第一章 项目背景
项目名称:智能空气净化通风系统
功能:当空气有一定的污染时,打开净化系统开始进行空气净化和杀菌处理,经过一段时间处理后,当空气中空气经过净化且重回健康后,关闭净化系统。
第二章 项目条件
1.气味传感器:对空气进行检测,并转换成电压信号。
2.传感器产生的电压信号是一个微小的电压信号,不好进行控制,因此需要对这个电压信号进行放大处理,用放大后的电压信号控制机器的开和关。(运算放大器,有运算的部分在其中,包括幅度变化,相位变化)
3.比较器:用来比较传感器产生的电压信号与阈值电压
4.需要15V 2A直流有刷马达。(根据所需风量来定)
5.MOS管产生开关信号,2A对三极管来说电流很大,因此选用MOS管。
6.电源系统由外部适配器提供:15VDC 3A
第三章 项目实现
第一节 涉及知识点
1.1 三级管的放大作用
1.1.1 原理
之前我们应用的都是三极管的开关作用,也就是让三极管的b级流过大于1mA的电流,使三极管处于饱和状态,ic为ib的β倍(90~100倍)。
假设ib为0~500μA,三极管工作在放大状态,C级和E级之间的电压不为0.3V,C级为输出端。
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假设输入信号为一个正弦波信号,当输入信号的电压幅度最高时,ib的电流也最大,R1上的压降也最大,CE之间的电压也越低。因此VCC的存在,实现了电压的放大,但变化方向相反,相差180°(输入电压最大,输出电压最小)。
如果ib过大或过小,β变小,将导致信号失真,因次我们希望β是个常数。
假设没有输入交流信号(即静态)下,流入的直流电流,称为Q点,也就是静态工作点。设置静态工作点的目的是为了让输入信号在静态工作点上下波动。ib的电流控制在10μA和500μA之间(此值不准),β最大。假设Q点为200μA,ib大于200μA,β下降,ib小于200μA,β下降。
假设输入信号的幅度在0~1.2V之间浮动,输入信号的变化会影响ib,于是我们将引入电容,利用电容隔直流通交流的特性,分析交流通路把电容视为短路,分析直流通路把电容视为断路。
将R3和R4组成的电路称为偏置电路。
VCC通过偏置电路一方面会产生流过b级的电流,一方面会对电容进行充电,如果一直没有输入信号,电容的电压会充到R3,R4分压后的电压后,电容上就不再流过电流(隔直流)。如果通过一个幅值为2V的正弦输入信号,由0V升到2V时,电容充电,电流由左往右流,由2V降到0V时,电容放电,电流由右往左流(通交流),但这个动态电流很小,总的电流还是由左往右流的。
为了得到放大后的交流输入信号,不希望引入直流电流的影响,因此需要加上电容C5。
1.1.2 正反馈与负反馈
因为受温度等条件的影响,β会发生变化,导致ic变化,因此需要反馈。
假设ib不变:
负反馈:
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R6的电压由两部分组成,一部分是ib * R6,一部分是ic*R6。假如因为环境变化,ic变大,R6的电压变大了。UB的电压是由R3,R4分压得到的,流过R3,R4的电流远远大于ib,因此UB近似不变。UB不变,U6上升,因此UBE降低了,ibe降低了,Ic降低了,属于负反馈。
正反馈:
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ic增大,流过R6的电流增大,ib增大,ic增大,循环往复最终达到饱和。
1.1.3 共模干扰与差模干扰
共模干扰(Common-mode):两导线上的干扰电流振幅相等,而方向相同者 称为共模干扰。
差模干扰(Differential-mode):两导线上的干扰电流,振幅相等,方向相反 称为差模干扰。
由陈伟华主编的《电磁兼容实用手册》中对共模干扰的定义是指电源线对大地,或中线对大地之间的电位差。
将ic的变化量称之为共模干扰(直流的VCC到地形成的变化量),负反馈的电阻抑制了这一干扰。
1.1.4 差模放大
解决方法(假设ib变化):
用两个管子,一个管子的ib变化了,用另一个管子进行补偿,导致信号最终也是稳定的。
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假设输入信号在正负5V之间变化。Uo为输出。
动态电流可以看作从R2到R4的电流。
实际电流其实是,R2到R6,与R4到R6。
ib变化时,Uo的两个节点的电位也同步变化,因为Uo是两个节点之间电位的差值,因此最终Uo没变。
单端输出是双端输出电压的一半。
1.1.5 运算放大器
特点:
运放的放大能力:10万倍到几十万倍
放大差模信号,扼制共模信号(直流分量改变)
内部结构:
运放分三个极,分别是输入极,中间极,输出极。
输入极:差分输入目的是放大微小信号的差分量,抑制共模干扰,
中间极:因为三极管的放大倍数最多不过100倍,而一般运放可以达到几十万倍,因此需要第二次的放大。
共射极放大
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优点:放大能力强,在原来了的基础上又乘以β倍。
缺点:对于共射极电路来说,R5的电阻实际上是很大的,所以流过R5的电流是非常小的。
要求放大倍数大,信号源内阻小,输出能力强。因此需要第三极,放大IO2的电流,电压不放大。
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Uo3和Uo2之间差0.7V,Uo3跟随着Uo2变化,如果Uo2绝对值很高,Uo3约等于Uo2。且电流进行了β倍的放大。电压跟随的电路都是E级输出。
运放的应用。
输出波形
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在T1到T2之间为放大区,大于T2为饱和区,输出的电压等于电源电压,运放不具备放大功能。
为了让运放工作在线性区域,要引入负反馈,让输出电压减去目标电压的电压回到输入端,以达到目标电压。
把电阻网络组成的负反馈电路称为深度负反馈电路。
深度负反馈电路特点:
流入运放的电流或加在运放两端的电压比较小,几乎为断路(虚断)。
四种形态:
电压输入,电压输出
电流输入,电压输出
电压输入,电流输出
电流输入,电流输出
令输出电压为0,若反馈随之为0,则为电压反馈;若反馈量依然存在,则为电流反馈。
电压串联负反馈电路:电压指的是输出端为电压,串联指的是输入端。(电压只能串联,电流只能并联)
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RL是负载,R19的压降是Uf,输入+到输入-之间的电压为Ui’,Ui’和Uf都是上正下负,属于电压串联。
电压并联负反馈电路
电流串联负反馈电路
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输出电流上升,Uf上升,因为Ui不变,Ui’和Uf为串联,Ui’降低。
电流并联负反馈电路
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未完待续,预计6月底完成