8135+机电接口技术期末复习指导.docx
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8135+机电接口技术期末复习指导
2011年春期开放教育本科
《机电接口技术》期末复习指导
2011年6月修定
第一部分课程考核说明
1.考核目的
考核学生对集成稳压电源、信号处理电路、常用功率器件及直流电机、交流电机和步进电机的驱动接口等基础知识的掌握和简单典型接口分析与设计的能力。
2.考核方式
笔试闭卷。
3、适用范围、教材
本课程期末复习指导适用范围为开放教育本科机械设计制造及其自动化专业的选修课程。
考试命题的教材是由王岚主编,中央广播电视大学出版社2003年7月第1版《机电接口技术》教材。
4.命题依据
本课程的命题依据是《机电接口技术》课程的教学大纲、教材、实施意见。
5.考试要求
本课程的考试重点包括基本知识和应用能力两个方面,主要考核学生对集成稳压电源、信号处理电路、常用功率器件及直流电机、交流电机和步进电机的驱动接口等基础知识的掌握和简单典型接口分析与设计的能力。
6.考题类型及比重
考题类型及分数比重大致为:
填空题(20%);选择题(15%);简答题(24%);综合应用题(41%)。
第二部分期末复习指导
第一章绪论
一、重点名词
机电接口技术
二、熟练掌握
机电接口技术的作用。
第一章典型直流集成稳压电源及抗干扰技术
一、重点掌握
1、集成稳压器的极限参数、工作参数、集成稳压器的质量参数。
2.固定型正电压输出稳压电路——7800系列的引脚功能和应用。
3、固定型负电压输出稳压电路——7900系列的引脚功能和应用。
4、计算机控制系统的接地方法。
二、一般掌握
1、三端可调型正电压输出稳压电路——317系列的引脚功能和应用。
2、三端可调负电压输出稳压电路——337系列的引脚功能和应用。
3、DC/DC隔离电源、基准电源。
地线系统、干扰来源及抗干扰设计。
第二章信号处理电路
一、重点掌握
1、比例放大器、加、减法器、差动放大器的电路原理及其应用。
2、模拟电压比较器的特性参数。
3、过零比较器、电平检测器、窗口比较器、回差电压比较器及区域比较器的电路原理及其应用。
二、一般掌握
绝对值检测电路原理及如何改善绝对值电路的性能。
电压--电流变换器的原理及应用。
第三章信号隔离电路
一、重点掌握
1、信号隔离的意义、原理和分类。
2、光电隔离、继电器的使用方法。
二、一般掌握
模拟量的隔离方法:
电磁隔离放大器、线性光电隔离放大器。
第四章调节器和滤波器电路
一、重点掌握
1、PID运算电路、有源滤波器的分类和特点。
2、一阶有源滤波器电路原理及其应用。
二、一般掌握
二阶有源滤波器电路原理及其应用。
第五章功率驱动电路
一、重点掌握
1、晶闸管的原理和特性。
2、晶体管的原理和特性。
3、发光二极管、光电耦合器、继电器和晶闸管的驱动方法。
二、一般掌握
发光二极管、光电耦合器、继电器和晶闸管的驱动接口的应用设计。
第六章直流电动机的驱动与控制
一、重点掌握
1、直流电机的结构组成、作用及工作原理。
2、直流电机的基本控制电路的原理。
3、LM3524、L297、L298和L292电机控制芯片的引脚功能。
二、一般掌握
LM3524、L297、L298和L292电机控制芯片的应用。
第七章步进电机的驱动与控制
一、重点掌握
1、步进电机的结构组成、作用及工作原理。
2、步进电机的单电压、双电压和斩波功率放大电路。
3、三相步进电机的控制:
环行分配器、电机控制器3717。
4、三相异步电动机的结构和工作原理,SPWM的基本思想。
二、一般掌握
1、步进电机的特点和主要技术性能指标。
两相步进电机控制器L297的应用。
2、SLE4520三相可编程脉宽调制器的引脚功能及应用。
第三部分综合练习题
一、判断题
1.工业生产中干扰的来源主要有:
空间干扰、过程通道干扰、供电系统干扰。
(√)
2.差模输入电阻Rd是指集成运放两个输入端之间的动态电阻,其值越小越好。
(×)
3.接地设计的目的主要是消除各电路电流流经一公共地线阻抗时所产生的噪声电压。
(√)
4.低通滤波器是用来通过高频信号,抑制或衰减低频信号的滤波电路。
(×)
5.线性光电隔离放大器利用发光二极管的光反向送回输入端,正向送至输出端,从而提高了放大器的精度和线性度。
(√)
6.LED动态显示方式的电路复杂,但控制软件要比静态显示方式简单。
(×)
7.直流电机的机械特性是指电动机的电磁转矩与转速之间的关系。
(√)
8.三相异步电动机改变同步转速n0的调速方法有改变磁通和改变电枢电压调速。
(×)
9.所谓智能功率集成电路指的是该电路至少把逻辑控制电路和功率半导体管集成在同意芯片上,通常是指输出功率大于1W的集成电路。
(√)
10.光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起,通过光实现耦合,构成光-电-光的转换器件。
(×)
二、选择题
1.集成稳压器7915的输出电压为(B)。
A.15VB.–15V C.12V D.79V
2.要求电压比较器仅在输入电压过零,输出电压发生跳变。
除此之外,输出电压保持。
并希望输入电压大于零时输出为高电平,则应选用(A)
A.同相输入过零比较器B.差动型电平检测器
C.窗口比较器D.回差电压比较器
3.滤波器的截止频率定义为频率下降(B)那一点所对应的频率。
A.2DbB.3DbC.4DbD.5Db
4.AD202/AD204是基于(A)原理的隔离放大器。
A.变压器耦合B.光电隔离
C.继电器隔离D.线性光电隔离
5.运算放大器中的(D)单元用于设置各级放大电路的静态工作点。
A.输入级B.输出级C.中间级D.偏置电路
6.(A)调速方式直流电动机的机械特性硬度不改变。
A.改变电枢电压调速 B.电枢回路串电阻调速
C.改变磁通 D.以上三种均可以
7.下面哪种说法是不正确的?
(C)
A.高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。
B.由于传感器和机壳之间容易引起共模干扰,所以A/D转换器的模拟地,一般采用浮空隔离。
C.数字地是指传感器的地.
D.交流地与信号地不能共用。
8.3650是基于(B)原理的隔离放大器。
A.光电隔离 B.线性光电隔离 C.变压器耦合 D.继电器隔离
9.有源滤波器必须包含(D)元件。
A.电阻 B.电容 C.二极管 D.运算放大器
10.PID控制中的(B)的作用是消除稳态误差。
A.比例 B.积分 C.微分 D.以上均可
三、简答题
1.信号隔离的目的是什么?
常用的隔离方法有哪些?
1)信号隔离的目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使测控装置与现场仅保持信号联系,而不直接发生电的联系。
2)常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。
另外,在布线上也应该注意隔离。
2.分析单个LED的驱动接口电路的工作原理,给出LED工作电流的计算公式。
答:
图中7406是一个OC门反相器。
7406的作用是驱动LED。
当单片
机的I/O端口为高电平时,反相器
输出低电平,LED发光;当单片机
I/O端口为低电平时,反相器输出开路,没有电流流过LED,LED熄灭。
图中LED的工作电流为:
为LED的正向压降;
为LED驱动器的压降;
为LED的限流电阻;
为LED的工作电流。
3.晶闸管由导通转变为阻断的条件是什么?
晶闸管由导通转变为阻断的条件是当减少阳极电压或增加负载电阻时,阳极电流随之减少,当阳极电流小于维持电流时,晶闸管便从导通状态转化维阻断状态。
4.双电压驱动的优点和缺点是什么?
它所具有的优点是:
功耗小,启动转矩大,工作频率高。
缺点是:
功率晶体管的数量要增加一倍,增加了驱动电源。
同时低频时步进电机振动噪声大,存在低频共振现象。
四、计算题
1.如图所示电路。
,试求出负载电阻
上的电流
,以及集成运放的输出电流
。
1、解:
由图可得
联立以上各式,并代入参数计算可得
负号表示电流的实际方向与图中所标方向相反。
2.请推导图所示电路的传递函数,并说明它属于哪种类型的滤波电路?
解:
利用节点电流法可求出它们的传递函数。
在图所示电路中
所以其为一阶高通滤波器
五、设计题
1.用7805设计一个输出电压为+6.2V的稳压电路。
解:
电源电路采用电阻升压法,具体电路如图所示:
(8分)
由电路可知输出电压Vo为:
(5分)
一般
为5mA,
若取
则
(2分)
机电接口技术
试题类型及规范解答举例
试题按大纲要求,其题型包括填空题、问答题、计算及分析题、设计题,具体说明如下:
(一)填空题
此类型试题考查学生对基本理论的程度,对重要的常用的概念、公式等的掌握。
题型举例:
例1.高频电路应______________接地,低频电路应______________接地。
例2.三相步进电机一般有___________、___________及___________等工作方式。
对于例1,应填“就近多点”与“一点”。
对于例2,应填“单三拍”、“六拍”和“双三拍”。
例2中,所填顺序对正确性无影响。
(二)问答题
问答题考察学生对基本概念的掌握情况。
例:
标志一个滤波器特性与质量的主要参数有哪些?
解答:
标志一个滤波器特性与质量的主要参数如下:
谐振频率、截止频率、通带增益、频带宽度、品质因数、阻尼系数、滤波器参数对元件变化的灵敏度。
注:
本题答对4个以上的满分。
(三)计算及分析题
计算题是了解学生的基本计算能力,包括对相关公式的掌握,对电路特性的掌握。
例:
已知一阶低通滤波器的电路形式如下图所示,写出其传递函数。
解:
(四)设计题
试题举例:
用7805设计一个输出电压为+6v的稳压电源。
解:
电源电路采用电阻升压法,具体电路如下:
由电路可知输出电压V0为:
一般
为5mA,
取
,则
开放教育(本科)《机电接口技术》课程教学大纲
形成性试题
题1.设计直流稳压电源,实现将交流220V变为直流+5V。
题2:
电路如图2所示,求uo。
解:
设电流i1,i2,i3,i4如图3中所示。
对放大器A1有:
以上各式联立,可解得
(1)
对A2有,
(2)
(1)式和
(2)式联立得:
题3:
设计滤波器电路,使
。
解:
为一阶低通滤波器。
滤波器电路如图4所示
有
,可得
取
,则
。
取
,则
题4:
某二阶有源滤波器的电路如图5所示,求
。
解:
各无源元件的导纳为
由叠加原理可得
对运算放大器,有
,
式中
把
(1),
(2),(3)式联立解得
将Af及Y1~Y5代入,即可得最后结果。
第1章直流集成稳压电源及抗干扰技术
本章介绍直流集成稳压器电路和抗干扰技术,涉及到的主要内容有:
1.集成稳压器及其极限参数、工作参数、质量参数等,极限参数主要有最大输入电压,最大输出电流,最大耗散功率,最大瞬态功耗,最高结温;工作参数主要有:
输出电压范围,输出电流范围,最小输入-输出电压差和最小输入电压,最大输入-输出电压差,最小输出电流(或泄放电流),静态工作电流;质量参数主要有:
电压调整率,电流调整率,纹波抑制比,输出电压温度系数,输出电压时漂(长期稳定性),输出噪声电压,短路电流,输出阻抗。
在学习的过程中,同学们要掌握集成稳压器常用的参数。
2.常用的集成稳压器有7800、7900、317、337系列,在学习的过程中,同学们要掌握这些集成稳压器的特点及使用方法。
这部分内容既是本章的重点内容,也是难点所在。
以7800系列为例,其基本电路如图1所示。
对于图1,应该知道电路的输出电压
是多少,输入电压
应该选多少,电容
、
的作用。
当需要提高集成稳压器输出时,可采用稳压管或电阻升压的方法。
图2是采用电阻升压法来提高输出电压的电路原理图。
对于图2应该掌握:
已知图2会计算其输出电压
;已知输出电压
会设计电路图。
还要注意的是:
在设计电路的时候,图中的集成稳压器应写出具体型号,如7805。
3.DC/DC也是一种常用的直流电源,主要有开关稳压电源、推挽式DC/DC变换电源和桥式DC/DC变换电源。
4.基准电源是用于产生精密电压的器件。
以三端式带隙基准源AD580为例,它能提供2.5V的基准电压。
其典型应用如图3所示,本图为AD580作为精密基准源应用时的电路图,AD580作为12位D/A转换器AD7542的精密基准源,它在5V电源电压下,输出2.5V,并通过500Ω精密电阻进行调节,以获得D/A转换器所必需的精密基准电压。
5.干扰来源:
工业生产中的干扰一般以脉冲的形式进入控制系统,干扰窜入系统的渠道主要有三条:
即空间干扰(场干扰)、过程通道干扰、供电系统干扰。
6.接地设计的目的:
①消除各电路电流流经一公共地线阻抗时所产生的噪声电压;②避免磁场和地电位差的影响,即不使其形成地环路,如果接地方式处理不好,就会形成地环路,造成噪声耦合。
7.计算机控制系统地线分类:
①数字地(又叫逻辑地)、②模拟地、功率地、信号地、交流地等。
第3章信号隔离电路
本章涉及的主要内容有:
1.信号隔离的目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使测控装置与现场仅保持信号联系,而不直接发生电的联系。
隔离的实质是把引进的干扰通道切断,从而达到隔离现场干扰的目的。
测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间,常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。
另外,在布线上也应该注意隔离。
2.光电耦合器件将发光元件和受光元件组合在一起,通过电-光-电这种转换,利用“光”这一环节完成隔离功能,使输入和输出在电气上是完全隔离的。
根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。
光电耦合器具有三个特点:
①信号传递采取电-光-电的形式,能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰,②抑制噪声干扰能力强;③具有耐用、可靠性高和速度快等优点。
这部分内容是本章的重点和难点所在,要求掌握常用隔离器件的电路工作原理,例如:
(1)对于图1所示的4N25光电耦合器的接口电路图,要求掌握其输入端ui与输出端uo之间的关系,即当输入端ui分别为高、低电平时,输出端的电平如何。
再有就是电阻
的作用是什么,如何选择。
(2)图2所示的是用4N40控制220V电灯的电路图,要求掌握图中单片机8031的引脚P1.0的状态与电灯亮灭状态的关系,以及4N40输入端电阻
的作用和计算方法。
3.继电器隔离也是一种常用的输出方式,常用于驱动大型设备。
在设计继电器电路时,要考虑
(1)继电器的驱动线圈有一定的电感,在关断瞬间可能会产生较大的电压,因此在对继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电,
(2)不同的继电器,允许的驱动电流也不一样,在电路设计时可适当加一限流电阻R,而在某些需较大驱动电流的场合,则可在光隔与继电器之间再接一级三极管以增加驱动电流,如图3所示。
4.固态继电器(SOLIDESTATERELAYS),简称SSR,利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可实现无触点无火花地接通和断开电路。
固态继电器按使用场合可以分为交流型(AC-SSR)和直流型(DC-SSR)两类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关,不能混用。
5.隔离放大器。
为完成地线隔离,将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来,这种放大器叫隔离放大器,或叫隔离器,其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。
常用的隔离放大器有AnalogDevices公司的AD277J、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等。
6.线性光电隔离放大器利用发光二极管的光反向送回输入端,正向送至输出端,从而提高了放大器的精度和线性度。
放大器的输入端和输出端是用光隔离的,所以不存在电气连接。
常见的线性光电隔离放大器有Burr-Brown公司的ISO100、3650和3652。
第6章直流电动机的驱动与控制
本章涉及的主要内容:
1.直流电动机是一种将直流电转换为机械能的装置,它的最大优点是调速性能好,可以在宽广的范围内实现无级调速;另外,它的起动转矩大,过载能力强。
直流电动机由定子和转子两大部分组成,在定子和转子之间是空气隙。
直流电动机按照励磁方式和连接方式的不同,可分为并励式、串励式、他励式、复励式和永磁式等。
机械特性是指电动机的电磁转矩与转速之间的关系。
直流他励电动机的机械特性表达式为
改变电动机电枢电压是常用的直流他励电动机的调速方法
2.基本驱动控制电路包括不可逆PWM变换器和可逆PWM变换器。
应会分析驱动电枢的电压、电流波形及二极管、晶体管的导通关断情况。
分析时应注意电动机是电感性负载,同时本身还存在反电动势以及二极管和晶体管的导通条件。
例;有制动作用的不可逆PWM变换电路
电路图如图6-1(a)所示。
在0≤t≤ton期间(ton为T1导通时间),ub1>0,T1导通;ub2<0,T2截止。
电动机电枢电压为Us,电流id沿图中所示的回路1流通。
ton≤t≤T期间,ub1<0,ub2>0,T1截止,电动机电枢通过二极管D2沿回路2续流,由于晶体管T2两端所加电压为反向电压故其不能导通。
若负载较大,到t=T时,电流id>0,则T2始终不会导通。
其电压和电流波形见图6-1(b)所示。
若负载较轻,在t=t2时,id=0,T2得以导通,反电动势E沿回路3送过反向电流-id,产生局部时间的能耗制动作用。
t=T时,T2截止,-id沿回路4经D1续流,直到t=t4时衰减到零,T1才开始导通。
电流波形如图6-1(c)所示。
3.LM3524是开关电源PWM控制集成电路,它实际上是一个电压/脉冲变换器,输入是控制电压Uct,输出是PWM变换器晶体管基极所需的脉冲信号,其脉冲宽度与Uct成正比。
4.L298芯片是一种高压(可达46V)、大电流(可达2A)的双H桥式驱动器,它可以接受标准TTL逻辑电平信号,能驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。
5.L292是一种单片功率集成电路,它的实际功能相当于一个功率互导放大器,能为电动机提供一个与输入控制电压成比例的负载电流。
对以上三种集成电路芯片应着重掌握其功能、使用场合及应用电路
第7章步进电机的驱动与控制
1.步进电机是一种电磁式增量运动执行元件,它可以将输入的电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移。
因输入的是脉冲信号,运动是断续的,又称脉冲电机或阶跃电机。
三相步进电机的工作方式:
三相步进电机一般有单三拍、六拍及双三拍等工作方式。
“单”、“双”、“拍”的意思是:
“单”指定子绕组每次切换前后只有一相通电;“双”指每次有两相定子绕组通电;“拍”指从一种通电状态转到另一种通电状态。
步进电机的工作原理及主要技术指标均比较简单,容易掌握。
2.步进电机的驱动电路包括单电压电路、双电压电路、斩波电路、调频调压电路、细分功放电路等。
对于驱动电路了解其优缺点及电路原理即可。
以单电压驱动电路为例介绍。
图7-1给出了一种最简单的单电压驱动电路。
晶体管T工作于开关状态。
当基极输入为高电平时,晶体管导通,流过绕组线圈L的电流按指数规律上升,其时间常数τ=L/r,为了减小时间常数,在步进电机绕组中串联电阻R,从而提高了工作速度。
当电流达到稳态值之后,绕组L上的电压接近为零,电压全部加在电阻R上,故稳态电流
。
图7-2为该电路中有关电压、电流的波形图。
二极管在晶体管T截止时起续流和保护作用。
优点:
电路只用一个电源,每相绕组只用一个功率元件,线路简单。
缺点:
效率低,尤其对高频工作的步进电机更为严重。
3.环形分配器的主要功能是把来自变频信号源的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端,以驱动步进电机的转动。
同时步进电机有正反转的要求,所以这种环形分配器的输出既是周期的,又是可逆的。
步进电机的环形分配器有硬件和软件两种方式。
硬件环形分配器由硬件构成,硬环形分配器的种类很多,其中比较常用的是专用的集成芯片。
如CH250、SJ、L297系列等步进电机环形分配器。
软件环分器由计算机软件来实现,通常称为软环形分配器。
对于硬件环形分配器应掌握其特点、场合及应用电路。
主要重在应用。
第8章交流电动机的驱动与控制
1.三相异步电动机的工作原理,是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
定子的旋转磁场的转速
由下式决定:
(8-1)
式中
——电源的频率;
——旋转磁场的磁极对数。
转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数。
其表达式为
(8-2)
由式8-1及8-2可得到三相异步电动机的转速表达式为
(8-3)
三相异步电动机的调速方法有:
改变极对数p;调节电源频率f;使电动机的转差率发生变化。
2.SPWM的基本思想是:
保持输出脉冲电压幅度不变,用调节脉冲的宽度和间隔实现其平均值接近正弦(同时改变U和f)。
将此脉冲电压加到电机上,所得到的电流波形接近于正弦波。
就硬件方面讲,产生SPWM控制信号的方法主要有三种:
(1)采用微处理器。
(2)采用专用大规模集成电路。
(3)采用微处理器和专用大规模集成电路相结合。
SLE4520就能产生驱动三相逆变器的SPWM三相六路信号,波形不局限于正弦调制。
SLE4520是一个可编程三相PWM集成电路,与微机配合使用,能把三路8位数字量转换成三路脉宽调制信号,形成三相SPWM波,驱动逆变桥上的六个开关器件。
2.智能功率集成电路指的是该电路至少把逻辑控制电路和功率半导体管集成在同一芯片上,通常是指输出功率大于1W的集成电路。
在这个电路上还包括过电流、过电压、超温和欠电压等保护电路,有的还将电路内部状态作为—个诊断信号输出。
应掌握交流电动机的工作原理,了解脉宽调制器SLE4520及智能功率模块R-IPM。
开放教育本科《机电接口技术》课程重难点分析
(1)
重庆电大远程教育导学中心理工导学部程德蓉
2010年11月修定
一、直流集成稳压电源及抗干扰技术
二、基本概念
1.集成稳压器
答:
就是用半导体工艺和薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元件制作在同一半导体或绝缘基片上,形成具有稳压功能的固体电路。
2.极限参数
答:
是反映集成稳压器所能承受的最大的安全工作的条件。
一般是由生产厂家通过设计和制造给予保证的可靠性参数。
主要有:
最大输入电压
,最大输出电流
,最大耗散功率
,最大瞬态功耗
,最高结温
。
3.工作参数
答:
反映了集成稳压器能够正常工作(“正常工作”是表示该器件能够达到所规定的输出精度)的范围和正常工作所必需的条件。
主要有:
输出电压范围
,输出电流范围
,最小输入-输出电压差
和最小输入电压
,最大输入-输出电压差
,最小输出电流(或泄放电流)
,静态工作电流
。
4.质量参数
答:
是反映器件基本特性的参数,它为使用者提供了选择的依据。
主要有:
电压调整率
,电流调整率
,纹波抑制比
,输出电压温度系数
,输出电压时漂(
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- 8135 机电 接口 技术 期末 复习 指导