应用2 信号隔离采样,光耦基本应用3 自

17、动控制,光耦基本应用3 开关电源,光耦在开关电源中的应用,1.常用元器件基础,R、C构成的高压分压器,Vi,Vo,C1,C2,R1,R2,高频电压的测量,示波器,问题：为使输入至示波器的信号不失真，图中R1、C1、R2、C2应满足什么关系？（注：忽略示波器的输入阻抗）,58,2.4 比较器,（1）常用比较器及其使用,用作比较器的器件,输出形式,比较器的使用,比较器的振荡问题,59,2.4 比较器,t,Vin,Vref,V0,振荡,+,-,Vref,Vin,V0,比较器输出转换期间的振荡,60,2.4 比较器,61,2.4 比较器,AC220V,+,T1,R1,R2,Rt,R4,R5,J,T2,

18、温度控制电路,VCC,+,-,2.4 比较器,（2）迟滞比较器（）,设计公式：,时：,（高电平）,2.4 比较器,（3）窗口比较器,2.5 差动电压放大器,（1）标准差动电压放大器,2.5 差动电压放大器,（1）仪表放大器,电路组成,参数设计,R4/R5=R6/R7,R1=R2，R4=R5=R6=R7,2.5 差动电压放大器,电路性能特点,高共模抑制比、高输入阻抗和低失调.,（1）问题提出,2.6 精密整流电路,（2）设计思想,2.6 精密整流电路,2.6 精密整流电路,（3）半波精密整流电路,2.6 精密整流电路,（4）全波精密整流电路,72,2.7 信号变换电路,（1）在信号传输线中，直流

19、不受交流感应影响，易于解决 仪表的抗干扰问题；（2）直流不受传输线路的电感、电容及电荷性质的影响，不存在相位偏移问题，使接线简化；（3）直流信号便于A/D转换.,统一标准信号采用直流信号的优点？,（1）电流电压变换（I/V）电路,+,Ef,Rf,8,e0,i,i,Zi,ei,2.7 信号变换电路,I/V变换电路,1A,10A,100A,1mA,F.S.,全量程,输入端,+,1k,5k,5k,e02,e01,Cf,+15V,-15V,输入保护电路,+,Cf,+15V,-15V,-15V,+15V,5V,5V,950k 100k,95k 10k,9.5k 1k,0.95k 0.1k,10k,3.3

20、k,3.3k,100k,Rf,4558,A,714,8,8,防止振荡,20k,输出端,75,（2）V/I变换电路,2.7 信号变换电路,（1）电压很容易受到干扰，而电流不易被干扰；（2）小电压信号不易远距离传送;（3）给一些小型传感器供电.,在工业环境下常把传感器输出信号转换为电流信号？,76,（2）V/I变换电路,2.7 信号变换电路,0-10mA V/I变换电路,77,2.7 信号变换电路,4-20mA V/I变换电路,（2）V/I变换电路,令 UN=UP 当 R1=R2,R4=R5时，有,2.7 信号变换电路,2.8 实例分析,（1）TL431应用交流稳压电源,（3）窗口比较器应用电压正

21、常范围指示电路,（4）差动放大器应用霍尔传感器的基础放大器,（5）迟滞比较器应用光电式电流互感器的供电电源（发明 ZL03111514.4）,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿,2.8 实例分析,（1）TL431应用交流稳压电源,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之一,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之一,接入前的回路电势EAB(t,t1)=EAB(t,t0)-EAB(t1,t0),接入后的回路电势EAB(t,t0)-EAB(t1,t0)+e1,其中，补偿电压 e1=273.15R1+R1t1(V),令，R1t1(V)=EAB(t1,t0),则，接入

22、后的回路电势EAB(t,t0)+273.15R1,2.8 实例分析,（2）温度传感器应用热电偶的冷端补偿之二,如图，K型热电偶，将0500的温度转换为05V的电压信号。已知1对应热电偶输出电压40V，500对应输出电压20.64mV。求：,信号电路增益 AV；描述电路个部 分作用；如何实现热电 偶断线检测功 能的？为何要 求运放输入偏 置电流小？,（3）窗口比较器应用电压正常范围指示电路,2.8 实例分析,2.8 实例分析,标准差动放大器,仪器放大器,（4）差动放大器应用霍尔传感器的基础放大器,2.8 实例分析,（5）迟滞比较器应用光电式电流互感器的供电电源（发明 ZL03111514.4）,

23、电流源/电压源的一般方法,(a),(b),电流源/电压源的改进方法,2.8 实例分析,电流源/电压源的改进方法,2.8 实例分析,电源的工作过程分析,Uin,IL,I,Ig,Ig3Ig2Ig1,DW支路和GT1-2间形成的负反馈作用，使Uin在U1U2间波动,当UinU1时,T2/(T1+T2）=1(IL+Ig)/(I+Ig),由式(a)和(b)得:,Uin,I,当UinU2时,C（U2-U1）=(IL+Ig)T2(a),Q=C U；Q=I t,I T1=C（U2-U1）+IL T1(b),2.8 实例分析,2.8 实例分析,T2期间GT1-2导通，它以较大的导纳切入CT次级参与分流；T1期间

24、GT1-2截止，它的等效导纳近似于零，不参与分流,T2/(T1+T2）=1(IL+Ig)/(I+Ig)的物理意义,T2/(T1+T2）相当于CT次级电流为I时的GT1-2等效导纳（平均）值或分流能力，它受控于CT的次级电流I,取GT1-2导通时的等效导纳或分流能力为1,则 T2/(T1+T2）的物理意义在于:,Uin,I,Ig,IL,固态继电器输出的电压波形,2.8 实例分析,2.8 实例分析,电流源/电压源的改进方法,电源CT,分 流 器,整流滤波器,取样电路,稳压器,滤 波 器,隔离驱动电 路,继电器J1,控制CT,基准电压电 路,迟 滞比较器,继电器J1线 圈,高压母线,OECT高压侧电

25、 路,驱动器,电流/电压转 换 器,（2）,基准电压电 路,迟 滞比较器,J1-1,J1-2,（1）,DC/DC,V+,V-,电源CT变比控制单元,电源变换与稳压单元,c,b,a,一种光电式电流互感器的供电电源（发明 ZL03111514.4）,一种适应母线电流动态范围宽的光电式电流互感器供电电源.中国电机工程学报,2006,26(19):160-164,本章小结,（1）掌握元器件应着重“类型-结构（等效电路）-主要参数-作用-典型应用-使用注意事项”等几方面；（2）元器件是组成测量装置的基本元素，正确地选用元器件是设计测量装 置的重要环节，所以选用元器件应遵循一些原则；（3）电阻、电容、电感

26、是电路中最常见的元件，它们都具有分布参数，并 对高频电路产生影响；（4）在测量电路设计中，应关注运算放大器的带宽、共模抑制比、失调、飘逸和功耗等参数；（5）积分器的特性是衰减交流信号成分，对直流信号增益大，在测量电路 中常用于消除运放的直流失调漂移；（6）光电耦合器在检测电路中广泛应用，其输入端与输出端是通过光传递 信号，可电隔离，有线性和非线性光耦。传输速率、CTR 和隔离电压 是其重要参数；,本章小结,（7）电压输入型传感器的“前置放大器”宜选用同相放大器；（8）阻抗匹配电路的类型类型有，其作用分别是；（9）提高测量电桥的灵敏度措施是（10）比较器是控制电路中的常用器件，常规比较器在比较基

27、准附 近输出存在振荡现象，在某些场合为避免其带来的问题可采 用迟滞比较器；（11）差动电压放大器在测量电路中的首要任务是消除共模干扰，所以其最重要特性就是共模抑制比（CMRR）；（12）仪表放大器由两级组成，前级是由两个同相放大器，后级是 标准差动放大器，其性能特点是高共模抑制比、高输入阻抗 和低失调，所以它可有效抑制运放的输入失调和外界共模干 扰信号；,（13）精密整流电路的设计思想是把二极管置于运算放大器组成的负 反馈环路中，来削弱二极管压降的影响，提高整流精度；（14）目前世界各国均以直流信号作为统一信号，并将直流电压05V 及直流电流010mA或420mA作为统一标准信号；（15）在工业测量中，因电压容易受到干扰，所以，在这种情况下，一般将直流电流010mA或420mA作为统一标准信号。,本章小结,本章思考题,（6）目前世界各国均以直流信号作为统一信号，并将直流电压（）V及直流电流（）mA或（）mA作为统一标 准信号；,（2）统一标准信号采用直流信号的优点？,（3）在工业测量中，为什么常把传感器输出信号转换为4-20mA信号？,（4）电压输入型传感器的“前置放大器”宜选用（）；,（7）（）易实现高输入阻抗；a.同相放大器，b.反相放大器,（5）积分器的特性及其在测量电路中的作用？,（1）标准差动电压放大器和仪表放大器的电路组成及其特点？,