机械电子学精选文档.ppt

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1、机械电子学本讲稿第一页，共六十七页山东科技大学机电学院2机械电子装置中的电子器件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 电力电子本讲稿第二页，共六十七页山东科技大学机电学院3集成IC外形封装及名称本讲稿第三页，共六十七页山东科技大学机电学院4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本讲稿第四页，共六十七页山东科技大学机电学院5集成运放的种类高输入阻抗，（FET作

2、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）高压型本讲稿第五页，共六十七页山东科技大学机电学院6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 12345678本讲稿第六页，共六十七页山东科技大学机电学院7理想运放工作在线性区有两个重要特点：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虚短路虚短路虚开路虚开路放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，可以分开分析可以分开分析。u+uo_+uIi本讲稿第七页，共六十七页山东科技大学机电学

3、院8反相比例运算电路反相比例运算电路i1=i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。本讲稿第八页，共六十七页山东科技大学机电学院9同相比例运算电路同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反相负反馈引到反相输入端，信号从同相端输输入端，信号从同相端输入。入。本讲稿第九页，共六十七页山东科技大学机电学院10电压跟随器电压跟随器_+uiuo此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻此电路是电压

4、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。电压跟随性能好。结构特点：结构特点：输出电压全部输出电压全部引到反相输入端，信号从引到反相输入端，信号从同相端输入。同相端输入。电压跟随器电压跟随器是是同相比例运算放大器的同相比例运算放大器的特例。特例。本讲稿第十页，共六十七页山东科技大学机电学院11差动放大器差动放大器_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：本讲稿第十一页，共六十七页山东科技大学机电学院12对数电路对数电路利用利用PN结的指数特性实现对数运算结的指数特性实现对数运算本讲稿第十

5、二页，共六十七页山东科技大学机电学院13反对数（反对数（指数指数）电路）电路uo=RF IS eui i /UT T输入与输出的关系式为输入与输出的关系式为:本讲稿第十三页，共六十七页山东科技大学机电学院14 模拟乘法器模拟乘法器乘法运算电路乘法运算电路KXYXYuO=KuxuyK 增益系数增益系数模拟乘法器符号模拟乘法器符号本讲稿第十四页，共六十七页山东科技大学机电学院15模拟除法器模拟除法器8u1R1uOR2XYKXYu3u2本讲稿第十五页，共六十七页山东科技大学机电学院16调制与解调调制与解调调幅调频调相本讲稿第十六页，共六十七页山东科技大学机电学院17调幅（典型应用调幅（典型应用交流电

6、桥）交流电桥）本讲稿第十七页，共六十七页山东科技大学机电学院18PID控制器控制器本讲稿第十八页，共六十七页山东科技大学机电学院19有源滤波器应用有源滤波器应用电位器传感器滤波电位器传感器滤波本讲稿第十九页，共六十七页山东科技大学机电学院20课后作业（课后作业（1)1)：求输出：求输出U U0 0的表达式的表达式本讲稿第二十页，共六十七页山东科技大学机电学院21课后作业（课后作业（2)2)：求：求i i0 0与与E E的关系的关系本讲稿第二十一页，共六十七页山东科技大学机电学院22课后作业课后作业(3):V/I(3):V/I变换变换求求ViVi与与I IL L的关系的关系本讲稿第二十二页，共六

7、十七页山东科技大学机电学院23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）本讲稿第二十三页，共六十七页山东科技大学机电学院24数字电路基本单元门电路门电路的作用：门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、与门、或门、与非门、或非门、异或门等。异或门等。本讲稿第二十四页，共六十七页山东科技大学机电学院25分立元件门电路

8、（1）D1D2FAB+12VD1FD2AB-12VR1DR2AF+12V+3V&ABF 1ABF1AF本讲稿第二十五页，共六十七页山东科技大学机电学院26分立元件门电路（2）R1DR2F+12V+3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门&ABF本讲稿第二十六页，共六十七页山东科技大学机电学院27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本讲稿第二十七页，共六十七页山东科技大学机电学院28TTL数字集成门电路数字集成电路：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在一块半导体基

9、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。靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。TTL型电路：型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为:Transistor Transistor Logic。本讲稿第二十八页，共六十七页山东科技大学机电学院29TTL与非门内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 本讲稿第二十九页，共六十

10、七页山东科技大学机电学院30TTL与非门管子状态与非门管子状态输入全为输入全为1 T1 T2 T3 T4 T5管子状态管子状态倒置放大倒置放大饱和饱和微导通微导通截止截止深饱和深饱和输入不全为输入不全为1 T1 T2 T3 T4 T5管子状态管子状态深饱和深饱和截止截止微饱和微饱和放大放大 截止截止本讲稿第三十页，共六十七页山东科技大学机电学院31IC参数开门电平开门电平VON与关门电平与关门电平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输出高电平输出高电平VOH与输出低电平与

11、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输入短路电流输入短路电流IIL和输入漏电流和输入漏电流IIH扇出系数与扇入系数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

12、-VON本讲稿第三十一页，共六十七页山东科技大学机电学院32其它类型的其它类型的TTL门电路门电路集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCRLUCC本讲稿第三十二页，共六十七页山东科技大学机电学院33&UCCF1F2F3F分析：分析：F1、F2、F3任一导通，则任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则全截止，则F=1。输出级输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3 OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能。功能。本讲稿第三十三页，共六十七页山东科技大学机电学院34E 控制端控制端+5VFR4R2R13kT2R5R3T3

13、T4T1T5b1c1ABDE一、结构一、结构其它类型的其它类型的TTL门电路三态门门电路三态门本讲稿第三十四页，共六十七页山东科技大学机电学院35三态门的符号及功能表三态门的符号及功能表&ABF符号符号功能表功能表&ABF符号符号功能表功能表使能端使能端高电平高电平起作用起作用使能端使能端低电平低电平起作用起作用本讲稿第三十五页，共六十七页山东科技大学机电学院36三态门的用途三态门的用途E1E2E3公公用用总总线线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间的间的接口电路接口电路。工作时，工作时，E1、E2、E3分时分时接入高电平。接入高电平。本讲稿第三十六页，共六十七页山东科技大

14、学机电学院37CMOS电路的工作特点：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国产逻辑门性能比较本讲稿第三十七页，共六十七页山东科技大学机电学院38开门电阻与关门电阻开门电阻与关门电阻+5VRUiFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1360 3k750 100 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

15、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RUi1.40Ui1.4V以后，Ub1被箝位在2.1V本讲稿第三十八页，共六十七页山东科技大学机电学院39门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理(1)对于对于TTL与非、与门多余输入端处理方法：与非、与门多余输入端处理方法：1)直接接高电平（或电源正）2)与其它的输入端并联，但对信号源取用电流增加3)悬空，相当于接高电平（当干扰较小时）。4)通过大于开门电阻RON接地对于对于TTL或非、或门多余输入端处理方法或非、或门多余输入端处理方法：1)接低电平2)直接接地3)与其它的输入端并联，但对信号源取

16、用电流增加4)通过小于关门电阻ROFF接地对对CMOS逻辑门多余输入端处理：逻辑门多余输入端处理：1)与非、与门多余输入端接高电平（不可悬空）2)或非、或门多余输入端接地本讲稿第三十九页，共六十七页山东科技大学机电学院40触发器与寄存器触发器与寄存器时序电路的特点：时序电路的特点：具有记忆功能。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，而且定于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关还和电路原来的状态有关者，都者，都叫做时序逻辑电路，简称叫做时序逻辑电路，简称时序电路时序电路。时序电路的基本单元：时序电路的基本单元：触发

17、器。触发器。触发器的分类：触发器的分类：按稳定工作状态划分：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、单稳态触发器和无稳态触发器。双稳态触发器按功能分：双稳态触发器按功能分：有有R-S触发器、触发器、D型触发器、型触发器、JK触发器、触发器、T型等；型等；双稳态触发器按触发方式划分：双稳态触发器按触发方式划分：有电平触发方式、主从触发方式有电平触发方式、主从触发方式和边沿触发方式和边沿触发方式。本讲稿第四十页，共六十七页山东科技大学机电学院41RS触发器的功能表触发器的功能表RD SD Q1 10 11 00 0保持原状态保持原状态0 11 0不定状态不定状态复

18、位端复位端置位端置位端逻辑符号逻辑符号本讲稿第四十一页，共六十七页山东科技大学机电学院42主从式主从式JK触发器的功能表触发器的功能表功能表功能表JK触发器的功能小结：触发器的功能小结：1.当当J=0、K=0时，具有保持功能；时，具有保持功能；2.当当J=1、K=1时，具有翻转功能；时，具有翻转功能；3.当当J=0、K=1时，具有复位功能；时，具有复位功能；4.当当J=1、K=0时，具有置位功能。时，具有置位功能。逻辑符号逻辑符号RDSDCQKJC处的小三角表示动态触发，即属于处的小三角表示动态触发，即属于边沿型边沿型本讲稿第四十二页，共六十七页山东科技大学机电学院43JK触发器时序图触发器时

19、序图JQCPKJQ 保持保持T本讲稿第四十三页，共六十七页山东科技大学机电学院44搅拌机叶片折断报警电路搅拌机叶片折断报警电路本讲稿第四十四页，共六十七页山东科技大学机电学院45传感器输出的信号PXS1PXS2正常时1100折断时1000本讲稿第四十五页，共六十七页山东科技大学机电学院46D触发器（触发器（1）JK触发器转换成触发器转换成D触发器触发器CQKJD CP本讲稿第四十六页，共六十七页山东科技大学机电学院47D触发器（触发器（2）功能表功能表CPDQD触发器的输出波形。触发器的输出波形。逻辑符号逻辑符号RDSDD CQD触发器功能：触发器功能：在时钟下降沿将在时钟下降沿将D信号状态存

20、储到信号状态存储到Q端，端，常用于存储数据，因此常用于存储数据，因此D触发器又称为锁触发器又称为锁存器。存器。本讲稿第四十七页，共六十七页山东科技大学机电学院48D触发器应用触发器应用由D触发器构成的四位并行寄存器本讲稿第四十八页，共六十七页山东科技大学机电学院49 T触发器（触发器（1）CQKJTCPJK触发器转换成触发器转换成T触发器触发器本讲稿第四十九页，共六十七页山东科技大学机电学院50T触发器（触发器（2）功能表功能表时序图时序图：CPQTRDSDCQT逻辑符号逻辑符号:T=0时时CP不起作用，不起作用，T=1时每来一个时钟时每来一个时钟脉冲，触发器状态翻脉冲，触发器状态翻转一次转一

21、次本讲稿第五十页，共六十七页山东科技大学机电学院51T触发器应用触发器应用(4位二进制计数器位二进制计数器)CQTTFF1QCTQCQTCTTFF2CQTTFF3TFF4+VDDTTFF1TFF2TFF3TFF4CLOCK本讲稿第五十一页，共六十七页山东科技大学机电学院52功率电子器件概述功率电子器件概述电子技术电子技术微电子技术：弱电领域微电子技术：弱电领域电力电子技术：强电领域电力电子技术：强电领域电力电子器件电力电子器件晶闸管（晶闸管（SCR）可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）功率晶体管（功率晶体管（GTR）功率场控晶体管（功率场控晶体管（MOS-FET）绝缘门极双极晶体管（绝缘门极双

22、极晶体管（IGBT）电力电子器件应用电力电子器件应用整流整流逆变逆变斩波斩波交流调压交流调压本讲稿第五十二页，共六十七页山东科技大学机电学院53普通晶闸管普通晶闸管(SCR)简介简介主电压主电压V2ppnn-K主电流主电流V1pn门极门极G+ASCR等效电路等效电路在在阳阳极极A与与阴阴极极K之之间间加加正正向向电电压压，同同时时在在门门极极G与与阴阴极极K之之间间加加正正向向电电压压（触触发发），这这样样阳阳极极A与与阴阴极极K之之间间即即进进入入导导通通状状态态。晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通，只只要要阳阳极极A与与阴阴极极K之之间间的的电电流流不不小小于于其其维维持持电电流流IH，门门极极

23、G与与阴阴极极K之之间间是是否否还还存存在在正正向向电电压压，对对已已经经导导通的晶闸管完全没有影响。通的晶闸管完全没有影响。晶闸管导通条件：晶闸管导通条件：主电极阳极主电极阳极A与阴极与阴极K之间的电流小于其维之间的电流小于其维持电流持电流IH，晶闸管即进入关断状态。，晶闸管即进入关断状态。晶闸管关断条件：晶闸管关断条件：本讲稿第五十三页，共六十七页山东科技大学机电学院54SCR外形图本讲稿第五十四页，共六十七页山东科技大学机电学院55晶闸管实验(a)开关未闭合(b)开关闭合后又断开(c)电源反向本讲稿第五十五页，共六十七页山东科技大学机电学院56单相半波可控整流控制角：导通角：本讲稿第五十

24、六页，共六十七页山东科技大学机电学院57单相全控桥式整流单相全控桥式整流本讲稿第五十七页，共六十七页山东科技大学机电学院58双向晶闸管双向晶闸管（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（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。晶体管非常相似，属双极型器件。V1V2 1 2达林顿复合晶体管达林顿复合晶体管本讲稿第五十八页，共六十七页山东科技大学机电学院

25、59功率晶体管外形功率晶体管外形本讲稿第五十九页，共六十七页山东科技大学机电学院60可关断晶闸管可关断晶闸管GTO(Gate Turn off Thyristor)阳极A门极G阴极K功率场控晶体管（功率功率场控晶体管（功率MOSFET）(MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)功率功率MOSFET 如同普通如同普通MOSFET一样，也是一种单极型晶一样，也是一种单极型晶体管，是电压控制型，属全控型器件。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，驱动功率它是用栅极电压控制漏极电流，因此驱动电路简单

26、，驱动功率小。小。开关速度快，频率高，它在所有的电力电子器件中是最开关速度快，频率高，它在所有的电力电子器件中是最高的。高的。G栅极栅极S源极源极D漏极漏极N沟道沟道 GTO是晶闸管的派生器件，是晶闸管家族的一个成员，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。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。它的电压、电流容量比电力晶体管大的多，和晶闸管接近。本讲稿第六十页，共六十七页山东科技大学机电学院61绝缘门极双极晶体管（绝缘门极双极晶体管（IGBT）IGBT是双极型电力晶体

27、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。GECCEG本讲稿第六十一页，共六十七页山东科技大学机电学院62各种电力器件性能比较各种电力器件性能比较 性能名称载流量驱动功率工作频率半/全控 用 途 SCR最大大1KHZ以下半控用于大容量整流和交交变频器 GTO大大12KHZ全 控用于整流、交直交变频器、斩波器 GTR较大较大10KHZ以下 功率 MOSFET较小小100KHZ以上 IGBT较大小100KHZ以上本讲稿第六十二页，共六十七页山东

28、科技大学机电学院63应用举例（应用举例（1）直流斩波直流斩波：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。电流连续时的波形电流连续时的波形电流断续时的波形电流断续时的波形IV关断期间本讲稿第六十三页，共六十七页山东科技大学机电学院64应用举例（应用举例（2）交流调压的应用：交流调压的应用：灯光调节灯光调节泵及风机的感应电动机调速泵及风机的感应电动机调速逆变器的应用：逆变器的应用：调温的工频加热和感应加热调温的工频加热和感应加热交直交变频器交直交变频器本讲稿第六十四页，共六十七页山东科技大学机电学院65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电力开关使用。本讲稿第六十五页，共六十七页山东科技大学机电学院66思考题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？本讲稿第六十六页，共六十七页山东科技大学机电学院67&AB&AB5V0V本讲稿第六十七页，共六十七页