精密整流电路的分析与应用

第 22 卷 第 3 期 河 北 建 筑 工 程 学 院 学 报 Vol . 22 No . 3

2004 年 9 月 JOURNA L OF HEBEI I NSTIT UTE OF ARCHITECTURA L ENGI NEERI NG September 2004 精密整流电路的分析与应用

景海云

张家口煤矿机械有限公司

摘 要 详细论述了精密整流电路的工作原理 , 并对其如何提高精度、克服非线性误差加以 分析 , 最后具体介绍了它在矿用真空电磁起动器信号采样回路中的实际应用.

关键词 精密整流电路 ; 非线性 ; 精度 ; 采样回路

中图号 T U981

0 引 言 , 单片机以其高可靠性 , 广泛应用于工业控制系统的 各个领域. , 计算机系统对被控对象的测试和对控制条件检测的准确与否 , 信号采样 回路是关键的一环 , 它决定系统控制的成败. 如何处理采样进来的交流输入信号 , 使其准确反映外部设 备的运行情况 , 整流电路的精度起着至关重要的作用.

1 精密整流电路的分析

1. 1 精密整流电路克服线性差的分析

二极管具有单向导电性 , 它是最常用的整流元件. 由它可以构成许多整流电路如 , 半波整流、全波整 流、桥式整流等 , 这是大家所熟知的. 但二极管的非线性将产生相当大的误差 , 特别是当信号幅度小于二 极管的死区电压时 , 问题尤其严重 , 因此说由二极管构成的整流电路精度较低. 为了提高精度 , 可以用运 算放大器来组成整流电路 , 利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差. 图 1 就是由运算放大器组成的半波精密整流电路.

下面分析一下电路的工作情况 : (1) 当 U I 0 ,二极管 V 1 截止 , V 2 导通 , 集成运放工作在深度负反 馈 , 此时这个电路相当于一个放大倍数为 1 的反比例电路 , 因此有 : U o = - R f U I / R 1 = - UI (2) 当 U I > 0 时 , 集成运放的输出电压 U A

收稿日期 :2004 - 03 - 02

作者简介 :男 ,1970 年生 , 工程师 , 张家口市 ,075000

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( 其幅值 路一定具有理想的整流特性 , 但是理想二极管是不存在的 , D 2 只是一个普通二极管 , 弱信号时

(假设 U im 与二极管的死区电压相差不大 , 甚至更小的电压) , D 2 阳极电压 U A , 如与输入电压 | U I | 相等

放大器 A uf = - 1 ) , 则 D 2 的阴极电压一定低于这个值 , 这时放大器反馈减弱 , 即 X f (反馈量) 变小 , 在 X i ( 输入量) 不变的情况下 (其中 , X O = A ( X i - Xf ) 增大 A 是放大器的开环放大倍数) 。这样 D 2 的阴极电 压势必超过 | U I | , 直到它的阴极电压 U o 与 | U I | 相近似为止. 这就是精密整流电路能够克服二极管非 线性 , 提高精度的原因所在. 甚至在毫伏级的弱信号区 U o —U I 的输出特性曲线也很好.

1. 2 全波精密整流电路的分析

图 2. a 是用 LM124 的两个运放组成的高线性全波精密整流电路.

信号正半周时 , 电路可简化为图 2b ,这时 A1B 的输入信号有两个 :

R R 1 = - U = - UI ①A1A 的输出电压 = - U I ×I 20 K

②由输入端直接传到 R 4 的电压 = + U I

这时 A1B 是一个加法器 , 利用叠加原理将这两个输入电压叠加后其输出电压为 :

U o = - UI + [ - ( - U I ) ] R 4 R 5 = - UI ×+ U I 20 K 10 K

= UI

信号负半周时 , 电路简化成图 2c ,这时 A1A 的输出为 0 ,A1B 作为一个反相器 , 其输出电压为 :

U o = - UI = - UI 4

在使用上述电路时必须注意两点 : (1) 为消除输入偏置电流对输出电压的影响 , 平衡电阻 R3 与 R7 的取值应满足 : R 3 = R1 ‖R2 ; R 7 = R4 ‖R6 ‖R5. (2) 输入电压 U I ≤±12 V /以防止输出电压失真 , 影 响测试结果.

2 精密整流电路的应用

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下面介绍一下精密整流电路在智能型矿用真空电磁起动器信号采样回路中的具体应用. 图 3 是计 算机控制系统对三相电动机的某相进行数据采集处理的简图.

, 、精密整流、二阶滤波、A/ D 转换变成数字信

号送给 CPU. 、比较 , 可以对电动机进行过流、过载、断相、相不平衡的保 护.

考虑到工控系统计算机内部的控制电压是 + 5V , 而依据矿用真空电磁起动器的企业标准电机过流 保护取其额定电流的 8 倍 , 为此我们规定电机额定运行时其采样电压 U I = 0. 6 V (选择电流互感器及其 相关的电阻都要与此参数匹配) 见图 3 ,则电机过流保护时 , 采样电压 = 0. 6 V ×8 = 4 . 8 V

( 经多次实验 R7 的阻值取 Ω) , 以保证信号通道增益 想性 , 必须调整电阻 R7 的阻值 1 KU I ( 有效值) / U 0 (平均值) = 1 , 也就是说采集的交流信号电压的有效值近似等于输出的直流电压. 因篇幅的关系图中只 给出某一相的保护电路 , 其余两相的电路相同. 本图所提供的参数适用于对额定电流为 40～200A 的电

(注 ( R2 的整定是线性关系) , 动机进行保护 :互感器变比 400/ 1) , 它的调整是通过指针电位器 R2 来实现

其中 DV1 、DV2 是保护 A/ D 芯片的.

通过对精密整流电路与普通二极管组成的整流电路的比较、分析可知 , 精密整流电路虽然增加了一 些元器件 , 但它的高线性度为计算机采集微弱电压信号 , 准确反映外部设备的运行状态提供了可靠的保 证.

3 小 结

参 考 文 献

[ 1 ]童诗白. 模拟电子技术基础. 高等教育教育出版社 , 1988

[ 2 ]高继坤 , 杨焕明. 运算放大器应用电路的分析. 北京理工大学出版社 ,1989

(系统配置与接口技术) . 北京航空航天大学出版社 [ 3 ]何立民. 单片机应用系统设计 ,1990

Analysis and Application of the Accurate Rectif ier

J i ng Haiyun

Z hangjiakou C oal Mining Machinery Co . Ltd

Abstract The working principle about the accurate rectifier is introduced in detail in this paper. Furthermore ,

h ow to improve the prescision and overcome the n onlinearity error is analyzed. At last ,the practical application in the mining vacuum electromagnetic starter ’s sign sam pling circuit is discussed.

K ey w ords accurate rectifier ; n onlinearity ;prescision ; s ign sam pling circuit