1、電子電路基礎(chǔ)知識(shí),曹珍貫 （副教授） 安徽理工大學(xué),主要內(nèi)容,1.運(yùn)算放大器的基本知識(shí) 2.紅外瓦斯傳感器電路圖分析 3.傳統(tǒng)9701探頭電路圖分析 4.瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題探討 5. 隔爆與本安的基礎(chǔ)知識(shí),1、運(yùn)算放大器的基本知識(shí),集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。 集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。 集成電路的分類(lèi)：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 1. 電路元件制作在一個(gè)芯片上，溫度均一性好。 2. 電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成精度低。 3. 幾十 pF 以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)

2、成、大電容要外接。 4. 二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。 常用集成電路有：CPU芯片、接口芯片、信號(hào)處理芯片、電源芯片等。,1.1 運(yùn)算放大器,集成運(yùn)放：就是用集成電路工藝制造的一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路，給它配以適當(dāng)?shù)妮斎刖W(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，便可以完成信號(hào)的運(yùn)算、處理和變換，以及各種波形的產(chǎn)生等功能。,理想運(yùn)放的特點(diǎn)：理想運(yùn)放具有無(wú)窮大的電壓增益、無(wú)窮大的輸入電阻（開(kāi)路），所以不取用信號(hào)源電流。它的輸出電阻為零。它的輸入電流為零。 實(shí)際的運(yùn)放具有高電壓增益、高輸入電阻、低輸入電流和低輸出電阻的特性。,1.2運(yùn)放參數(shù),運(yùn)放的參數(shù)用來(lái)說(shuō)明運(yùn)放的性能和提供不同運(yùn)放的比較。開(kāi)環(huán)電壓增益、

3、CMRR和轉(zhuǎn)換速率是三個(gè)重要的參數(shù)。其他參數(shù)還有輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入/輸出電阻、共模輸入電壓范圍等。,輸入失調(diào)電壓： 理想運(yùn)放在輸入為零時(shí)，輸出也為零。,但在實(shí)際運(yùn)放中，在沒(méi)有加入差模輸入電壓時(shí)，輸出端會(huì)有一個(gè)小的直流電壓VOUT（error） 輸入失調(diào)電壓（Vos）是迫使輸出為0時(shí)，需加在輸入端的差模直流電壓。輸入失調(diào)電壓的典型值在小于2mV的范圍內(nèi)。理想情況下為0V。,輸入偏置電流：輸入偏置電流是使運(yùn)算放大器正常工作時(shí)放大器的輸入所需的直流電流。根據(jù)定義，輸入偏置電流時(shí)兩個(gè)輸入電流的平均值。 共模輸入電壓范圍： 所有運(yùn)放都有工作電壓范圍的限制。 共模輸入電壓范圍是指加到兩個(gè)輸入

4、端并不引起削頂或其他輸出失真的輸入電壓的范圍。 許多運(yùn)放在電源為15V時(shí)，共模范圍不超過(guò)10V。也有輸出和電源電壓一樣高的情況。 運(yùn)放的共模抑制比: 共模抑制比（common-mode rejection ratio，CMRR） 運(yùn)放的CMRR是衡量運(yùn)放抑制共模信號(hào)能力的參數(shù)。 差模輸入是指在兩個(gè)輸入端加入極性相反（反相）的兩個(gè)信號(hào)。 共模輸入是指在兩個(gè)輸入端加上完全相同的兩個(gè)信號(hào)。,共模抑制比的意義 CMRR無(wú)窮大表示相同信號(hào)加在兩個(gè)輸入端（共模）時(shí)，輸出為零。 實(shí)際上，CMRR不可能達(dá)到無(wú)窮大，但性能較好的運(yùn)放會(huì)有非常高的CMRR。 共模信號(hào)就是不想要的干擾電壓，如60Hz電源的脈動(dòng)成分、

5、由于能量輻射所產(chǎn)生的噪聲電壓等，較高的CMRR會(huì)使運(yùn)放幾乎完全消除這些干擾信號(hào)對(duì)輸出的影響。,運(yùn)放參數(shù)總結(jié),輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入電阻 輸出電阻 共模輸入電壓范圍 開(kāi)環(huán)電壓增益 運(yùn)放的共模抑制比 轉(zhuǎn)換速率 頻率響應(yīng),1.3 常用運(yùn)放電路,i1= i2,1. 放大倍數(shù),虛短路,虛開(kāi)路,一、反相比例運(yùn)算電路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。,虛開(kāi)路,2. 電路的輸入電阻,ri=R1,RP =R1 / R2,uo,為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。,二、同相比例運(yùn)算電路,u-= u+= ui,虛

6、短路,虛開(kāi)路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。,虛開(kāi)路,此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,三、電壓跟隨器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。,四、反相求和運(yùn)算(加法器),實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。,例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?+5V

7、。,uo = 0.5ui+2.5 V,uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,五、三運(yùn)放電路,虛短路：,虛開(kāi)路：,(4-19),三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。 由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。,例：由三運(yùn)放放大器組成的溫度測(cè)量電路。,Rt ：熱敏電阻,集成化:儀表放大器,Rt=f (TC),2.紅外瓦斯傳感器電路分析,2.1 紅外瓦斯傳感器的主要工作原理 紅外氣體檢測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)不同氣體在不同濃度下對(duì)紅外光譜的吸收率不一樣。傳感頭由光源、采樣氣室、活動(dòng)通道熱電檢測(cè)頭和參考通道熱電檢測(cè)頭組成。熱電檢測(cè)頭產(chǎn)生的信號(hào)依賴于氣體吸收紅外光譜后入射輻射的變化。,

8、活動(dòng)探測(cè)頭給出了由目標(biāo)氣體濃度所影響的入射輻射量,參考探頭給出了不受目標(biāo)氣體濃度影響的入射輻射量,兩個(gè)探頭輸出信號(hào)峰峰值的比值與氣體濃度相關(guān)。,傳感器選用英國(guó)E2V公司生產(chǎn)的IR12BD,采用的是雙探測(cè)器、單光源、雙光路、折疊式氣室, 使用一個(gè)合適的紅外光源,根據(jù)不同的氣體在不同的濃度下對(duì)紅外光譜的吸收率不同來(lái)檢測(cè)目標(biāo)氣體的存在和濃度。其光源由鎢絲產(chǎn)生，鎢絲通電后發(fā)出紅外光,經(jīng)過(guò)2個(gè)濾光片分別濾出3.9m和3.39m的參比光和測(cè)量光。,2.2 IR12BD探頭驅(qū)動(dòng)電路,2.3 IR12BD探頭電壓采集電路,傳感器輸出的是雙路微弱正弦交流信號(hào),峰峰值為mV級(jí),需進(jìn)行信號(hào)調(diào)理才能送入單片機(jī)檢測(cè)。一

9、路輸出的信號(hào)調(diào)理電路如圖所示。,2.4 計(jì)算瓦斯?jié)舛?吸收系數(shù)： Fa=1-S1/(R-S2)，S1和S2分別是測(cè)量端探測(cè)器和參考端探測(cè)器輸出信號(hào)的峰峰值； R=S1/S2 ，式中 和 分別是S1和S2在沒(méi)有特定氣體下的數(shù)值。R采用信號(hào)的峰峰值之比是因?yàn)樵谧畲笾岛妥钚≈堤?，信?hào)的變化率最小，所得結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)大的誤差，最為可靠。,2.5 紅外瓦斯傳感器其他基本電路,遙控接受電路,顯示電路 頻率輸出電路,3.傳統(tǒng)9701探頭電路圖分析,3.1 數(shù)據(jù)采集電路 A/D轉(zhuǎn)換部分主要由集成電路TC7109以及黑白元件構(gòu)成的惠斯登電橋組成。 由黑白元件r1、r2、R24、R25、P1組成惠斯登電橋。當(dāng)無(wú)瓦斯

10、時(shí)，橋路平衡，輸出為0；當(dāng)有瓦斯時(shí)，進(jìn)入黑元件的反應(yīng)室內(nèi)瓦斯就會(huì)無(wú)焰燃燒。瓦斯?jié)舛仍礁?，燃燒的溫度越高，黑元件（用鉑金絲繞制而成）阻值就越大，橋路失去平衡（白元件不參加反應(yīng)）。,A/D轉(zhuǎn)換電路,3.2 瓦斯傳感器可能誤差原因分析,惠斯登橋電路的供電電壓V2（3V左右）不夠穩(wěn)定，精度不夠高。 橋臂電阻溫度特性差，電位計(jì)精度要求高。 傳感器的A/D采集，軟件濾波存在缺陷。 輸出頻率信號(hào)的分辨率不夠高。,4、瓦斯傳感器遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題探討,目前瓦斯傳感器與分站的傳輸距離最多為2KM，若超過(guò)此距離，通訊雖然正常，但數(shù)據(jù)不可靠，顯示值對(duì)實(shí)際值不一至。 主要原因分析如下： 1）供電電纜長(zhǎng)度達(dá)到2KM以

11、上時(shí)，電壓下降如15V以下，傳感器內(nèi)運(yùn)放電路輸出的失真，造成傳感器工作不正常。 2）頻率信號(hào)也隨著通信距離的增加，信號(hào)幅度衰減，造成頻率信號(hào)的帶載能力不足，造成分站對(duì)頻率信號(hào)的周期采集有誤，使傳感器的采集值失真。,具體解決辦法,1) 在不改變現(xiàn)有線路的基礎(chǔ)上，加大供電電纜的線徑，從原有的1.5mm增加到3mm，提高通信距離，理論上可使數(shù)據(jù)傳輸距離增倍。 2) 在傳感器的接線過(guò)程中，避免使用接線盒，用一根電纜來(lái)連接。 3) 3.3mm的電纜對(duì)傳感器有效供電距離4km，信號(hào)返回為2.5KM,3.3mm電纜對(duì)分站的供電有效距離為1.5KM，可改變分站、電源、傳感器的布局，其供電圖如下：,4) 合理布

12、置分站與傳感器； 5) 在現(xiàn)有的傳感器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)傳感器中繼器，主要實(shí)現(xiàn)將電源電壓抬升、信號(hào)轉(zhuǎn)換。 6) 促進(jìn)傳感器廠家改進(jìn)傳感器的內(nèi)部電路原理： 使傳感器的工作電壓范圍變寬，可以在低電壓方式下運(yùn)行，提高信號(hào)帶載能力； 在傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電壓的提升。,5、隔爆與本安的相關(guān)概念,隔爆(Ex d)技術(shù)是用一個(gè)殼體把電器元件裝起來(lái), 電器元件成為點(diǎn)燃源引起爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體, 通過(guò)外殼的間隙(隔爆間隙)減溫減壓排向外界. 減溫減壓過(guò)的氣體就不足以引起殼體外界的爆炸了. 因此, 隔爆是指把爆炸的能量隔絕在腔體內(nèi)部, 而不是隔絕腔體外的爆炸危險(xiǎn)氣體, 澆封才是隔絕外部爆炸性氣體. 本安(Ex ia/i

13、b)技術(shù)一般應(yīng)用在儀表上, 通過(guò)限制電氣回路中的能量并配合電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 使得在正常和事故工況下回路中都不可能產(chǎn)生達(dá)到點(diǎn)燃源要求的點(diǎn). 本安技術(shù)一般是成套使用的, 要在安全區(qū)設(shè)置安全柵, 安全柵后面的回路均為本安設(shè)備. 本安電路的卡件端子電纜塑料戈蘭都要用淡藍(lán)色標(biāo)識(shí). 隔爆兼本安：指該設(shè)備內(nèi)部電路有本安電路和非本安電路，兩者分腔體存放，設(shè)備殼體是隔爆型的，但其中的本安電路輸出信號(hào)是本安的。,首先，在分析和評(píng)價(jià)本質(zhì)安全型電氣設(shè)備和電路時(shí), 人們應(yīng)該遵守本安要求的基本原則, 認(rèn)真核查設(shè)備和電路的機(jī)械結(jié)構(gòu), 仔細(xì)分析電路的電氣性能, 從而確認(rèn)電氣設(shè)備的防爆安全性能。 其次，在核查設(shè)備和電路的機(jī)

14、械結(jié)構(gòu)時(shí), 人們主要是檢查電路的隔離、電氣間隙、爬電距離、各種間距、外殼防護(hù)等級(jí), 以及導(dǎo)線的線徑、印制導(dǎo)線的寬度( 包括復(fù)銅箔的厚度) 、可靠元器件的結(jié)構(gòu)( 和額定值) 、可靠連接的連接點(diǎn)等等。 再者，在分析電路的電氣性能時(shí), 主要是確認(rèn)核查電路中元器件的額定值和可能發(fā)生故障的性質(zhì)( 計(jì)數(shù)故障或非計(jì)數(shù)故障) , 并根據(jù)保護(hù)水平( ia級(jí)、ib 級(jí)和ic 級(jí)) 來(lái)計(jì)算電路中相關(guān)部分的電流、電壓或電容值、電感值, 隨之在施加必要的安全系數(shù), 來(lái)核查電路所具有的安全火花性能。 此外, 在分析電路的電氣性能時(shí), 還應(yīng)該計(jì)算( 或者測(cè)試) 有關(guān)功率元器件的表面溫度, 以確定是否符合相應(yīng)溫度組別的溫度值

15、。,本質(zhì)安全電路評(píng)定的基本方法,本質(zhì)安全電路分析實(shí)例,由電源變壓器、橋式整流環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器( IC1) 、安全柵和一個(gè)“”型LC 濾波環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器( IC2) 組成。 其中, 電源變壓器、橋式整流環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器( IC1) 、安全柵被放置在隔爆型電氣設(shè)備的隔爆外殼內(nèi)。,電源部分 電源部分由電源變壓器(T) 將市電220 V 降至24 V, 經(jīng)橋式整流環(huán)節(jié)整流, 濾波, 并穩(wěn)壓后供給安全柵的非本質(zhì)安全端。這一部分被放置在隔爆外殼內(nèi)。由于電源變壓器符合GB 3836. 4 2010 的相應(yīng)要求, 所以它是可靠組件。 對(duì)于本質(zhì)安全電路來(lái)說(shuō), 施加在電源變壓器原邊可能的最高電壓(Um) 為25

16、0 V。,關(guān)聯(lián)設(shè)備部分 安全柵作為關(guān)聯(lián)設(shè)備, 在電路中起到 隔離能量的作用,安全柵也被放置在隔爆外殼內(nèi)。由于安全柵符合GB 3836. 4 2010 的相應(yīng)要求, 所以它是可靠組件。 在這個(gè)電路中, 安全柵可能承受的最高電壓(Um) , 即施加在安全柵非本質(zhì)安全端子上而不會(huì)使本質(zhì)安全性能失效的最高電壓, 應(yīng)該是電源變壓器原邊可能承受的最高電壓, 通常按250 V 計(jì)。 安全柵的額定值為最高輸出電壓U0 = 28 V;最大輸出電流I 0= 93 mA。從GB 3836. 4 2010 圖A1 中可以查到, 對(duì)于IIC 級(jí)電阻性電路, 當(dāng)電壓U= 28 V 時(shí), 相對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流為I = 18

17、0 mA。 當(dāng)取1. 5 倍安全系數(shù)時(shí), 則修正后的最小點(diǎn)燃電流: I = 180 mA/ 1. 5 = 120 mA 這個(gè)電流依然大于安全柵的最大輸出電流 Io= 93 mA 由此可見(jiàn), 安全柵本質(zhì)安全端的輸出滿足電路的本質(zhì)安全性能。,負(fù)載部分 這里所謂的負(fù)載是指安全柵輸出端, 即本質(zhì)安全端子以后的部分, 包括濾波環(huán)節(jié)、集成穩(wěn)壓器( IC2) 和負(fù)載( R) 。 ( 1) 確定電路的最不利條件 在這部分電路中, 電感器L1 和L2 的電感值均為1. 5 mH( 最大) ; 電容器C3、C4 和C5 的電容值均為0. 01F( 最大) ; 電阻器R2 為可靠限流元件, 電阻值為250 ( 最小

18、) 。這些數(shù)值均被認(rèn)為是電路的最不利條件。 ( 2) 確定故障條件下的安全火花性能 施加故障1: 假定集成穩(wěn)壓器( IC2) 損壞而對(duì)地短路集成穩(wěn)壓器不是可靠組件, 而且也不符合GB3836. 4 2010 的要求。因而, 假設(shè)集成穩(wěn)壓器( IC2) 損壞而對(duì)地短路, 則這個(gè)故障是一個(gè)非計(jì)數(shù)故障。,這時(shí), 由于電阻器R2 的限流作用, 使得流過(guò)電感器L1 和L2 的最大可能電流為: Imax= 28 V/ 250 =112 mA 當(dāng)對(duì)這個(gè)電流施加1. 5 倍安全系數(shù)時(shí), 則流過(guò)電感器的修正最大可能電流為: I max.0= 112 mA /1. 5 = 168 mA 從GB 3836. 4 2010 圖A6 中可以查出, 當(dāng)電感值為3 mH 時(shí), 相對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流為180 mA。而此時(shí)流過(guò)電感器的修正最大可能電流為168 mA, 小于最小點(diǎn)燃電流( 180 mA) 。 因而, 在這種故障情況下, 電路也是符合本質(zhì)安全性能要求的。,施加故障2: 假設(shè)導(dǎo)線連接等發(fā)生短路 在電路的本質(zhì)安全部分中, 假設(shè)導(dǎo)線連接( 包括印制導(dǎo)線) 、電氣間隙、爬電距離等發(fā)生了短路故障