计算机控制系统-高金源
计算机控制系统教材，自动控制原理学习可以参考，比较系统和工程计算杋在实时控制领域获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中采用计算机控制是现代化的亘要标志。计算机控制学科将涉炇计算机控制的基木理论、分析、设计与工程实现等众多方面的内容。本书是依高等学校自动化专业本科及研究生的教学要求而编写的。力图使读者通过本书的学习,除了掌握一定的计算机控制的基本理论和分析、设计方法外,对计算机控制系统的工程实现技术以及近年来工业上获得广泛应用的一些新的计算机控制技术亦有所了解。仝书除第1章外主要包括四大部分内容:①计算机控制的理论基础(包括计算机控制系统内的信号、系统的描述与分析方法等),(第2章~第4章);②计算机控制系统的经典与现代设计方法(包括连续域设计离散化方法、直接离散域设计以及W、δ域设计和状态空间的极点配置LQR设计等),(第5章、第6章);③计算机控制系统工程实现技术(包括计算机控制系统的硬什、软件、控制算法的编排、总线技术、采样周期的选用以及抗干扰与可靠性技术、设计步骤与设计实例等),(第7章、第8章);④第10章~第12章重点介绍∫现代计算机控制的一些新技术(包括可编程控制器技术、分布式讣算机控制技术、集散型计算机控制等)。考虑到许多复杂的计算机控制系统是多采样速率系统,故专门用1章(第9章)概要地介绍∫多采样速率系统的分析、设计与实现方面的问题。鉴于自动化专业的学生,在选修课中已对微机原理及接口技术有了专门的学习,故木书对有关计算机硬件系统将不予专门的介绍。学习本书的知识背景是:一般连续控制理论(或信号与系统)的基本知识以及微机原理和微机接口的基本知识。根据多年的教学经验,在学习木课程时应安排必要的简单计算机控制系统设计与实现的实验内谷,或者后续课程安排专门的计算机控制系统的系列实验课,这对于巩固学习效果、对于学生将来参加计算机控制系统开发的实际工作是很有益处的考虑到本书要兼顾作为工学或工程硕士研究生的计算机控制课的教材,选用的内容多于通常本科生教学大纲所规定的内容。教学时可以根据本科生及研究生不同的教学大纲及学时要求,适当选用不同的章节。多余章节亦可作为学习的参考。本书是本教学小组在总结近20年计算机控制教学经验以及参阅了近年来国内外有关院校的教材,并结合我们的科硏实践经验编写的。全书由高金涼教授统编并负责编写第1章和第9章;王醒华教授负责编写第2章~第5章;张平副教授负责编写第6章及5.5节;夏洁副教授负责编写第7章、第8章、第10章~第12章。全书承陈忠信研究员进行了详细的审阅,并提出了许多宝贵意见,在此表示衷心的感谢本书的岀版受到了北航教材科领导的大力攴持与帮助。责任编辑张光斌先生为本书的凸版做∫大量细致工作。在此对他们的关心与支持表示衷心的谢意由于编者的知识与经验不足,时间有限,不妥之处在所难免,期望得到读者及同学们的批评指止编者2000年5月录第1章绪论1.1计算机控制系统的组成12计算机控制系统典型应用分关·:·13关于计算机控制系统的理论与设计问题第2章讣算机控制系统的信号21计算机控制系统中信号的种类22埋想采样过程的数学描述及特性分析···鲁·1323实际采样过程的数学描述及特性分析…2424采样定理及其讨论…···2725信号的恢复与重构…2926信号的整量化习题36第3章计算机控制系统的数学描述31z变换3832扩展Z变换48差分方程34脉冲传递函数·55小题第4章计算机控制系统分析4.1稳定性分析6742稳态误差分析7743时域响应特性分析…8244系统的频域分析…87习题91第5章计算机控制系统的绎典设计方法51连续域一离散化设计9452数字PID控制器设计11253Z平面根轨迹设计11954W变换及频率域设计12755δ变换及δ域设计136题142第6章计算机控制系统的状态空间设计6.1状态空间描述14562离散系统的可控、可观性……15363状态反馈控制律的极点配置设计64状态观测器设计16565调节器设计(控制律与观测器的纽合)…l712·计算机控制系统——理论、设计与实现66计算机控制系统最优二次型设计…∴1746.7最优状态估计器与二次型最优调节器…18468其他现代数字控制方法简介186鲁··、··鲁鲁………∴89第7章计算机控制系统硬件与软件7控制用计算机系统的一般要求19272计算机系统的输入输出接口……………19873实时计算机系统的总线技术………………………20674计算机控制系统的实时软件设计……………217习题225第8章计算机控制系统工程实现中的某些冋题8』计算机控制系统中测试信号的处理22682控制算法的编排实现23083量化、溢出及其量化效应分析....…………………23484采样频峯的选取24485计算机控制系统的抗千扰及可靠性抆术24886计算机控制系统的设计与实现258与题268第9章多采样速率系统91多采样速率的配置………27092多速率系统的等效变换27193多速率系统性能分析28194多速率系统的设计方法28595多速率系统的实现·鲁287习题a:..··4·294第10章可编程控制器及应用101概述296102可编程控制器的结构和工作原理299103可编程控制器常用编程语言303104常用可编程控制器及其选用308105应用举例…习题312第11章分布式计算机控制系统111概述313112分布式计算机控制系统控制方案316113分布式计算机控制系统的硬件组成…32014分布式计算机控制系统的通讯322329第12章集散型计算机控制系统及其应用12Ⅰ集散型计算机控制系统概述…∴330122软件模块的纠态原埋………335123集散系统的可扩展性..4““4:.·.338124集散系统应用举例鲁··、··鲁鲁341习题345附录拉普拉斯变换和Z变换表参考文献第1章绪论数字计算机的出现和发展,在科学技术上引起了一场深刻的革命。数字计算机不仅在科学计算、数据处理等方面获得了广泛的应用,而且在自动控制领域也得到了越来越广泛的应用。数字计算机在自动控制中的基本应用就是直接参与控制,承担∫控制系统中控制器的任务,从而形成了计算机控制系统。它的参与对控制系统的性能、系统的结构以及控制理论等多方闻都产生了极为深刻的影响。木章简要介绍计算机控制系统的组成、工作原理以及它的特点,并着重说明计算机参与控制后给控制埋论及控制系统设计所带来的新问题l.1计算机控制系统的组成1.1.1计算机控制系统的组成图1-1为一个典型的雷达天线位置伺服控制系统。为了改善系统的特性,该系统采用了滞后ˉ超前岀联校正网络,该校正网络是利用常规的有源模拟运算放大器实现的。如果系统的恔正网络非常复杂,釆用这种模拟运算放大器的有源网终实现将是非常困难的。如果将系统中对信号的这种变换和处理利用数字计算机来实现,那么就构成了常规的计算机控制系统。M校正网络指令信号电位计反馈电位计图雷达天线位置伺服控制系统这里计算机实现了原控制系统中控制器的作用。由于数字计算机工作的特点,为了使计算机能接收系统的模拟信号,并输岀迕续的模拟信号给大线的拖动机构,所以,除∫要引入数字计算机外,还要加入其他的外部设备,如AD、DA转换器,从而形成了如图|-2所示的计算机控制系统的组成框图从图1-2可见,计算机控制系统的组成与连续模拟控制系统组成类似,是由下述几部分构成的2·计算机控制系统——理论、设计与实现MGAD计算机DA指令信号1A/D电位计1计算机系统反馈电位计图1-2天线位置计算机控制系统1.被控对象:本例为雷达天线2.执行机构:木例为直流电机叫路3.测量装置:本例为测量电位计;4.指令给定装置∴木例为天线指令发生器(指令信号电位计);5.计算机系统:包括下述主要部件。ΔD变换器,将直流模拟信号转换为断续的数字二进制信号,送入计算机DA变换器,将计算机产生的数宇指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件数字计算机(包括硬件及柑应软件),实现信号的变换处埋,按给定的算法产生相应的挖制指令。如同连续控制系统一样,讣算机控制系统亦可分为闭环控制、开环控制以及复合控制等不同的控制类型计算机控制系统主要特点和优点相对连续控制系统而言,计算机控制系统的主要特点可以归纳为以下几点系统结构特点计算机控制系统必须包括有计算机,它是一个数字式离散处理器;此外,由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,因此,还必须加入信号变换装置(如ΔD炇DA变换器)。所以,计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。若系统中各部件全为数字部件,则称为全数字式控制系统。本书主要研究混合系统。信号形式上的特点迕续系统中各氐信号均为连续模拟信号,而计算机控制系统有多种信号形式。由于计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以,它除有连续模拟信号外,还冇离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式,是一种混合信号形式系统(详细分析见第2章)系统工作方式上的特点在迕续控制系统中,控制器通常都是由不同的电路构成,并且一台控制器仅为一个控制回路服务。在计算机控制系统中,一台计算机可冋时控制多个被控量或被控对象,即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。尽管由常规仪表组成的连续控制系统巳获得了广泛的应用,并具有可靠、易维护操作等优点,但随着生产的发展、技术的进步,对自动化的要求越来越晑,这种常规连续控制系统的应用受到了极大的限制。例如,难于实现多变量复杂的控制,难于实现自适应控制等等。与连续控第1章绪论·3制系统相比,计算机控制系统除∫能完成常规连续控制系统的功能外,还表珝」如下一些独特的优点。由丁计算机的运算速度快、精度高、县冇极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力,因此,能实现复狝的控制规律,如最优控制、自适应控制及自学习等,从而可达到较高的控制质量。计算机控制系统的功能价格比值高。尽管一台计算机最初投资较大,但增加一个控制回路的费用却很少。对亍连续系统,模拟硬件的成木几乎和控制规律复杂程度、控制回路多少成正比;而计算机控制系统中的一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路,因此,它的功能价格比值较高。由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的,并且计算机其有强大的记忆和判断功能,所以,极易实蚬工作状态的转换,实现不同的控制功能,因此,它的适应性强,灵活性高。此外,计算机是一种可编程的智能元件,易丁修改系统功能和特性,构成∫一种柔性(弹性)系统。随着徵电子技术的发展,大规模集成电路的出现,计算机体积减小,重量轻、成木下降。与连续控制系统相比,计算机控制系统也有一些缺氐与不足。例如,抗干扰能力较低,特别是由于系统中插入数字部件,信号复杂,给设计实现带来一定困难。但全面比较起来,随着对自动控制系统功能要求的不断提高,计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。现代的控制系统不管是筲单的,还是复杂的,几乎都是采用计算机进行控制的。12计算机控制系统典型应用分类根据应用特点及控制目的和系统构成的不同,计算机控制系统在工业中的典型应用大致可分为下述几类。21数据采集处理系统数据采集处理系统结构如图Ⅰˉ3所示。严格说,这种系统不属于计算机控制,计算机并不直接参与控制。这种系统的主要作用是信号测试模拟量输入显示被控对象计算打印机数字量输入告警图1-3数据采集处理系统结构生产过程的集中监视计算机对生产过程(被监视对象)的不同变量参数进行巡回检测,并将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来,实现对生产过程的4·计算机控制系统——理论、设计与实现集中监视操作指导计算机对采集到的数据进行分析处理,并给出对生产过程控制的建议,由过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制122直接数字控制系统(DDC系统)直接数字控制系统结构如图Ⅰ-4所示。计算杋通过输入通道进行实时数捃采集,并按已给定的控制规律进行实吋决策,产生控制指令,通过输岀通道,对生产过程(被控对象)实直接控制。这种控制方式是应用最普遍的一种方式。由于这种系统中的计算机直接参与生产过桯的控制,所以,要求实时性好、可靠性高和环境适应性强。本书主要硏究这种系统的设计与实现问题。信号测试}模拟、数字量输入显示被控对象打印机执行部件模拟、数字量输出操纵台图1-4直接数字控制系统结构123监督计算机控制系统(SCC系统)监督计算杋控制系统结构如图1-5所示。该系统是2级计算柷控制。其中直接数字控制完成生产过程的直接控制;而监督计算机则根据生产过程工况和已知的数学模型,进行优化分析,产生最优设定值,作为直接数字控制的指令信号,由直接数字控制系统执行。监督计算机由亍承担上一级控制与管理任务,要求其数据处理功能强,存储容量大等控制DDdSCC工业数据被控对象测量计算机系统计算机系统品示打印状态信息记录图1-5监督计算机控制系统结构124分散型计算机控制系统(DCS)随着工业生产过程规模的扩大和综合管理与控制要求的提高,人们开始应用以多台计算机为基础的分散型控制系统,如图1-6所示。该系统采用分散控制原理、集中操作、分级管理与控制和综合协调的设计原则,把系统从上而下分成生产管理级、控制管理级和过程控制级等,形成分布式控制。各级之间通过数据传输总线及网终相互连接起来。系统中的过程控制级完成过程的检测任务。控制管理级通过协调过程控制器工作,实现生产过程的动态优化。
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数字万用表的设计
一个很不错数字万用表设计，内有详细的电路设计及介绍。流电阻或其他电参量的仪表,其功能可以任意组合并以十进制数字显示被测量结果,应用十分广泛,在传统的电工和电子测量中广泛使用的模拟测量仪虽然具有观察着可以自接看出表针偏转了多个格或满刻度的白分之儿等优点,但要对读数加以换算或说明尤其是不可避免的带来人为视差,不同的观察者可得出不同的结果,数字万用表则不同,他可以直接将测量结果用数字显示出来。数字万用表具有10大特点显示清晰直观,读数准确:为了提高观察的清晰度,新型手持式数字万用表(HDMM)已普遍用字高为26mm(约Lin)的大屏幕LCD(液晶显示器)。有些数字万用表还增加∫背光源,以便于夜间观察读数。为∫提高显示亮度,台式数字万用表大多选用LED数码管或数码管(VFD)。新型数字万用表还增加了标识符显示功能,包括测量项目符号(例如AC、DC、hFF、IOΩ2、IO(iIC、MFM),单位符号(例如mV、V、kV、μA、mA、A、g、k2、M2、nS、H、k、MHz、pF、n、、℃、),特殊符号(如低电压指示符号OBAT”、读数倮持符号“HOID¨或“DH、峰值保持符号“ PEAK HOLD或PH、自动量程符号AUIO、10倍乘符号“*10”、峰鸣器符号等)。有些数字万用表还在液晶显示器的小数点下面设置了量程标识符,例如当小数点下边显示200时,就表明所对应的量程为200,依次类推。为解决数字万用表不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题,一种“数字模拟条图仪表也以问世。这里讲的模拟条图有双重含义:第一,被测量为连续变化的模拟量:第二,利用条图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辩率模拟条图显示集于一身,兼有数字万用表与指针万用表之优点,为用效字万用表完仝取代指针万用表创造了条件。智能数字万用表带微处理器与标准接口,可配计算机和打印机进行数据处理或自动打印,构成完整的测试系统。显示位数:字万用表的显示位数通常为312位~812位。具体讲,有31/2位、323位、334位、412位、43/4位、51/2位、612位、71/2位、812位供9种。判定数字万用表的位教有内条原则:第一,能显示从09所有数字的位是整数值;第二,分数位的数值是以最大显示值中最高位的数字为分子,用满量程时最高位的薮字作分母。例如某数字万用表的最大显示值为±1999,满量程计数值为200,这表明该仪表有3个整数位,而分数值的分子为1,分母是2,故称之为31/2位,读作三位半,其最高位只能显示0或1。需要指出的是,目前冇些新型能数字万用表的显示位数比较特殊。例如,VC8145型台式智能数字万用表的满量程值为33000,Ms8050型台式智能数字万用表的满量程值为53000,就很难将其归入哪一种显示位数。这中情况下,通常只给出满量程值。312位数字万用表设计准确度高:确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度,也反映了测量误差的大小,真确度愈高,测量误差愈小。测量的绝对误差有以下三种表达式:△U士(a%RDG+b%KS)1-1)AU=士(a%RDG+(1-2)△U=士(a%RDG+b%S+n)式(1-1)中,RDG为读书值(即显示值),FS表示满量程值。拈号中第1项代表AD转换器和功能转换器(例如分压器)的综合误差,第2项是数字化处理所带来的误差。式(1-2)中,n是量化误差反映在末位数字上的变化量。若把n个字的误差折合成满量程的百分数,则变成式(1-1)。因此,上述二式是完全等价的。式(1-3)比较特殊,第三项通常表示由指针万用表,例如312位、412位数字万用表的准确度分别可达±0.3%、±0.05%1.14分辨力高数字万用表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值,称作仪表的分辨力,它反映了仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。例如312位、412位、81/2位数字万用表的最高分辨力分别为100μV、10μVlnV。数字万用表的分辨力指标亦可用分辨率来袤示。分辨是指所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比。例如,31/2位数字万用表的分辨率为1/19990.05%。测试功能强:字万月表不仅可以测量官流电压(DCⅴ)、交流电压(ACV)、直流电流(DCA)、交流电流(ACA、电阻(g)、二极管正向压降(UF)、晶体管共发射极电流放大系数(hF),还能测量电容(C)、电导(G)、温度(T)和频率(f),而且利用峰鸣器挡(BZ)还可检查线路的通断。VC9850A+、VC9808、MS820H型数字万用表增加了电感挡。有的仪表还有信号发生器挡及AC/DC自动转换功能。新型数字万用表大多增加了下述测试功能:读书保持(HOLD)、逻辑( LOGIO)测试、真有效值(TRMS)测量、相对值(REL〕测量、自动关机( AUTO OFF POWER)、当电流挡拔错位置时的声音告警等。国产VC90型数字万用表具有语音报数功能。MS8209型五合一数字万用表,还可以测量站空比(测量范围是0.1%~999%,误差为±3.0%)、温度(测量范围是-20~400℃C或-20~-1000℃,误差为±3.0%)、相对湿度(测量范围是30%-95%,误差为±5.0%)、照度(测量范围是4000~40000x,误差为±5.0%)及噪卢(测量范围是35~10UB)。VC9808A+增加了2000M超高阻挡,VC8145A还能测量功率电平。最新丌发的33/4位~412位智能数字万用表,将高性能与低成本集于一身,大多具有下述功能:液晶条图显示( LCD Baryaph),多重显示,测量最小偵/最大值,峰值保持:数据储存,复位,数据输出,设定测量范围的上、下限,软件自动校准,快速测量等。国产MS9803R型智能数字万用表采用光电隔离的RS232C接口,还配有 PC Windows视窗软件,能在PC上记录数据及输出图表。利用MS9803R所提供的 DMM VIEW Version2软件,将MS9803R拔至直流200m挡,并通过RS-232C接口连到PC上,实测某一缓慢变化的直流电压。测量范围宽:41/2位手持式多功能数字万用表为例,其测量范围一般为:DCV(001mV~1000V),ACV(0.01mV~700V或750V),DCA(0.1A~20A), ACA DCA(1A~20A),g2(0.0192-20Mg,少数仪表可达200M92,甚至扩展到2000192),电导(0.1nS~100nS),电容(0.1pF~20pF),电感(1H~20H),频率(10Hz-20kHz,部分仪表可达200kHz,甚至扩展到10MHz),二极管正向压降UF(0~2V),晶休管电流放大系数Hf(0-1000),可满足常规电了测量的需要。智能数字万用表的测量范围更宽。测量速率快:字万用表在每秒钟内对被测电压的测量速率,单位是“次/秒”。它主要取决于AD转换器的转换速率。有的手持式数字万用表用测量周期来表示测量的快慢。完成次测量过程所需要的时间叫测量周期。显见,测量速率愈高,测量周期就愈短,二者呈倒数关系。312位数字万用表的测量速率一般为2~5次秒,多数仪表为2~3次秒。41/2位数字万用表可达20次/秒。5/2位~71/2位数字万用表一般为几十次/秒以上,有的能达到几百甚至上千次秒。H3458A型81/2位DMM工作在41/2位方式下的最高测量速率可达10万次秒,在81/2位、51/2位方式下分别为6次秒、5万次秒。测量速率与准确度指标存在矛盾,通常是准确度愈高,测量速率愈低,二者难以兼顾。解这一矛盾有两种方法:一种是增设快速测量挡,专配测量速率交快的AD转挨器;另一种方法是通过降低显示位数来大幅度提高测量速率,此法目前应用的比较普遍,可满足不同用户对测量速率的需要时。输入阻抗髙:字万用表电压挡具有很高的输入阻抗,通常为10-10000MQ,从被测量电路上吸取的电流极小,不会影响被测信号源的工作状态,能减小由信号源内阻引起的测量误差。集成度高,微功耗:持式数字万用表采用单片AD转换器,外围电路比较简单,只要少量铺助芯片和外围元件。近年来各种单片数宇万用表专用芯片竟相问世,使用片IC即可构成功能比较完善的自动量程式数字万用表,为简化设计和降低成本创造了有利条件。新型数字万用表普遍釆用CMOS大规模集成电路的AD转换器,整机功耗很低。31/2312位数字万用表设计位、41门2位手持式数字万用表的整机功耗仅几十亳瓦,可用9V叠层电池供电。51/2位~812位数字万用表的总功耗一般也只有十至几十瓦。侏护功能完善,抗干扰功能强:字万用表具有比较完善的保护电路,过载能力强,新型数字万用表还增加了高压保护器件,能防止浪用电压。使用时只要不超过规定的极限指标,即使出现误操作(例如用电阻挡去测量220V交流电压),一般也不会损坏仪表内部的大规模集成电路。当然应力求避免误操作,以免因外围元件〔如熔丝管、量程开关)损坏而影响正常使用。必须指出,仼何保护电路都不可能做到万无一失。换言之,倘若保护保护电路发生故障,仪表就失去的保护屏障。51/2位以下的数字万月表大多采用积分式AD转换器,其串模抑制比(SMR)共模抑制比(CMR)分别可达100dB、80~120dB。高档数字万用表还采用数字滤波、浮地、双重屏蔽等先进技术,进一步提高了抗干扰能力,CMR可达180dB数字万用表应用于国防、科研、工厂、学校、计量测试等技术领域,并随着技术的发展,其性能不断提高。13论文设计的主要工作本次设计通过相关资料的收集及对数字万用表工作原理分析列出总体思路,采用ICL7106型多功能低功耗单片31/2位AD转换器,选择双积分AD转换方式,设计出交流电压测量电路、直流电流测量电路、电阻测量电路、电导测量电路、频窣测量电路、电容测量电路等。研究其每个参量的测量方法及功能实现。它主要的核心是通过AD转换来实现的,通过对测量电路的原理分析设计,实现交直流电压、直流电流、电阻、电容、晶体管等测量。此次设计的31/2位教字万用表显示清晰直观、读数准确,分辨力高、测试能力强、微功耗、外围电路简单、价格便宜、成本低等优点。2312位数字万用表的结构设计2.131/2位数字万用表基本构成数字万用表的基本构成如图2-1所示。仪表的心脏是单片AD转换器,典型产品有ICL7106、ICL7136型31/位单片A①转换器。外围电路主要包括功能转换器、测量项目及量程选择开关、LCD(或LED显示器)。此外还有蜂鸣器震荡电路、驱动电路、检测线路通断电路、低电压指示电路、小数点标识符、驱动电路。LU转换器LCD(LED)功能ACDC量程选择AD转换器数字电路诜择转换器Q/U转换器www.dola.com图2-1数字万用表基本构成Fig 2-1 The basic component of ordinary digital multimeter2,2功能转换器的介绍及基本工作原理尽管数字万用表的型号繁多,整机电路也各有差异,但其基本测量原理大致相同。下面介绍数字万用表最常用的几种功能转换器的电路工作原理,对于本次数字万用表设计原理与应用具有重要的意义22.1线性ACDC转换器数字万用表的交流/直流(ACDC)转换器分平均值响应的AC/DC转换器、真有效值/直流( TRMS/DO)转换器两种平均值响应的线性ACDC转换器是由运算放大器和二极管组成的半波(或全波)线312位数字万用表设计性整流电路。它具有线性好、准确度髙、电路简单、成本低廉等优点。由于它是按照正弦波平均值与有效值的关系而定的,因此所构成的仪表只适用于测量不失真的止弦波电压线性全波整流式ACDC转换器的电路图如22所。交流电压满量程为200mV(有效值)现利用单运放TI61(IC1)与二极管T、D2组成平均值响应的线性整流电路,能消除二极管在小信号整流时所引起的非线性电压,使输出的平均值电压U与ACDC转换器的输入电压UN(有效值)呈线行关系,适合测量40~400Hz的正弦波,测量准确度优于1%。当频率超过400H时,测量误差会增大。电路中的R是T061同相输入端电阻。R2与R3为负反馈电阻,可将IC接成同相放大器。C1、C2为隔直电容TH(UM=20m)10OkC1L, NL01 47uU o R7 1MIN+160.02217106UD2 ILCD. 8K00k3K32RPCOM1D3R6200187K图22 AC/DC转换器的电路comFig 2-2 The circuit of the AC/DC Converters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沆输出波形如图23所示。正半周时电压放大倍数K>222(半波整流时正弦波的有效值与平均值的关系为UR=2.22U0);负半周时Kr=1,它相当于电压跟随器。具体讲,在正半周时v1导通,D2截止,IC1输出电流的途径是C1→VD1→R4→R6一RP→COM(地),并终过R3对C3充电。此时式中R电位器RP的电阻值。将R4=3k2,、R6=1,87k2、R2p=0~2002代入上试得到K=2.6~245>2.22。负半周时,VD2导通,V1截止,电流途径变成COM→RP→R6→D2→C1→C1,此时K=1。由R和IClRI[C1o UoR4VD?图2-3等效电路及输出波形Fig 2-3 Equivalent circuit and the output waveformC组成的平滑滤波器可滤除交流纹波,高频千扰信号则被由R、C构成的高频滤波器所滤掉,从而获得了稳定的平均值电压,再通过312位单片AD转换器IC2(ICL7106)完成数/模转换,驱动LCD显示出测试结果。图2-2中的阴影区表示连接AD转换器与LCD的导电橡胶条。该电路能消除整流管的非线性误差。RP是校准交流电压的电位器,调整RP可使仪表直接显示出被测电压的有效值。C是运放IC的频率补偿电容。R2和C4还向VD2提供偏压,以减小TL061对小信号放大时的波形失真。TL061的电源亦可取自9V电源。上述ACDC转换器适配各种31/2~412位单片AD转换器,并可将LCD改成LED显示器。设计交流电压挡(ACV)时,还应在ACDC转换器的输入端接上如图22中所示的精密电阻分压器R1~R222简易平均值AC①C转换器简易平均值ACDC转换器的电路图2-4所示。由于该电路末使用运算放大器及电位器,因此电路简单,不需要调整。两个ACV挡分别为200V、750V(RMS)。VD为整流管,VD2为保护二极管。R1为输入端电阻,仪表输入阻抗∠≈R=R1+R2+R32=4.51M。C1为隔育电容。正半周时四导通,VD2截止,做半波整流;负半周时T1截止,四D2导通,由VD2给电流提供泻放回路。整流后的脉动直流经C2滤波,获得平均值电压Uo。R2和R3为滤波器312位数字万用表设计负载,兼作750V拦的分压器,可将U再衰减10倍。ACⅤ挡的测量准确度可达±1.2%~士15%,误差略高于线性整流电路。D和V2应采用N4004型1A400ⅴ的硅整流管,以便承受较高的反向电压。对半波整流而言,正弦波电压平均值与有效值的关系为U=045Uw。巧妙地利用电阻分压器可使仪表直接显示被测电压有效值。不难验证,对于200V挡,若UN=2000V(RMS),则Jl=0.45U/m=0.45×200.0V=90V10×103=0R2+R3=90My200. 0mvR1+R2+R24.51×10°1 CI VDI200VIN+4.5M0.1μR27106750VU.F200mACvLCDVD2本Tc2IN4004Ou hR30.022COMO1KCOM图24简易平均值ACDC转换器电路Fig, 2-4 The circuit of simple average of ac/ dc converterarm对于750V挡,若U,=750V(RMS),则R1×10U=0.45U,m337,5mⅤ=75.0mVR,+rtr4.5×10只要改变小数电位置,即可使750V挡直接显示出U值。具体方法是去掉小数点后仍用200mV基本表测量U,并将显示单位取V,这样就把75.0mV变换成750V。223IU转换器数字万用表的直流电流挡(DCA)一殷设置4挡:2nA、20mA、200mA、20A,IU转换器的电路图2-5所示。其中20A挡专用个输入插孔。被测电流经过分流器可转换成电压信号。分流器由R~R组成,总电阻为100g2。其中,R1和R2采用精密金属膜电阻,R3
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