1、电子电路基础知识曹珍贯（副教授）安徽理工大学主要内容1.运算放大器的基本知识2.红外瓦斯传感器电路图分析3.传统9701探头电路图分析4.瓦斯传感器远距离的数据传输问题探讨5.隔爆与本安的基础知识1、运算放大器的基本知识 集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；集成电路内部结构的特点：集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，温度均一性好。2.电阻元件由
2、硅半导体构成精度低。3.几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。常用集成电路有常用集成电路有：CPU芯片、接口芯片、信号处理芯片、电源芯片等。1.1 运算放大器集成运放集成运放：就是用集成电路工艺制造的一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，给它配以适当的输入网络和反馈网络，便可以完成信号的运算、处理和变换，以及各种波形的产生等功能。理想运放的特点理想运放的特点：理想运放具有无穷大的电压增益、无穷大的输入电阻（开路），所以不取用信号源电流。它的输出电阻为零。它的输入电流为零。实际的运放具有高电压增益、高输入电阻、低输入电流和低输出电阻的
3、特性。1.2运放参数运放的参数用来说明运放的性能和提供不同运放的比较。开环电压增益、CMRR和转换速率是三个重要的参数。其他参数还有输入失调电压、输入偏置电流、输入/输出电阻、共模输入电压范围等。输入失调电压输入失调电压：u 理想运放在输入为零时，输出也为零。u但在实际运放中，在没有加入差模输入电压时，输出端会有一个小的直流电压VOUT（error）u输入失调电压（Vos）是迫使输出为0时，需加在输入端的差模直流电压。输入失调电压的典型值在小于2mV的范围内。理想情况下为0V。输入偏置电流输入偏置电流：输入偏置电流是使运算放大器正常工作时放大器的输入所需的直流电流。根据定义，输入偏置电流时两个
4、输入电流的平均值。共模输入电压范围共模输入电压范围：所有运放都有工作电压范围的限制。共模输入电压范围是指加到两个输入端并不引起削顶或其他输出失真的输入电压的范围。许多运放在电源为15V时，共模范围不超过10V。也有输出和电源电压一样高的情况。运放的共模抑制比运放的共模抑制比:共模抑制比（common-mode rejection ratio，CMRR）运放的CMRR是衡量运放抑制共模信号能力的参数。差模输入差模输入是指在两个输入端加入极性相反（反相）的两个信号。共模输入共模输入是指在两个输入端加上完全相同的两个信号。共模抑制比的共模抑制比的意义意义CMRR无穷大表示相同信号加在两个输入端（共模
5、）时，输出为零。实际上，CMRR不可能达到无穷大，但性能较好的运放会有非常高的CMRR。共模信号就是不想要的干扰电压，如60Hz电源的脉动成分、由于能量辐射所产生的噪声电压等，较高的CMRR会使运放几乎完全消除这些干扰信号对输出的影响。运放参数总结输入失调电压输入偏置电流 输入电阻输出电阻共模输入电压范围开环电压增益运放的共模抑制比转换速率频率响应1.3 常用运放电路0uui1=i221RuRuoi121RRuuAouuo_+R2R1RPuii1i21.放大倍数虚短路虚开路一、反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。虚开路2.电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端
6、对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1 /R2uo_+R2R1RPuii1i2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数在放大倍数较大时，该电路结较大时，该电路结构不再适用。构不再适用。二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui12RuRuuiioiouRRu)1(121211RRuuAou虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路_+uiuoiouuuu此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器结构特点：输出电
7、压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。四、反相求和运算(加法器)R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。FPR/R/RR12110uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路
8、A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5 Vuo=0.5ui+2.5 V =0.5(ui+5)V_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k)5(5.0)5(20101iiouuu)5(5.020201ioouuu五、三运放电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：(4-19)(21212iiWWouuRRRRRu 三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输
9、入均在同相端，此电路的输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+例：由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻集成化:仪表放大器Rt=f(TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiERRRREERRRutttti)(22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)(22212122.红外瓦斯传感器电路分析2.1 2.1 红外瓦斯传感器的主要工作原理红外瓦斯传感器的主要工作原理 红外气体检测技术主要是根据不同气体在不同浓度下对红外光谱的
10、吸收率不一样。传感头由光源、采样气室、活动通道热电检测头和参考通道热电检测头组成。热电检测头产生的信号依赖于气体吸收红外光谱后入射辐射的变化。活动探测头给出了由目标气体浓度所影响的入射辐射量,参考探头给出了不受目标气体浓度影响的入射辐射量,两个探头输出信号峰峰值的比值与气体浓度相关。传感器选用英国E2V公司生产的IR12BD,采用的是双探测器、单光源、双光路、折叠式气室,使用一个合适的红外光源,根据不同的气体在不同的浓度下对红外光谱的吸收率不同来检测目标气体的存在和浓度。其光源由钨丝产生，钨丝通电后发出红外光,经过2个滤光片分别滤出3.9m和3.39m的参比光和测量光。2.2 IR12BD2.
11、2 IR12BD探头驱动电路探头驱动电路2.3 IR12BD2.3 IR12BD探头电压采集电路探头电压采集电路 传感器输出的是双路微弱正弦交流信号,峰峰值为mV级,需进行信号调理才能送入单片机检测。一路输出的信号调理电路如图所示。R60 430R59562KC49uFR57100KC46uFREFR56470KC41uFR72 56KR73 82.5KR58 6.8kw121C47E_2C48E_2657IC12BAOPA2241+1.23-5V2.4 2.4 计算瓦斯浓度计算瓦斯浓度吸收系数：Fa=1-S1/(R-S2)，S1和S2分别是测量端探测器和参考端探测器输出信号的峰峰值；R=S1
12、/S2，式中 和 分别是S1和S2在没有特定气体下的数值。R采用信号的峰峰值之比是因为在最大值和最小值处，信号的变化率最小，所得结果不会出现大的误差，最为可靠。2.5 2.5 红外瓦斯传感器其他基本电路红外瓦斯传感器其他基本电路 遥控接受电路 R153.9KC27102R16100RR1716KC28102T129013123SFQS2S3S1C28uFR2016KR1916KR1816K12345678910111213141516IC4BL91491234567891011121314IC7HC1641234567891011121314IC9HC164SG?SG_3SG?SG_3R464
13、30RabcdefghabcdefghbcghbafgcdehbafgcdehdefbcghdefR45680R28240RQ68550LEDI/FR2716KR2624KQ59013R2524K5.94V显示电路 频率输出电路3.传统9701探头电路图分析3.1 数据采集电路数据采集电路 A/D转换部分主要由集成电路TC7109以及黑白元件构成的惠斯登电桥组成。由黑白元件r1、r2、R24、R25、P1组成惠斯登电桥。当无瓦斯时，桥路平衡，输出为0；当有瓦斯时，进入黑元件的反应室内瓦斯就会无焰燃烧。瓦斯浓度越高，燃烧的温度越高，黑元件（用铂金丝绕制而成）阻值就越大，桥路失去平衡（白元件不参加
14、反应）。A/D转换电路3.2 瓦斯传感器可能误差原因分析瓦斯传感器可能误差原因分析惠斯登桥电路的供电电压V2（3V左右）不够稳定，精度不够高。桥臂电阻温度特性差，电位计精度要求高。传感器的A/D采集，软件滤波存在缺陷。输出频率信号的分辨率不够高。4、瓦斯传感器远距离的数据传输问题探瓦斯传感器远距离的数据传输问题探讨讨目前瓦斯传感器与分站的传输距离最多为2KM，若超过此距离，通讯虽然正常，但数据不可靠，显示值对实际值不一至。主要原因分析如下主要原因分析如下：1）供电电缆长度达到2KM以上时，电压下降如15V以下，传感器内运放电路输出的失真，造成传感器工作不正常。2）频率信号也随着通信距离的增加，
15、信号幅度衰减，造成频率信号的带载能力不足，造成分站对频率信号的周期采集有误，使传感器的采集值失真。具体解决办法具体解决办法1)在不改变现有线路的基础上，加大供电电缆的线径，从原有的1.5mm增加到3mm，提高通信距离，理论上可使数据传输距离增倍。2)在传感器的接线过程中，避免使用接线盒，用一根电缆来连接。3)3.3mm的电缆对传感器有效供电距离4km，信号返回为2.5KM,3.3mm电缆对分站的供电有效距离为1.5KM，可改变分站、电源、传感器的布局，其供电图如下：4)合理布置分站与传感器；5)在现有的传感器基础上开发传感器中继器，主要实现将电源电压抬升、信号转换。6)促进传感器厂家改进传感器
16、的内部电路原理：使传感器的工作电压范围变宽，可以在低电压方式下运行，提高信号带载能力；在传感器内部实现电压的提升。5、隔爆与本安的相关概念、隔爆与本安的相关概念隔爆隔爆(Ex d)技术是用一个壳体把电器元件装起来,电器元件成为点燃源引起爆炸后产生的高温高压气体,通过外壳的间隙(隔爆间隙)减温减压排向外界.减温减压过的气体就不足以引起壳体外界的爆炸了.因此,隔爆是指把爆炸的能量隔绝在腔体内部,而不是隔绝腔体外的爆炸危险气体,浇封才是隔绝外部爆炸性气体.本安本安(Ex ia/ib)技术一般应用在仪表上,通过限制电气回路中的能量并配合电气设备的结构设计,使得在正常和事故工况下回路中都不可能产生达到点
17、燃源要求的点.本安技术一般是成套使用的,要在安全区设置安全栅,安全栅后面的回路均为本安设备.本安电路的卡件端子电缆塑料戈兰都要用淡蓝色标识.隔爆兼本安隔爆兼本安：指该设备内部电路有本安电路和非本安电路，两者分腔体存放，设备壳体是隔爆型的，但其中的本安电路输出信号是本安的。首先，在分析和评价本质安全型电气设备和电路时,人们应该遵守本安要求的基本原则,认真核查设备和电路的机械结构,仔细分析电路的电气性能,从而确认电气设备的防爆安全性能。其次，在核查设备和电路的机械结构时,人们主要是检查电路的隔离、电气间隙、爬电距离、各种间距、外壳防护等级,以及导线的线径、印制导线的宽度(包括复铜箔的厚度)、可靠元
18、器件的结构(和额定值)、可靠连接的连接点等等。再者，在分析电路的电气性能时,主要是确认核查电路中元器件的额定值和可能发生故障的性质(计数故障或非计数故障),并根据保护水平(ia级、ib 级和ic 级)来计算电路中相关部分的电流、电压或电容值、电感值,随之在施加必要的安全系数,来核查电路所具有的安全火花性能。此外,在分析电路的电气性能时,还应该计算(或者测试)有关功率元器件的表面温度,以确定是否符合相应温度组别的温度值。本质安全电路评定的基本方法本质安全电路评定的基本方法本质安全电路分析实例 由电源变压器、桥式整流环节、集成稳压器(IC1)、安全栅和一个“”型LC 滤波环节、集成稳压器(IC2)
19、组成。其中,电源变压器、桥式整流环节、集成稳压器(IC1)、安全栅被放置在隔爆型电气设备的隔爆外壳内。电源部分电源部分 电源部分由电源变压器(T)将市电220 V 降至24 V,经桥式整流环节整流,滤波,并稳压后供给安全栅的非本质安全端。这一部分被放置在隔爆外壳内。由于电源变压器符合GB 3836.4 2010 的相应要求,所以它是可靠组件。对于本质安全电路来说,施加在电源变压器原边可能的最高电压(Um)为250 V。关联设备部分关联设备部分 安全栅作为关联设备,在电路中起到 隔离能量的作用,安全栅也被放置在隔爆外壳内。由于安全栅符合GB 3836.4 2010 的相应要求,所以它是可靠组件。
20、在这个电路中,安全栅可能承受的最高电压(Um),即施加在安全栅非本质安全端子上而不会使本质安全性能失效的最高电压,应该是电源变压器原边可能承受的最高电压,通常按250 V 计。安全栅的额定值为最高输出电压U0=28 V;最大输出电流I 0=93 mA。从GB 3836.4 2010 图A1 中可以查到,对于IIC 级电阻性电路,当电压U=28 V 时,相对应的最小点燃电流为I=180 mA。当取1.5 倍安全系数时,则修正后的最小点燃电流:I=180 mA/1.5=120 mA 这个电流依然大于安全栅的最大输出电流 Io=93 mA 由此可见,安全栅本质安全端的输出满足电路的本质安全性能。负载
21、部分负载部分这里所谓的负载是指安全栅输出端,即本质安全端子以后的部分,包括滤波环节、集成稳压器(IC2)和负载(R)。(1)确定电路的最不利条件在这部分电路中,电感器L1 和L2 的电感值均为1.5 mH(最大);电容器C3、C4 和C5 的电容值均为0.01F(最大);电阻器R2 为可靠限流元件,电阻值为250(最小)。这些数值均被认为是电路的最不利条件。(2)确定故障条件下的安全火花性能 施加故障1:假定集成稳压器(IC2)损坏而对地短路集成稳压器不是可靠组件,而且也不符合GB3836.4 2010 的要求。因而,假设集成稳压器(IC2)损坏而对地短路,则这个故障是一个非计数故障。这时,由
22、于电阻器R2 的限流作用,使得流过电感器L1 和L2 的最大可能电流为:Imax=28 V/250=112 mA 当对这个电流施加1.5 倍安全系数时,则流过电感器的修正最大可能电流为:I max.0=112 mA/1.5=168 mA 从GB 3836.4 2010 图A6 中可以查出,当电感值为3 mH 时,相对应的最小点燃电流为180 mA。而此时流过电感器的修正最大可能电流为168 mA,小于最小点燃电流(180 mA)。因而,在这种故障情况下,电路也是符合本质安全性能要求的。施加故障2:假设导线连接等发生短路在电路的本质安全部分中,假设导线连接(包括印制导线)、电气间隙、爬电距离等发
23、生了短路故障,则电路中的各个电容器(C3、C4 和C5)就可能成为并联状态。这是电容器可能出现的最严重的故障状态。在这种电路中,如若导线连接是可靠连接,则被认为它是不会发生故障的。这里假定导线连接不是可靠连接但是又符合GB 3836.4 2010 的要求,所以发生短路的故障是一种计数故障。因而,此时电路的等效电容值即为:Cmax.0=C3/C4/C5=0.03uF 当对安全栅的输出电压施加1.5 倍安全系数时,则此时修正后的电压为:U0.0=1.5U0=28 V/1.5=42 V从GB 3836.4 2010 图A3 中可以查出,对于IIC 级电容性电路,当电压为42 V 时,相对应的能够引起
24、点燃的最小电容值为0.08uF。而此时,在故障状态下电路的等效电容值仅为0.03 uF,远小于0.08uF。本安在电路设计的注意点：本安在电路设计的注意点：使用安全栅；整个电路的电容和电感值要限制在一定的范围内，确保该容量的电容和电感不会产生火花；对于电路板在布线时，要考虑线路之间的间隔要满足本安要求，各电路模块之间要满足电气要求。隔爆、本安、隔爆兼本安设备的互连关系隔爆、本安、隔爆兼本安设备的互连关系：隔爆型设备可以和隔爆型设备之间进行连接；隔爆型设备不可以和本安型设备之前进行连接；本安型设备与本安型设备之间一定是关联设备才可以互联；隔爆兼本安设备与本安设备之间一定是关联设备才可以互联。谢 谢 大 家！
