第十一章 数字仪表中的新颖检测电路.docx
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第十一章 数字仪表中的新颖检测电路.docx
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第十一章数字仪表中的新颖检测电路
河北科技大学教案用纸
第24次课2学时
上次课复习:
LED显示DVM的原理与应用
本次课题(或教材章节题目):
第十一章数字仪表中的新颖检测电路
第二节平均值AC/DC转换电路
第三节真有效值电压转换电路
教学要求:
掌握AC/DC转换电路的设计原理与应用
重点:
电路设计
难点:
真有效值测量的原理
教学手段及教具:
讲授
讲授内容及时间分配:
1.平均值AC/DC转换电路40分钟
2.真有效值电压转换电路50分钟
课后作业
思考题:
1~3
参考资料
1.沙占友等编著.数字化测量技术,机械工业出版社,2009.3
2.沙占友等著.新型数字电压表原理与应用,机械工业出版社,2006.1
注:
本页为每次课教案首页
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第二节平均值AC/DC转换电路
定义:
平均值响应的AC/DC转换器是由运算放大器和二极管组成的半波(或全波)线性整流电路。
优点:
具有线性好、准确度高、电路简单、成本低廉等优点。
应用领域:
仅适合于测量不失真的正弦波电压。
线性全波整流式
AC/DC转换器的电路如图11-2-1所示。
图11-2-1AC/DC转换器的电路
需要指出,该电路属于输出不对称式线性全波整流电路,在正、负半周时的等效电路及整流输出波形分别如图11-2-2所示。
图11-2-2等效电路及输出波形
a)正半周时的等效电路b)负半周时的等效电路c)整流输出波形
正半周时IC2输出电流的途径是:
C1→VD1→R4→R6→RP→COM(地),电压放大倍数KV>2.22。
KV=1+
(11-2)
将R4=3kΩ、R6=1.87kΩ、RP=0~200Ω代入上式得到KV=2.60~2.45>2.22。
负半周时,电流途径变成COM→RP→R6→VD2→C1→IC2,此时KV=1。
它相当于电压跟随器。
负半周时VD2导通,VD1截止
第三节真有效值电压转换电路
利用真有效值数字仪表可以准确、实时地测量各种波形的有效值电压或电平,满足现代电子测量之需要。
一、真有效值数字仪表的基本原理
所谓真有效值是“真正有效值”之意,其英文缩写为TRMS(TrueRootMeanSquare),亦称真均方根值。
在不考虑初相位的情况下,交流电压的表达式为
u=UPsinωt
交流电压的有效值是按下式定义的:
URMS=
(11-3-1)
其近似公式为
URMS=
(11-3-2)
分析式(11-3-2)可知,借助于电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算,就能获得交流电压的有效值。
因这是由有效值定义式求出来的,故称之为真有效值。
若将式(11-3-2)两边平方,且令
=
=Avgu2,还可得到真有效值的另一表达式
URMS=
=Avg
(11-3-3)
式中,Avg表示取平均值。
这表明,对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算,也能得到交流电压有效值。
此公式比式(11-3-2)更具有实用价值。
由于能同时完成“u2/URMS”两步运算,与分步运算相比,运算器的动态范围大为减小,既便于设计电路,又保证了准确度指标。
真有效值仪表的核心是TRMS/DC转换器。
这类电路现已实现了单片集成化,它能以最简方式接入电路而实现TRMS/DC转换的最佳指标。
新型真有效值数字仪表就是由单片TRMS/DC转换器、单片A/D转换器和数显器件而构成的测量仪表。
其优点是能精确、实时地测量各种电压波形的有效值,而不必考虑波形参数及失真度的大小。
真有效值数字仪表具有准确度高、响应速度快、测量面广、显示直观这四大特点。
定义峰值电压(UP)与有效值电压之比为波峰因数(KP),而有效值电压与平均值电压(
)之比则为波形因数Kf。
有公式
KP=UP/URMS(11-3-9)
Kf=URMS/
(11-3-10)
对正弦波而言,Kf=1.111,KP=1.414。
计算平均值仪表相对于真有效值仪表的误差公式为
γ=
×100%(11-3-11)
二、单片真有效值/直流转换器的产品分类
目前单片TRMS/DC转换器以美国模拟器件公司(ADI)的产品为代表,典型产品的技术指标见表11-3-2。
表11-3-2TRMS/DC转换器典型产品的技术指标
产品型号
基本准确度/(%)
满度压降
测量功能
波峰因数
KP
工作电源
封装形式
AD536AK
≤±0.2
7V
URMS、dB(0~60dB)
≤7
±3~±18V,1.2mA
DIP-14
AD636K
≤±0.3
200mV
URMS、dB(0~50dB)
≤6
+2、-2.5~±16.5V,
1.2mA
DIP-14
AD637
≤±0.2
0~7V可调
URMS、
、均方值、绝对值、dB(0~60dB)
≤10
±3~±18V,2.2mA(备用模式为350μA)
DIP-14
SOIC
AD736
≤±0.3
200mV
URMS、
、绝对值
≤5
+2.8、-3.2~±16.5V,
<200μA
DIP-8
SOIC
AD737
≤±0.3
200mV
URMS、
、绝对值
≤5
+2.8、-3.2~±16.5V,
160μA(备用模式<30μA)
DIP-8
SOIC
三、多量程真有效值数字电压表
AD737属于新型单片、低功耗、精密TRMS/DC转换器,其内部框图如图11-3-2所示。
图11-3-2AD737的内部框图
主要包括4部分:
①输入缓冲器(A);②全波整流器;③有效值核心单元(RMSCORE);④偏置电路。
由AD737构成的5量程3½位真有效值数字电压表的电路如图11-3-3所示。
图11-3-35量程真有效值数字电压表的电路
思考题:
1.简要说明线性整流电路的工作原理。
2.解释下述名词:
真有效值,波峰因数,波形因数。
3.为什么单片真有效值/直流转换器是按照式(11-3-3)的原理而设计的?
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第25次课2学时
上次课复习:
平均值及真有效值电压转换电路
本次课题(或教材章节题目):
第十一章数字电压表
测量Ω、C、f的电路设计
教学要求:
掌握测量Ω、C、f的电路原理
重点:
测量及保护电路的设计
难点:
(1)比例阀测量电阻;
(2)容抗法测量电容
教学手段及教具:
讲授
讲授内容及时间分配:
1.比例阀测量电阻的电路原理30分钟
2.用容抗法测量电容的电路原理30分钟
2.测量频率的电路原理30分钟
课后作业
思考题:
1~3
参考资料
1.沙占友等编著.数字化测量技术,机械工业出版社,2009.3
2.沙占友等著.新型数字电压表原理与应用,机械工业出版社,2006.1
注:
本页为每次课教案首页
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第四节测量电阻的电路
早期生产的数字仪表大多采用恒流法测量电阻,不仅电路复杂,而且成本高。
比例法是测量电阻的一种新方法,它具有电路简单、准确度高等优点,能充分发挥单片A/D转换器本身的优良特性,实现R/U转换。
即使基准电压存在偏差或发生波动,也不会增加测量误差。
一、用比例法测量常规电阻
1.比例法测量电阻的原理
比例法测量原理如图11-4-1所示。
图11-4-1比例法测量电阻的原理
有关系式
(11-4-1)
根据ICL7106的比例读数特性,当Rx=R0,即UIN=UREF时,仪表显示值N应等于1000。
Rx=2R0时为满量程,仪表开始溢出。
通常情况下
N=1000×
(11-4-2)
这表明显示值仅取决于Rx与R0的比值,故称之为比例法。
此法对各种单片A/D转换器均适用。
以200Ω电阻挡为例,取R0=100Ω,代入式(11-4-2)中得到
N=10Rx(11-4-3)
将小数点定在十位上即可直读结果。
对于其他电阻挡,只需改变电阻单位(kΩ、MΩ)及小数点位置,就能直读结果。
2.多量程电阻挡的测量电路
具有6个量程的电阻挡测量电路如图11-4-2所示。
图11-4-2具有6个量程的电阻挡测量电路
保护电路原理:
一旦误用电阻挡去测量市电,220V交流电便经过PTCR→VT→COM(模拟地),将VT的发射结反向击穿,电压被钳位于6V左右,可保护ICL7106不被损坏。
与此同时PTCR的阻值急剧增大,从而限制了VT的反向击穿电流,使之不超过允许范围。
需要指出,上述击穿属于软击穿,一旦撤去220V交流输入电压,VT又恢复正常状态。
第六节测量电容的电路
设计思想是首先用400Hz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转换器取出平均值电压
,送至3½位或者4½位A/D转换器。
由于
∝Cx,只要适当调节电路参数,即可直读电容量。
容抗法测量电容的优点是能自动调零,缩短了测量时间。
5量程数字电容表的电路如图11-6-1所示。
图11-6-15量程数字电容表
IC1a和R1、C1、R2、C2构成文氏桥振荡器。
振荡频率为
f=
(11-6-1)
IC1b是缓冲放大器,RP为电容表的校准电位器。
IC2a为电压放大器,其特点是负反馈电阻(R7~R11)的阻值依电容量程而定,并且以被测电容的容抗XC作为运放的输入电阻。
IC2a的电压增益与XC成反比,输出电压则与Cx成正比,从而实现了C/U转换。
二阶有源带通滤波器由IC2b、R12~R14、C3和C4构成,其中心频率
f0=
(11-6-2)
f0≈400Hz。
有源带通滤波器只让400Hz信号通过,能滤除其他频率的杂波干扰,使IC2b的输出电压为400Hz的正弦波,再经过AC/DC转换器获得平均值电压
,送至A/D转换器。
这就是容抗法测量电容器的原理。
综上所述,测量电容量的过程可归纳为:
文氏桥振荡器→C/U转换器→AC/DC转换器→A/D转换器。
第七节测量频率的电路
测量原理:
首先利用f/U转换器把被测频率信号转换成直流电压,然后经A/D转换器转换成7段码并驱动LCD或LED显示结果。
测量电路如图10-7-1所示。
图10-7-1测量频率的电路
ICM7555在这里作单稳态触发器使用,触发脉冲为低电平有效。
高电平脉冲宽度为
t1=-R7C3ln1/3=1.1R7C3(10-7-1)
从第3脚输出的脉冲序列通过R8、RP和R9分压,再经过C4、R10、C5滤波,获得平均值电压。
因t是固定的,故触发频率f愈高,在单位时间内产生的脉冲数也愈多,由此获得的
愈大。
这表明
与f严格成正比,这就是利用ICM7555实现f/U转换的原理。
注意事项:
(1)由式(10-7-1)不难看出,通过改变定时电阻即可调节脉宽t1,从而改变
值。
由此可设计成多量程数字频率表。
欲设计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)VDl、VD2采用1N4148硅开关二圾管。
Rl~R6、R10选碳膜电阻。
R7~R9使用误差为±1%的金属膜电阻。
C1~C3选用瓷片电容、C4和C5可用涤纶电容。
(4)上述电路还可配ICL7129型4½位A/D转换器,此时U+~COM之间的电压EO=+3.2V。
思考题:
1.简述比例法测量电阻的基本原理。
1.简述用容抗法测量电容的基本原理。
2.测量Ω、C、f的保护电路各有何特点?
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第26次课2学时
上次课复习:
测量Ω、C、f的电路设
本次课题(或教材章节题目):
测量UF、hFE及自动关机电路
教学要求:
掌握测量UF、hFE及自动关机电路的设计
重点:
测量UF、hFE的原理
难点:
自动关机电路的定时原理
教学手段及教具:
讲授
讲授内容及时间分配:
1.测量UF的原理20分钟
2.测量hFE的原理30分钟
3.自动关机电路及蜂鸣器电路的原理40分钟
课后作业
思考题:
1、2
参考资料
1.沙占友等编著.数字化测量技术,机械工业出版社,2009.3
2.沙占友等著.新型数字电压表原理与应用,机械工业出版社,2006.1
注:
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第九节检测二极管和晶体管的电路
利用数字电压表可以测量二极管的正向压降UF、晶体管共发射极电流放大系数hFE。
一、测量二极管正向压降UF的电路
二极管测量电路如图11-9-1所示。
图11-9-1二极管测量电路
其工作原理是首先把被测二极管的UF值转换成直流电压,然后由200mV数字电压表测量并显示出来。
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,正半周时VDl反向偏置而截止,电路不通。
负半周时电流通过COM→VDl→VD2→R2形成回路,可保护仪表不受损坏。
二、测量晶体管hFE的电路
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,有公式
hFE≈IC/IB(11-9-1)
测量晶体管hFE的电路如图所示,测量范围是0~1000(倍)。
图11-9-2测量晶体管hFE的电路
a)测量PNP管b)测量NPN管
由R1和RP组成的偏置电路,可提供大约10μA的基极电流。
通过晶体管放大后得到的发射极电流IE,在取样电阻上形成压降,作为仪表输入电压UIN。
因IE≈IC,故
UIN=IER2=ICR2=hFEIBR2(11-9-2)
将IB=10μA,R2=10Ω代入式(11-9-2)中得到
UIN=0.1hFE(mV)
即hFE=10UIN(11-9-3)
显然,选择200mV数字电压表,将UIN的单位取0.1mV,再令小数点消隐后即可直读hFE值。
由于E0可提供的电流有限,规定IC≤10mA,hFE=0~1000。
设计PNP管的hFE测量电路时,需改变E0的极性,并将R2移至集电极电路中,见11-9-2a。
第十节自动关机及蜂鸣器电路
一、自动关机电路
自动关机电路的特点是当仪表停止使用一段时间(例如15min)之后,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(SleepMode)。
图11-10-1自动关机电路
设自动关机电路的每次供电时间为t,有公式
UC1(t)=E
即t=R1C1ln
(11-10-1)
把R1=10MΩ、E=9V、UC1(t)=Ub=1.5V一并代入式(11-10-1)中,并将C1的单位取μF,有公式
t=17.92C1≈18C1(11-10-2)
改变C1的容量,即可设定t值。
例如当C1=47μF时,t=842s≈14min。
在自动关机之后,仪表进入微功耗模式,静态电流I0=E/(R2+R3)=7.5μA。
二、具有声、光指示的蜂鸣器电路
蜂鸣器电路是配合数字多用表200Ω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,只需注视被测线路和表笔,凭有无声音及是否发光来判定线路的通断,不仅操作简便,而且能大大缩短检测时间。
具有声、光指示的蜂鸣器电路如图11-10-2所示。
图11-10-2具有声光指示的蜂鸣器电路
调整R2、R4的阻值,可改变比较器的参考电压,重新设定使蜂鸣器发声的阈值电阻。
思考题:
1.简述测量UF、hFE及自动关机电路的原理。
2.利用蜂鸣器电路来检测线路的通断有何优点?
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- 第十一章 数字仪表中的新颖检测电路 第十一 数字 仪表 中的 新颖 检测 电路