电工电路模块

时间：2022-11-04 百科知识版权反馈

【摘要】：设立电工电路模块的课程,就是为检测控制子系统的设计与制造打基础。由上述目的,本模块拟设置四门课,即“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”和“电力拖动与控制”。“电路分析基础”是机械电子工程专业的一门重要的基础课。③掌握组合逻辑电路的分析、设计方法,对检测控制系统中的单元电路能给出具体方案,会选用有关器件和芯片构成功能模块,并会安装调试,保证能用。

机电一体化系统由两个子系统构成,前面我们已经介绍了广义执行子系统的设计与制造,但留下了“电力拖动与控制”课没有讲,另外检测控制子系统的设计与制造还没介绍;从现在起开始重点介绍检测控制子系统的设计与制造知识,在有了电路基础的知识以后,顺便将“电力拖动与控制”课介绍一下。

要设计和制造检测控制子系统必须先掌撑电路分析的原理和方法,了解各种典型电路的特性、用途和设计方法,会选择合适的元器件去搭建电路。设立电工电路模块的课程,就是为检测控制子系统的设计与制造打基础。

由上述目的,本模块拟设置四门课,即“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”和“电力拖动与控制”。下面简单介绍它们的内容。

1.“电路分析基础”

“电路分析基础”是机械电子工程专业的一门重要的基础课。它的任务是为检测控制子系统的设计制造打下理论基础。它的内容分为三部分:其一,电路分析的基本理论与方法;其二,主要电路元件特性介绍;其三,典型电路的模型及分析方法。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

①电路:电路模型(集总电路、直流电路、交流电路、三相交流电路)、电路线图。

②电路元件:电源、电阻元件、电容元件、电感元件、受控源、导线、开关、插接件。

③电路物理量:电压、电流、电阻、电容、电感、阻抗、容抗、感抗、导纳、电功率、电能。

④电路参数:电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值。

(2)基本原理

①物理定律:欧姆定律(材料的电学性质)、柯希霍夫第一定律(电流流量守恒)、柯希霍夫第二定律(电流能量守恒)、特勒根定理。

②分析网络用定理:叠加原理(线性电路)、等效原理(电阻电路的等效变换、替代定理、戴维南定理、诺顿定理)、互易定理、对偶定理。

(3)物理模型

①电路元件模型

a.电阻:认为电阻值是不随时间(或温度)变化的常数。

b.电容:认为电容值是不随时间变化的常数。

c.电感:认为电感值是不随时间变化的常数。

d.电压源:认为电源两端的电压永远保持定值,无论它流过多少电流,如电池。

e.电流源:认为电源两端的电流永远保持定值,无论它的端电压是多少,如光电池、放大器输出电流等。

f.受控源:认为这种电源的输出电压或电流受其他支路电压或电流控制,如放大器、变压器等电路的输出或电子器件、芯片的输出都是受输入电压或电流控制的,这些电路器件可看成受控源。

②电路模型

a.集总电路:将电路中电阻、电容、电感等效应都集中到一起,用一个符号代表,就像把一个物体的重量集中到重心一样。我们平常画的电路图都是集总电路。

b.直流电路:认为电路中的电流的大小与方向永不改变,就是物理中的稳恒电流,不会产生电磁场。

c.交流电路:认为电路中的电流的大小和方向都是随时间规律变化的。这种电路会产生电磁场。

d.三相交流电路:特意为发电机和电动机及电器建立的电路模型。该电路中的电流随时间为余弦变化,频率50 Hz,每一相之间的相位都相差120°,接线为Y形成△形。

e.含受控源的直流电路:直流电路中有电子器件(如三极管、芯片等)的电路模型。

f.二端网络:一个网络只有两个端钮与外电路相连,如万用表。

g.T形、Π形网络:一个网络有三个端钮与外电路相连,如三相交流电动机。

h.双口网络:一个网络有四个端钮,两个钮为输入端,电流值相同;另两个钮为输出端,电流值也相同;但输入与输出端电流不同,如变压器、滤波器、放大器等。

i.一阶电路:含有一个电阻、一个电容(或一个电感)的电路(RC电路、RL电路)。

j.二阶电路:含有一个电阻、一个电容、一个电感的电路(RLC电路)。

k.谐振电路:特殊的RLC电路。

③约束模型

a.拓朴约束:据柯希霍夫第一定律所建立的方程(组)和柯希霍夫第二定律所建立的方程(组)。

b.元件约束:据欧姆定律建立的方程(组)。

④电流模型

a.直流:阶跃电流(电流方向,从正极到负极)。

b.交流:平均值为零。

c.随机连续电流:电流强度随时间变化,有平稳和非平稳之分。

d.脉冲电流:有周期脉冲和任意脉冲。

(4)基本方法

①大规模电路分析方法(这是用计算机程序计算的方法,必须掌握,以后工作中要用)

a.节点分析法:以电路网络节点电压为未知数建立的方程(依柯希霍夫第一定律),与有限元法中解刚架问题位移法相似。

b.回路分析法:以电路网络基本回路电流为未知数建立的方程(依柯希霍夫第二定律),与有限元法中解刚架问题的力法相似。

②通用方法(这是过去用手算常用的方法,对这些方法有所了解即可)

a.网孔分析法:以网孔电流为独立变量建立的方程组去求解。

b.节点分析法:与大规模电路相同。

c.回路分析法:与大规模电路相同。

d.割集分析法:这是节点法的推广,将若干个节点用一个封闭曲面(或闭曲线)包围起来看作一个“节点”,流进该闭曲面的电流等于流出的电流。

(5)基本运算

矢量法(复数表示)、代数法和微积分方法。

(6)基本技能

①能将实际电路中的各个部分正确地抽象成电路元件模型。

②能给一个实际的电路系统建立一个正确的物理模型(电路模型)。

③会选用合适的方法对已有电路模型进行分析与计算。

④精通对一阶、二阶电路的分析与计算,彻底明白以下内容:(进行系统分析时要用)

a.方程的物理意义,方程中每一项的物理意义;与高等数学中常微分方程对照做解释。

b.方程的解法:零输入解(齐次方程)和零状态解(非齐次方程),然后再分为瞬态解和稳态解。

c.方程解的物理解释(可与实验结果对照解释瞬态解、稳态解、零输入解、零状态解的物理意义),解的频率和相角与方程中电路的物理参数的关系,欲改变频率和相角如何调整参数。

d.从能量角度对方程的物理意义进行解释,振幅与初始能量(电压)的关系。

e.分析二阶电路谐振的条件,如何调整谐振频率。(发射电磁波与接收电磁波用。)

⑤熟悉常用电路计算:

a.熟悉有受控源(电子器件、芯片等)电路的计算。

b.会计算三相交流电的电路并熟悉Y与△接法的不同算法。

c.熟悉变压器电路的分析与计算。

⑥会使用电子测量仪表(电源、变压器、示波器、万用表、电流计等)。

(7)在机电系统中的应用

主要是用于详细设计阶段。

①利用电子元器件(电阻、电容、电感和各类器件)和各类典型电路的特性去搭建检测控制系统中的单元电路,并能组成系统(包括选元器件、焊装和调试)。

②对单元电路或系统进行分析与计算,并对解算结果给予物理解释。

③建立一阶、二阶电路的传递函数,以备自动控制系统分析之用。

④利用三相交流电的特性去设计电动机的控制电路。

**建议:将“电路的瞬态分析”“正弦稳态电路分析”“非正弦周期性激励(或说冲激函数)稳态电路分析”“电路的频率响应”等章节集中在一起讲。因为它们的区别有的是运算方法不同,有的是激励荷载形式不同,有的是应用目的不同,但基本原理都是一个“二阶电路分析”。分几处去讲显得重复又太乱,给学生的印象好像是在分析不同的电路,其实是同一类电路在做不同的分析与应用。

2.“模拟电子技术”

“模拟电子技术”是机械电子工程专业的一门基础课。本门课的任务是教会学生看懂模拟电路图;会选择元器件按电路图搭建成电路,使学生掌握设计测控系统单元电路的基本能力。

(1)基本原理与方法

在“电路分析基础”课都已讲过,这里只是应用。

(2)基本知识

①各类半导体器件(芯片)的用途、功能、结构、原理、符号、标记、管脚功能(包括二级管、三极管、场效应管和其他的常用芯片)。

②各类典型电路的用途、结构、原理、功能特性(如输入/输出特性、动态特性等);常用典型电路的电路图;对典型电路进行定性分析和估算(包括下列典型电路)。

a.放大器:集成运算放大器、仪表放大器、电荷放大器、隔离放大器、功率放大器、反馈放大器。

b.信号发生器:正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路(尤其是脉冲信号发生器)。

c.运算电路:加法器、乘法器、微积分电路、指数对数电路、常用特征值运算电路。

d.信号处理与转换电路:常用滤波器、电压比较器、采样保持电路、电压-频率转换电路、电压-电流转换电路、信号细分与辨向电路〔直流细分、平衡补偿或细分(相位跟踪、幅值跟踪、脉冲调宽型幅值跟踪、锁相环)〕、抗干扰技术、信号调制解调电路、检波电路。

e.电源电路:电容滤波和稳压二极管稳压电路、串联型稳压电路。

(3)基本技能

①能看懂本专业典型电子设备、仪表和检测、控制系统模拟电路的原理图,了解各部分的组成及工作原理。

②能对上述原理图中各环节的工作特性进行定性或定量分析、估算。

③对检测、控制系统的单元电路能够给出具体方案,会选用有关元器件,并会按电路图安装调试。

④会使用示波器、信号发生器、功率放大器和电源。

(4)在机电系统中的应用

主要用于详细设计阶段。

①将本门课介绍的典型电路或器件(如二极管、三极管、光电三极管、场效应管、晶闸管、波形发生器、仪表放大器、电荷放大器、隔离放大器、功率放大器、加法器、乘法器、电压比较器、滤波器、锁相环等)用于检测控制系统中。

②熟悉典型电路(器件)的动态特性(尤其是传递函数),以便在系统分析时用。

3.“数字电子技术”

“数字电子技术”是机械电子工程专业的一门基础课。其任务是,教会学生看懂数字电路图;明白数字逻辑电路的设计原理,并会设计检测控制子系统的单元电路;了解数字电路用的器件及芯片,能正确地选用它们搭建所设计的数字电路,为设计检测控制子系统打下基础。

本门课的知识要点如下。

(1)基本原理

①数制与编码

a.数制及各种数制之间的转换方法。

b.码制及BCD编码。

②逻辑代数

a.三种基本运算:或、与、非。

b.基本公式和定理:九条基本定理、三条基本规则和五个常用公式。

c.逻辑函数的表示方法:逻辑问题的描述方法(真值表、函数式、逻辑图、卡诺图)及其相互转换;最大项和最小项标准表达式。

d.逻辑函数的化简:代数化简法和卡诺图化简法;最简与或式、最简或与式的表示方式及任意项的使用。

(2)门电路〔这是实现数字逻辑电路的基本(电路)元件,先介绍〕

①二极管门电路:与、或、非门。

②CMOS门电路(与、或、非门、OD门、三态门、传输门)。

a.上述几种CMOS门电路的结构、原理、功能、用途。

b.CMOS反相器的静态特性与动态特性。

③TTL门电路(含OC门和三态门)

a.TTL门电路的结构、工作原理、输入/输出特性、带负载能力、抗干扰能力、主要参数和使用方法。

b.TTL电路与CMOS电路的接口,互相驱动的方法。

(3)组合逻辑电路设计

①组合逻辑电路的特点及分析方法(给出电路图、写出表达式、分析逻辑功能)。

②组合逻辑电路的设计方法(包括与、或、非电路,与非-与非电路,或非-或非电路)。

③组合逻辑电路中的竞争-冒险的概念,竞争-冒险的判断与消除方法。

④几个常用集成组合逻辑器件的电路分析、功能和应用,介绍(编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器)这些器件的级连方法,及用它们构成各种组合逻辑电路的设计方法。

(4)常用的几个逻辑器件的介绍。

①名称。

a.触发器:RS触发器、钟控触发器、TTL集成主控触发器、集成边沿触发器、CMOS触发器。

b.时序逻辑电路:计数器、移存器、序列信号发生器。

c.存储器:ROM(掩模型、E2PROM、闪存型)、RAM(DRAM、SRAM)。

d.可编程逻辑器件:RLA、RAL、CPLD、FPGA(现场可编程门阵列)。

e.脉冲波形发生器:施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器、555定时器。

f.模/数、数/模转换器:AD(双积分型、逐次比较型、并行比较型)、DA(电阻型、R-2R网络型)。

②介绍内容:基本结构、功能原理、动作特点、动态特性、设计方法、用途、使用方法等。

(5)基本技能

①掌握逻辑代数部分所介绍的全部内容,并能用于逻辑电路的设计。

②了解常用芯片、器件的型号用途、管脚的接法。

③掌握组合逻辑电路的分析、设计方法,对检测控制系统中的单元电路能给出具体方案,会选用有关器件和芯片构成功能模块,并会安装调试,保证能用。

④能看懂本专业典型电子设备、仪表和检测、控制系统数字电路的原理图,了解各部分的组成和工作原理。

⑤会使用常用仪表:计数器、逻辑分析仪等。

(6)在机电系统中的应用

主要用于详细设计阶段。

①用逻辑代数去简化控制逻辑序列,以设计数字控制器。

②选用合适的逻辑器件(门电路、编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器、计数器、时序脉冲发生器、时序信号发生器、振荡器、定时器、触发器、寄存器)构成检测控制子系统的单元电路或系统,并焊装、调试。

4.“电力拖动与控制”

“电力拖动与控制”是机械电子工程专业的一门专业技术基础课。电动机与电磁铁是最方便、最清洁、用得最广的驱动装置,学生必须具有选用合适的电动机或电磁铁去准确地驱动执行机构的能力。因此学生必须掌握以下知识:其一,知道电动机的工作原理及其机械特性,负载(如执行机构)的转矩特性,并能依据二者的匹配要求去选择合适的电动机;其二,知道电动机启动、制动、调速的原理,并能用于控制电路;其三,熟悉常用低压电器元件的特性,并能选用它们去设计、搭建电动机的可控供电电路;其四,熟悉电力拖动系统的动力方程和运动方程,为检测控制子系统提供被控对象(广义执行子系统)的传递函数;其五,了解电磁铁的机械特性,会选用电磁铁。

本门课的知识要点如下。

(1)电动机简介

①电动机的类型:直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、永磁无刷电动机。

②简介内容:结构及工作原理、运动方程、转矩电压方程(动力方程)、机械特性、控制技术与方法、主要技术指标与选用。

(2)测速电机简介

①测速发电机类型:直流测速发电机和交流测速发电机。

②简介内容:结构与工作原理、输入/输出特性和主要技术指标与选用。

(3)自整角机简介

①自整角机类型:力矩式自整角机和控制式自整角机。

②简介内容:结构与工作原理,主要技术指标与选用。

(4)旋转变压器简介

①旋转变压器类型:正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、多极和双通道旋转变压器。