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  • 单片机检测信号通断通用电路(3.3V/5V直流信号,24V+直流信号,220V交流信号
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    2022-03-11 10:29:35
    在实际的电路设计中,往往需要用到单片机检测某些信号通断,检测电压有无。
    在一定的范围内,比如3.3V的直流信号,单片机的IO是可以直接连接信号检测的,
    但是往往实际信号各种各样,24V/48V直流,220V交流,甚至380V交流,
    单片机就无法直接检测了,今天我们来总结介绍一些常见的信号检测电路
    

    1、3V/5V直流信号检测

    对于普通的信号通断检测,常用的使用一个三极管,做一个电平转换,那么对于输入的在一定的范围之内的信号,都可以判断,如下图:
    在这里插入图片描述
    对于明确的符合规范的信号,甚至可以直接两个二极管:
    在这里插入图片描述

    2、12V 24V 36V直流信号检测

    对于稍微大一点的直流电,三极管不是不可以,但是使用光耦是绝对安全通用性强的一种方式:
    在这里插入图片描述

    3、220V交流信号检测

    对于交流信号来说,推荐一个电路:单片机检测220v交流电通断电路

    但是对于自己以前使用来说,使用的是稍微修改过的电路,使用的是双向光耦,这样的话,不管是正半周期还是负半周期,都能够正常的检测到(下图中右边的电容2.2uf,没必要那么大,甚至是可以去掉,图中的电路由上面的电路修改而来,推荐电路因为需要考虑到只有半个周期的通路,所以加了一个稍微大一点的电容,使得充放电的时候保持信号不会变成0):

    在这里插入图片描述

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      假设我们想使用直流的芯片测量交流信号:由于交流信号的输出电压范围超过了芯片的量程,所以要按照比例缩小;由于交流信号有正有负,所以需要把交流信号电压抬升。
      假设需要把电路抬高的幅度为V_REF。改进上一节学习过的带分压电路的同相比例运算电路,将同相输入端的参考电压由0V改为V_REF,得到交流信号运放电路
    在这里插入图片描述
    图 交流信号运放电路
      同样,为了保证运放输入级差分电路的对称性,保证两个输入端的电流“看到”的阻抗是一样的,对应电阻的阻值要一致:R1A=R1B=R1,R2A=R2B=R2。
      由于虚短:
    在这里插入图片描述
      由于虚断,分别分析P点与N点的电流关系:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
      两式相加,得
    在这里插入图片描述
      如果无需抬高电压,即V_REF=0,交流信号通过同相输入端与反相输入端传入电路,这就是常见的交流信号运算放大电路。如果V_REF=0,V_(in-)=0,那么此公式与带分压电路的同相比例运算电路完全一样。

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    如何将交流电转换为直流电

    本文介绍二极管基础知识、桥式整流器,以及如何利用二极管将交流电换为直流电。

    二极管

    这是二极管的实物图片和电路符号:

    如何将交流电转换为直流电

    二极管

    二极管末端的灰色小条纹表示二极管的负极。

    什么是二极管?

    二极管是一种只允许电流沿一个方向流动的器件。

    如何将交流电转换为直流电

    只允许单向流动

    因此,如果你给二极管正极输入交流电,负电压将被阻止,在二极管的负极端将会只得到波形的正半部分。这个过程被称为半波整流(Half Wave Rectification)。它也适用于其他带有负电压的波形,比如:方波、三角波等。

    如何将交流电转换为直流电

    正弦波半波整流

    如何将交流电转换为直流电

    方波半波整流

    如何将交流电转换为直流电

    三角波半波整流

    正向压降

    如果你仔细看正弦波的整流波形,会发现波形顶部少了一块:

    如何将交流电转换为直流电

    少了一块

    那是因为完美的二极管是不存在的。所有的二极管都有一个所谓的正向压降(Voltage drop or Vf)。这意味着每当电流正向流过二极管时,电压通常会降低 0.7 伏左右。确切的数字会随着温度、电流和二极管类型而变化,但现在我们当它就是 0.7 伏。

    如何将交流电转换为直流电

    正向压降

    因此,二极管在其两端的电压达到 0.7伏之前不会导通。

    一旦导通,则其两端总会有 0.7 伏的压降。

    如何将交流电转换为直流电

    0.7 伏压降

    对于二极管来说,当输入电压为负时,二极管无法导通,因此输出端电压为 0 伏。

    当输入电压为 0.3 伏时,仍然不足以使二极管导通,因此输出端电压为 0 伏。

    当输入电压为 0.9 伏时,二极管导通,但由于正向压降,在输出端电压为 0.2 伏。

    当输入电压为 10 伏时,在输出端电压为 9.3 伏。

    如何将交流电转换为直流电

    高于 0.7 伏才导通

    额定功率

    二极管还有一个比较重要的参数的额定功率。二极管的功率是用 Vf 乘以流过二极管的电流计算出的。

    如何将交流电转换为直流电

    二极管功率计算公式

    所以当电流为 1 毫安时,只有 0.7 毫瓦会因热量流失,问题不大。

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    0.7mW

    但是当通过二极管的电流达到 3 安培时,将会产生 2.1 瓦的热量,这是非常大的。因此,你要么使用更大功率的二极管,要么使用具有较低正向压降的二极管,如肖特基二极管。

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    2.1W

    开关速度

    二极管最后一个值得注意的参数就是:开关速度(switching speed)。文档中这个参数一般在电器参数(ELECTRICAL CHARACTERISTICS )中,写为反向恢复时间(Reverse Recovery Time),符号为:trr。

    1N4007 是专为低频电力电子设备而设计的,例如家中的 50-60 赫兹的交流市电。

    如何将交流电转换为直流电

    二极管速度测试电路

    如何将交流电转换为直流电

    测试二极管开关速度

    频率为 50 赫兹时,一切正常:

    如何将交流电转换为直流电

    1N4007 50 赫兹一切正常

    当交流信号的频率增加到 10 几千赫兹时,二极管开始失效,因为它开始反向导通了:

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    1N4007 十几 k 赫兹时完蛋了

    这是因为二极管在允许电流正向导通和阻止反向电流之间切换需要一定的时间。不同的二极管拥有不同的切换速度。

    1N4148 的切换速度是:4ns:

    如何将交流电转换为直流电

    1N4148 的切换速度达到 4 纳秒

    用 1N4148 替换上面的 1N4007, 能够支持到 100k 赫兹频率的信号。

    如何将交流电转换为直流电

    1N4148 可以支持到 100 k 赫兹的信号

    对于射频应用,你将需要开关速度更快的二极管。

    当你设计电路时,需要考虑二极管的最大额定电压、正向压降、额定电流和开关速度。

    如何将交流电转换为直流电

    二极管的几个重要参数

    半波整流

    有了上面的知识,就可以用二极管来搭建点东西了。二极管最常见的用途是用来将交流电转换为直流电。下面我们搭建一个非稳压(unregulated)直流电源。

    首先我们需要将家用 220 伏市电降压到更低、更安全的交流电。具体可参考我的另一篇 关于变压器的教程

    如何将交流电转换为直流电

    变压器输出 12 伏交流电

    图中蓝色黄色的线来自变压器的 12 伏输出端。

    负载为零时,变压器输出一个干净的正弦波,峰峰值约为 36 伏,频率为 50 赫兹。

    如何将交流电转换为直流电

    干净的正弦波

    二极管上场

    在输出的波形后面加一个 1N4007 二极管,然后测量二极管两端的电压,可以从波形中看到负电压被截断了。

    如何将交流电转换为直流电

    单二极管整流电路

    如何将交流电转换为直流电

    单二极管整流电路

    下面是上面单二极管整流波形图:

    如何将交流电转换为直流电

    单二极管整流波形

    下面是将上面两个波形叠加到一起的效果:

    如何将交流电转换为直流电

    单二极管整流波形

    从技术上讲,我只用一个二极管就将交流电转换成了直流电,因为负电压被消除了。但这个直流电实在是太糟糕了,一半时间是一个奇怪的驼峰电压,一半的时间电压为零,基本没啥用。要想把它变得有用,我们得给它增加一点稳定性。说起稳压,是时候让我们的老朋友电容出场了。我们在输出端加一个电容来稳压。

    电容上场

    我们在二极管后加一个 4.7 微法的电容,立马输出一个完美的电压为 18 伏直流电:

    如何将交流电转换为直流电

    18伏直流电

    一切看上去如此美好,那是因为电路中还没有加上负载。电容通过二极管充电,因为没有负载,电容储存的电荷不会被耗尽。我们给电路加一个 4.7k 的电阻作为负载,看看会发生什么。

    如何将交流电转换为直流电

    4.7k 负载

    通过欧姆定律可以计算出通过负载的电路大约为 4 毫安,18 伏 / 4.7k = 4 毫安。

    CH1 探头还是接在二极管正极,CH2 探头还是接在二极管负极,下图中 CH1 为黄色,CH2 为青色。

    如何将交流电转换为直流电

    尴尬了

    4毫安的电流电路就支撑不住了,输出的直流电变为了一个锯齿状剧烈抖动的波形。从上面波形可以看出,当交流输入为正时,二极管允许电流通过,因此电容器充电。但是一旦输入电压降为零,二极管就会阻止电流的反向流动,剩下的唯一能源就是那个微小的 4.7 微法电容器。如图所示,即使在负载很小,它也会很快耗尽。

    怎么解决这个问题?如果我们把电容看作存储电荷的水库的话,我们可以提高水库的容量,以便提供足够的电量给负载使用,直到下一次输入电压再次变为正值。

    更大的电容

    让我们用一个更大的 470 微法电容替换那个微小的一微法电容,看看会发生什么。

    如何将交流电转换为直流电

    增大电容

    增大电容到 470 微法后,直流电再次变直了,看上去还不错。现在我们有了一个可以提供几毫安电流的直流电源,这足以为一些传感器和运算放大器供电。

    如何将交流电转换为直流电

    看上去还不错

    现在,让我们把负载加大一下。我们把负载电阻增加到 10 欧姆,这会让电路需求的电流增大到一安培多。

    如何将交流电转换为直流电

    10欧姆负载波形

    输出电压再次抖动了起来,电压纹波的幅度很大。均方根电压只有 8 伏,因此电路中流过的电流只有大约 0.8 安左右。

    疯狂增加电容

    所以,即使是 470 微法的电容也不够了。我们可以添加更多的电容。

    如何将交流电转换为直流电

    更多的电容

    如何将交流电转换为直流电

    3290uF电容波形

    好多了,现在均方根值电压达到了 10 伏,说明电路中流过的电流大概有 1 安左右,峰峰值由 14 伏降到了 5 伏多。但 5 伏的纹波也确实太大了。我们可以继续增加更多的电容来减小纹波,但如果负载电流继续增大,达到几个安培,那么还得继续增加电容,这简直是个无底洞,不能继续这么搞下去,得另想办法。

    全波整流

    让我们看看下面这个神奇的电路:

    如何将交流电转换为直流电

    整流桥

    它由四个二极管按照一定的顺序排列组合而成,这就是“桥式整流”电路。也称为桥式整流器。

    正半周

    如何将交流电转换为直流电

    正半周

    在正弦波的正半周期,连接到菱形左边的电压为正(红),连接到零星右边的电压为负(蓝)。红蓝两个二极管导通,允许电流正向流动。剩余两个二极管截至,阻止流动通过,相当于断路。电流从上方的端子沿着红色(正)路径往右流到负载,再沿着负载流到输出,返回时沿着蓝色(负)路径回到下方的电源端子。

    负半周

    如何将交流电转换为直流电

    负半周

    现在在正弦波的后半部分,连到菱形左边的输入为负(蓝),连到菱形右边的输入为正(红),电流从下方的端子沿着红色(正)路径往右流到输出,返回时沿着蓝色(负)路径回到下方的电源端子。

    因此,与半波整流削掉交流电负半周不使用它相比,全波整流反转了负半周并使用了它。因此,在输出端会得到 100 赫兹的直流而不是 50 赫兹。

    如何将交流电转换为直流电

    半全波整流对比

    就像前面使用一个二极管进行半波整流时那样,我们也可以用电容器对全波整流的输出进行滤波以获得更加平滑的电压。

    这是笔者使用四个 1N4007 二极管搭建的桥式整理器,输入变压器的 12 伏输出,注意我使用了一个 4.7k 电阻作为负载。因为此时没有用电容器滤波,如果不接入负载直接测量输出波形的话会有变形:

    如何将交流电转换为直流电

    自制整流桥

    从下面的波形中,可以看到之前 50 赫兹的有正有负的电压,经过整流后变为没有负电压的 100 赫兹的恒为正的驼峰型电压。这被称为全波整流,因为我们正在对全交流波进行整流。白色的波形是输入波形,是使用示波器的参考波形功能保存好并调出显示的。因为此时交流和直流没有共同的接地,因此无法同时测量这两个波形。整流后的波形的峰峰值为 16.3 伏,均方根值为 11.2 伏。

    如何将交流电转换为直流电

    整流桥波形

    现在让我们使用一个 470 微法的电容,接上 10 欧姆的负载,看看全波整流表现如何。

    如何将交流电转换为直流电

    全波整流和半波整流对比

    现在我们获得了 10 伏的平均电压,而不是我们之前使用单个二极管获得的 8 伏电压。这是因为全波整流器对电容器充电的速度是半波整流器的两倍。 因为我们充分利用了 50 赫兹交流市电的正负两个半波。

    现在想想这些额外的二极管只需要几毛钱,带来了多大的不同。

    桥式整流器可能有点难以理解,由于这个电路太经典,但它实在是人类智慧的最佳表现形式之一,它的身影也无处不在,学习一下还是有必要的。

    现在让我们看看使用 3290 微法电容滤波的全波整流波形:

    如何将交流电转换为直流电

    整流使用3290uF电容

    均方根值(可以理解为平均值)到了 11.2 伏的电压高于之前使用的 470 微法滤波的 10 伏,电源纹波也由 8.5 伏降低到了 3.72 伏。

    换句话说,桥式整流器与大量电容的组合几乎可以将任何大电流交流电变成大电流直流电。但是要注意,使用的二极管和电容的额定电压必须大于需整流波形的峰值电压。这里全波整流后的波形峰峰值为 16.3 伏,使用额定电压为 25 伏或以上的电容就可以了。

    如何将交流电转换为直流电

    电容额定电压

    有一点需要注意,这些都是未经稳压的直流电源。这意味着即使我们已经成功地消除了很多电压纹波,我们仍然会遇到负载下平均电压变化的问题。

    空载时为 16.4 伏:

    如何将交流电转换为直流电

    空载电压稳定

    1 安培负载电压降到了 11.2 伏:

    如何将交流电转换为直流电

    负载时电压降低

    如果电路中的电流继续增大的话,输出电压还会下降。对于一些宽电压要求的电路来说,这不是问题。但是对于微控制器和其他一些数字电子产品,他们需要非常精确的电压源,为此需要生成所谓的稳压电源。

    如何将交流电转换为直流电

    需要精准电压的器件

    如何将交流电转换为直流电

    线性稳压器典型电路

    咱们下一期再讲稳压电源(Voltage Regulator)。

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    为了方便观察,将A通道信号波形图往下移动1.4格。

    6c91c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png

    上图A,B通道信号耦合输入方式都选择DC耦合时,得到B通道的波形符合理论上全波整流后的单向脉冲性特点,且频率为整流前信号频率的2倍。

    当把B通道信号耦合输入方式改为AC耦合时,B通道的波形往下移动了一个距离,看下图:

    6d91c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png

    为什么会出现这种情况?AC耦合输入让输入信号发生了什么变化。DC耦合、AC耦合又是什么?还有中间的0耦合方式又是什么?

    在信号处理领域,这是个值得商榷的话题。AC耦合、DC耦合究竟是什么?让我们先从耦合是什么开始回答。

    何为耦合?

    能量从一种媒介到另一种媒介,当中的传输过程(或者称为传输方式)就叫耦合。例如电能从金属电线到光缆的传输过程是一种耦合,马达的动能变为液压泵的压力能,中间的传输过程亦是一种耦合。可以理解耦合是一种传输工具,或转变方式。

    上述电路中示波器将通道输入端的电信号通过AC耦合或DC耦合转为屏幕上显示的电信号。AC、DC耦合是怎样一种转变方式?

    -----------------------------------------------------

    先说DC耦合,DC耦合能够同时允许电路中交流、直流信号同时通过,或者理解为它对信号不起拦截作用,允许所有类型的信号通过。因此DC耦合能够展现一个信号原始模样,但电路分析中,往往需要的是一个信号源中有用的信号,比如一个信号

    这个信号源就含有一个交流信号

    和一个直流信号5伏特。像这种信号源一般称为带有5伏特直流偏置的交流信号。

    如果我们只需要其中的对电路分析有用的信号,比如当中的交流信号,那么将该信号源通过AC耦合即可。

    AC耦合只允许交流信号通过。当示波器选择AC耦合输入方式,其实是在输入电路中加入一个电容,从而起到隔离直流信号的目的,让示波器屏幕只显示信号源中的交流成分,方便工程师检测电路。

    说白了,DC耦合就是对输入信号不做任何处理,对输入信号不产生任何影响。

    -----------------------------------------------------------------------------------------

    下面是一个带有200伏特直流偏置的交流信号源,同时用A、B通道对该电流源进行信号检测,其中A通道设置为DC耦合输入方式,B通道设置为AC耦合输入方式,结果如下:

    6e91c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png

    A通道检测的信号波形复原了电流源原始信号,而B通道则过滤掉直流信号,剩下交流信号。以上可以用简单的数学公式表示,过滤掉直流信号这个过程是不是有点像数学中三角函数求导,把常量部分抹去了,这只是目前自己的猜测。

    而Multisim中耦合方式还有一个是0,这个就相当于断路了,没信号输入。

    DC耦合允许任何类型信号通过;

    AC耦合只允许交流信号通过。

    2019/02/18 作者:业余电子狂魔

    参考资料:

    What is AC and DC Coupling?​blog.prosig.com
    7091c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png
    Difference Between AC & DC Coupling Oscilloscopes​ourpastimes.com
    7291c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png
    示波器直流和交流耦合 - 模拟技术 - 电子发烧友网​www.elecfans.com
    7391c58f-910f-eb11-8da9-e4434bdf6706.png
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  • 0 引 言在电力电子技术中,将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换,称为直流一直流变换。直流变换电路的用途非常广泛,包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正,...
  • 如何理解《信号与系统》?

    千次阅读 多人点赞 2020-12-01 09:59:28
    直到保研复习时,我通读了一遍课本,又看了好多网上的博客这才对《信号与系统》及其一些知识点有了更深的理解,在这里与大家分享一下,希望能对你有所帮助,以下只是我个人的理解,如果大家有不同意见欢迎与我交流。...
  • 基于MATLAB的语音信号处理

    千次阅读 2021-09-15 11:59:37
    语音是人们交流思想和进行社会活动的最基本手段,因此我们要对语音信号进行处理分析,优化人类通信交流。语音信号处理包括语音通信、语音增强、语音合成、语音识别和说话人识别等方面。语音信号的好坏、语音识别率的...
  • FFT是离散傅立叶变换的快速算法,可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的,但是如果变换到频域之后,就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外,FFT可以将一个信号...
  • LVPECL 到LVDS 的直流耦合所需的电阻网络需满足下面方程组: 交流耦合情况 LVPECL 到LVDS 的交流耦合结构如图18 所示,LVPECL 的输出端到地需加直流偏置电阻(142Ω到200Ω),同时信号通道上一定要串接50Ω电阻,以...
  • 1.傅里叶分析方法的理论基础 2 傅里叶分析方法概述与基本框架 3 函数/信号的积分 4函数/信号之间的相关性与正交 5. 基本正交信号的选择 6.傅里叶分析的基本思路 7 傅里叶分析的9大步骤
  • 对于工程师来说信号发生器是常用的通用仪器之一,是电子工程师信号仿真实验的最佳工具,在许多领域都有广泛的应用,安泰维修小编整理了一些关于函数信号发生器的使用方法以及注意事项,希望可以给您的实际操作带来...
  • 基带信号与频带信号

    万次阅读 2018-02-08 13:22:27
    基带信号(Baseband Signal) 信源(信息源,也称发终端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号,其特点是频率较低,信号频谱从零频附近开始,具有低通形式。根据原始电信号的特征,基带信号可分为...
  • 硬件设计:逻辑电平--差分信号(PECL、LVDS、CML)电平匹配 参考资料:逻辑电平设计规范 PECL电平匹配设计指南 CML信号与LVPECL信号的连接 硬件设计:逻辑电平--CML 硬件设计:逻辑电平--ECL/PECL/LVPECL 硬件设计:...

空空如也

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交流信号变为直流信号