测量电子电路设计
测量电子电路设计模拟篇,觉得讲解得比较深刻，分享给大家图解实用电子技术丛书测量电子电路设计滤波器篇从滤波器设计到锁相放大器的应用「日]远坂俊昭著彭军译钭学出版社北京图字:01-2005-4936号内容简介本书是“图解实用电子技术丛书”之一,也是《測量电子电路设计—模拟篇》的姊妹篇,主要介绍如何从放大了的信号中除去有害噪声,提取有用信号的滤波技术。书中介绍处理低频信号所必需的RC滤波蕃、有源滤波器、C滤波器,以及低频滤波器中能够实现极限Q值的锁相放大器的设计方法等,同时还提供大量的实验数据和模拟数据模拟篇中主要从高轉度信号量的观点,举具体的设计和制作实例详解模拟电路的基本电路,即放大电路。本书的读者对象主要是电子工程技木人员,也可供电子、自动化、仪器仪表等相关专业的师生参考学习。图书在版编目(CIP数据测量电子电路设计:滤彼器篇远坂俊昭著;彭详,北京:科学出版社,2006(图解实用电于技术丛书ISBN7-03-01712-9I.测…Ⅱ.①远…⑨彭…皿.①电子测量-电路设计②港波器设计N.TM930.111-64中国版本图书馆CIP数据核字〔2006)第041385号女编樨:赵方青崔炳哲贲任制作:魏莲责仔印制:刘士平广封面设计:李力共京东方龙盟久有限"司制作-:tp://www.okbuok.conll.cn臀☆服出版」京乐黄城根北街16号郎政编:007lh:tp://www.sciencecon海印射有限责佳公司印刷科学出版社发行各地新华书店经销2006年E月第版开本2006年6月算一次印刷印张:171/4印数:1—4000字数;26200定价:38.00元(如有印装质量问题我社负责调换〈新欣》)刊言本书是《测量电子电路设计—模拟篇》一书的姊妹篇《测量电子电路设计—模拟篇主要着眼于对来自传感器的具有一定S/N的微弱信号电压进行放大的技术。本书的主题则是从放大了的信号中除去有害噪声,提取有用信号的滤波技术无论是由一个电阻和一个电容构成的RC滤波器,还是分析類率高达几十吉赫的炯谱分析器都统称为滤波器,可见其包含的种类和技术非常庞杂木书在介绍应用丁处理频信号的RC滤波器、有源滤波器、LC滤波器,以及低频滤波器中能够实现极限Q值的锁相啟大器〔Iock- in Amplifier)的设计方法的同时,还提供了大量的实验数据和模拟数据。通常关于滤波器的专业书籍,既要颇费力气地阐述理论,又要介绍进行设计时必要的事项。而本书则将重点放在实用设计所必需的技术问题上。这些内容对于直接进行实际设计无疑是非常有用的,只是有关滤波器基础理论的内容相对而言略显单薄。因此书木罗列出参考文献,以供希望进一步深入学习滤波器理论知识的读者参考。要想了解锁相放大器.需要具备一定的锁相环( Phase LockedIoop,PLI)基本知识,不过简明易懂地介绍PIL,中使用的滤波器参数计算方法的专业书籍并不多见。本书对于PLL中使用的滤波器的计算问题,不但在介绍其设计方法的同时还提供大量的实验数据和模拟数据,所以请因PII知识比较欠缺而感到困惑的读者务必阅读这些内容。同时,也向那些对于锁相放大器的使用方法感到困惑的在物理、化学等领域工作的渎者推荐本书。为了熟练地使用测量仪器,必须熟知测量仪器的原理。当进行某种实验时,不仅需要购置正规厂家的测量仪器建立测量系统,还需要自制夹具提高实验准确性和速度。如果任何配件都寄希望于向厂家定做,既花费时间而又未必ⅱ前言合适。请务必阅读本书,学习并掌握自制前置啟大器和滤波器、排除外来噪声的技术,以便能够完成独创性的、质量更高的实验。《测量电子电路设计——模拟篇》和本书都是在CQ出版株式会社董事兼电子电路技术研究会主持人蒲生良治先生的建议下着手编写的ε利用休息日,为进行计算杋模拟而敲键盘,握着电烙铁做作业,原本预定半年完成,结果花了5年的时间。在此,谨向耐心等待迟到稿件的蒲生良治先生和作者的恩师——(株)NF电路设计集团常务董事荒木邦尔先生,以及给予了许多帮助的电子电路技术研究会的各位同仁致以深深的谢意而且,还要向包饺子高手—妻子宏子因怠慢而深表歉意,同时感谢她给予我的支持。著目录第1章概述1.1滤波器的特性与种类……1.1.1各种滤波器—本书介绍频率意义上的滤波器……………………………………11.1.2噪声与滤波器的节宽中中+当甲·甲···鲁中世1.1.3瀌波器对白噪声的滤波效果31.1.4防混浠作用的低通滤波器……………………51.1.5高通瀌波器(HPF)的作用1.1.6带通滤波器(BPF)的作用……1.1.7带阻滤波器(BEF)的作用1.1.8模拟滤波器与数字滤波器1.1.9能够自制的滤波器…………………………101.10由厂家制作的滤波器1.2滤波器的频率响应与时间响应特性■画121.2.1滤波器的阶数与衰减陡度………………121.2.2最大平坦:巴特沃斯特性3.2.3快速调整阶跃响应的贝塞尔特性131.2.4实现陡峭特性的切比雪夫特性141.2.5更加陡峭椭圆( Elliptic)特性151·2.6滤波器的副作馬—对响应特性的影响■■1.2.7髙通滤波器的时间哨应特性…画中b1.2.8带通滤波器的时间啊应特性……………19第2章RC滤波器与RC电路网络的设计…2.1最简单的RC滤波器曾即鲁鲁自·鲁申使费曹鲁啬轟最2.1.1RC低通滤波春的特性2.1.2DC前置放大春上附加RC濾波器222.1.3RC滤波器的多级连接23目录2加深对RC电路网络的印象262.2.1表现电路网络动作的万能曲线2.2.2设时利用渐近线272.2.3高頻截止/低频截止的A万能曲线282.2.4描述相位返回特性的B万能曲线…295PLL电路中应用的高频截止的B万能曲线…302.2.6应用于OP放大器相位补偿的低频截止的B万能曲线第3章有源滤波器的设计373.1概述373.1.1有源湖波器—确定参数值时的自由度高3.1.22阶有源濾波器设计基础3.2有源低通滤波器的设计………403.2.1经掌使用的正反馈型2阶IPF(增益=1)的构成3.2.25阶巴特沃斯LPF的计算例413.2.3使IPF具有放大率的滤波电路3.2.4王反缋型IPF(增益≠1)的构成…433.2.5减小元件灵敏度和失真的多重反愦型LPF…458,2.6有源IPF的高频特性……………………473.3有源高通滤波器的设计……493.3.1正反馈型2阶HPF的构成3.3.25阶切比雪夫HPF的计算例…………………5033.3多重反馈型HHF的构成…3.4状态可调滤波器的设计523.4.1状态可调滤波器的概念翻鲁音垂阝垂垂曲4非省当··垂523.4.2反转型与非反转型在特性上的差别…533.4.3在可变頻率-可变Q的通用滤波器中的应用…573.4.4状恋可调滤波器模块3.4.5低失真率的双截型濾波器583.5带通滤波器的设计…593.5.1将IPF与HPF级联59专栏A状态可调滤波器在低失真率振荡晷中的应用…615.2Q=10以下的1个OP放大器的多重反馈型BPF……………………………623.5.3中心频率为1kHz,Q=5的带通滤波器……633,5.42个放大器的高Q值BPF653.5.5能够用于评价OP故大器噪声的带宽100Hz的BPF………………………663.6带阻滤波器的设计……………………………693,6.1使用BPF的带阻滤波器693.6.2测量失真用的双T陷波滤波器aaaa,了附录有源滤波器设计用的归一化表3第4章LC滤波器的设计794.1LC滤波器概述冒留冒·d中「司自e业宁皇费曲日4.1.1LC滤波器在1ckHz以上的使用价值高4.1.2利用归一表和模拟器使设计变得简单…804.1.3LC滤波器的两种类型………………814.2LC滤波器的设计4.2.1低通LC濾波器的设计…4.2.2归一化表的使黑方法………834.2.3由低通滤波器(LPF)变换为高通滤波器(HPF)8442.4变换为带通滤波罨(BPF)………85专栏B函数台式计算机的应用42.5IPF的带宽越謇响应越慢…………………894.3LC滤波器的实验制作914.31附有5阶低通滤波器的前置放大器………914.3.2巴特沃斯BPF的试制94第5章模拟LC型有源滤波器的设计975.1模拟LC的概念……975.1.1不希望使用线圈甲q曾曹4975.1.2实现FDNR的电路………985.2实用的FDNR滤波器的设计………………985.2.15阶IPF均设计985.2.2特点—不受OP放大器直流漂移的影响…1005.2.3注意最大输入电平1025.2.4信号源电阻为Og的FDNR濾波器…-102目录5,2.5信号源电阻为0Ω的FDNR5阶低通滤波器的试制………10552.6抗误差用7阶切比雪夫滤波春的设汁……108特性的检验1105,2,8利用高速A/D转换器减轻滤波器的负担1125.2.9将电容变换为电感的GIC113第6章滤波器使用的RLC…1176,1滤波器使用的电阻器1176.1.1各种电阻器……176.1.2滤波瘗电路中的金属膜电阻春……………1176.1.3电阻的频率特性……………………1196.2滤波器使用的电容器………………………12⊥6.2,1电容握要注意等效串联电阻Rs…………1216.2,2糈潓波馨中不使用铝电解电容器1246.2.3叠居陶瓷电容器1266.2,4薄膜电容器…………………1286.2,5苯乙烯电容器1306.2.6云母电容器1306.3滤波器使用的线圈1336,3.1线圈的种类和等效电路…………………1336.3.2徵型电感〔圆筒形………………·1356.3.3壶形轶心……………………………1386.3.4用壶形铁心制作电感器的要点……………*1396.3.5基干壶形铁心的100mH电感器的设计…1426.3.5方形金属外壳电感器非着毒看D··晶↓d■,南1456.3.7环形铁心…………………………………14763.8环形铁心电感器的设计例148专栏C关于E系列标准值…………………151第7章变压器对噪声的阻断/抑制作用1537.1变压器概述…………………………………1537.1.1不可轻视变压器的作用…………1537,],2变压器的基本动作…1537.1.3变压器的等效电路154
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过程控制锅炉汽包水位模糊PID控制的LabVIEW仿真
锅炉汽包水位模糊PID控制的LabVIEW仿真ScientificResearchSystem Simulation Technology Application (Volume 13)Table 1. Rule list of fuzzy control of Kp据、结果显示。当运行程序时,只有前面板出现在计表1.K模糊控制规则表算机的屏幕上,作为虚拟仪器和用户的接口。与其他E仿真语言相比,除了能在 Labview软件中方便地使ECNB NM NS ZO PS PM PB用PID工具包进行模糊PID控制器设计外,在仿真过NB PBPB PMPM PS Z0 ZO程中还能实现对仿真参数的动态修改,只要按照要求NMPB PM PSPS ZO NS在前面板上写入相应的控制参数,便可以进行参数动Ns PPs ZO态修改,相应的更新结果可由前面板以多种方式显小ZO PM PM PS ZO NS NM N出来并可以数据文件形式保存。使仿真过程变得更加PSPSPS ZO NSNS NMNM灵活、便捷。本文所用的前面板如图4所示。PM PS ZO NS NM NⅥNMNBPB ZO ZO NMNM NM NBNB4基于LabⅤIEW的模糊PID控制系统设计美国NI( National Instruments)公司的LabⅤILW口回6,A·逦是基于数据流的图形化编程语言G的开发环境,是仪器控制与数据采集的编程平台,能快速构建实现交互控制系统的图形用户界面,并且它与测量、自动化硬 Figure3. Flow chart of drum water level control system件紧密的结合,具冇完善的数据采集、信号分析和信图3.汽包水位控制系统仿真流程图息显示的解决方案。 LabVIEW中的PD工具包(PIDToolkit提供∫一个完整的模糊控制设计系统,包括:汽包水裨制实验·模糊逻辑控制器设计子程序( Fuzzy Logic Con-roller Design):提供一个友好的图形用户界面(GUI),可以直观地设计和修改模糊控制器的水过低圣汽流量Fe的艰属函数、规则库、推理规则和去模糊方法等等。●」售定设计的结果保存在一个以结尾的文件中,应用冷水入口当诞0程序就谴用此文件。主PTD模糊控制器子程序( Fuzzy Controller.ⅵ):作为程在■a2序的个功能模块(函数),用于在应用程序中实现模糊控制算法。调入控制器子程序( Load Fuzzy Controller.ⅵ)E四常数56将fs文件调入应用稈序功能模块,将指定文件的Figure 4.The front panel of drum level control systemPID参数加载到应用程序的模糊控制器中。图4.汽包水位控制系统前面板框图软件设计由两部分组成,即前面板和流程图。在前面板,用输入控件( Contro)来实现参数的输入,参为了说明该控制策略相对其他控制方法的优越数的显示和程序运行的结果由输出控件( ndicator来性生,同时作了锅炉汽包水位系统常规串级PD控制的完成。流程图是完成程序功能的图形化源代码,通过仿真研究,其外回路和内国路均采用PD控制器,其对控件设置合适的参数和连线建立控制系统。采用模PID控制器的算法为糊PID控制的带前馈的串级三冲量控制系统的流程图u(t)=k,,(e+T Gedt+ la dr)如图3所示。式中:ε为设定值与探制过程返回量之间的偏差,基于 LabView开发的程序面板具有良好的人机K为比例增益,T为积分时间常数,Ta为微分时间常互动的风格,使用简单。前面板提供了丰富的图形控数,u(为控制器输出量。根据图3,设置PID控制器件,可以模拟传统仪器工作方式,在前面板上放置所的参数为K=3、T=150以及a4。两种控制方式的控需要的控件和指示器,实现仪器控制以及较直观的数制效果如图5所示。978-1-935068-81-5c2011 SirEs40o1994-2012cHinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.netScientifieSystem Simulation Technology Application( Volume 13)° Researcl从图5(a)可以看出,在无扰动情况下,采用普通差,而普通PID则在扰动过大的时候则无法做到这PID进行控制超调量约有30%,而采用模糊PID控制点。在汽包水位的控制过程中,通过在不同时刻施加则将超调量控制在10%以内,并且模糊PD控制更能不同扰动,其阶跃响应图显示岀模糊PD控制都要优有效地减少上升时间与调节时间;在初始状态有扰动于普通的PID控制,对锅炉汽包所存在的“虚假水位的情况下如图5(b)和5(c),模糊PID均比普通PID控控制得更好,达到更令人满意的效果。因此,采用模制具有更小的超调量及更短的调节时间;在第一次稳糊Pυ控制策略比常规P控制策略具有较好的调节定后施加两种扰动时如图5(d所示,模糊PID相比普品质以及较强的鲁棒性和抗干扰能力,而且能在对象通PID不仅响应快,超调小,更有效地消除了稳态误模型失配的情况下表现出较强的适应能力。设定值直世D(a)无扰动(b)加入10%蒸汽扰动(c)加入20给水扰动(d第一次稳定后施加两种扰动Figure 5. Curve: Unit step response of different disturbance图5.不同扰动下的单位阶跃响应曲线5结束语Steam Generator[],Journal of System Simulation, 2004, 16(10)P450-453.提出了使用 Labview构建模糊控制器进行锅炉刘红军,韩璞,工东风,锅炉汽包水位系统 DMC-PID串级控制仿真研究[,系统仿真学报,204,16(10),P450-453汽包八位控制的仿真研究,通过比较两种控制方式,[41 XU Chun-mci, ZHANG Haol, YANG Ping, Nonlincar pid-Pcascade control for boiler drum level [J]. East China Electric可以看出对于锅炉汽包水位,采用模糊PID控制在上Power:2009,37(5),P838~84升时间、超调量、调节时间等控制性能都要优于普通凃春梅,张浩,杨平汽包水位串级二冲量非线性PID控制系统[,华东电力,2009,37(5):838~84PⅠD控制。基于 LabVIew语言采用流程图形式开发的51Chul-lIwan Jung, et al. A real-time self-tuning fuzzy controller应用程序,具有良好的人机交互界面,形象直观的控through scaling factor adjustment for the steam generator of NPl574:53-60制界面,更强的数据处理功能及简便实用的参数显示(6] SONG Zhi-gang; YU Qi-xiang; WANG Yi-ming;ctl, Devclop功能。比使用其他仿真语言(如Maab/ Simulink工具ment of fuzzy controller for parameters adaptation of PID con-troller based on L abvIEW[1, Machinery Design manufacture箱)更容易实现各个模块之间传递数据,仿真过程还2003(4):P11~12.能动态修改仿真参数并实时更新,可以更好地配置控宋智罡,郁其祥,王益明等,基于 LabVIew的PID参数自适应模糊控制器设计山J,机械设计与制造,2003(4:11~12制器参数以达到最优,大大缩短没计周期,提高开发[7] Jin Yihui, Process Control [m, Beijing: TSinghua universily效率,具有较大的工程实用价值。press. 1988金以慧,过程控制[M,北京:清华大学出版社,1998[8 ZHAO Baochun, LUO Zon-gan, LIu Xianghua, Design andReferences(参考文献simulation of fuzzy logic controller based on LabVIEW], Control Engineering of China, 2006, 13(S1 ): 49-52[1] CHEN Hong-wei, XU Zhen-yu, YANG Bo, et al, Analysis of the赵宝纯,骆宗安,刘相华,基于LabⅤIEW的模糊控’器设计Influential Factors to Boiler Drum Level [], Power System En与仿真[,控制工程,2006,13:4952neering,2007,23(02):32-33[9] JiN Zhiqiang, Biao Qiliang, A method of design of PID controller陈鸿伟,许振宇,杨博,等锅炉汽包水位影响因素分析[电based on I abvIEW[], Control Automation, 2005, 21(6): 1-2站系统工程,2007,23(02):32-33金志强,包启亮,一种基于LabⅤIEW的PID控制器设计的[2 ZHOU Jia, CAO Xiao-ling, LIU Yong-wen, Controlling Strategy方法[,微计算机信息,2005,21(6):1-2Analysis of Drum Level in Boiler [J]. Boiler Technology, 2005, [10] National Instrument, Lab VIEW simulation moduler user manual36(03):5~10.IM, Austin: National Instruments, 2004周佳,曹小玲,刘永文,锅炉汽包水位控制策略的现状分炘[11 LI Guo-yng, A New Fu∠ y PID Controller[ J Journal of Sys-「J,锅炒技术,2005,36(03),P5-10tem simulation,2003,15(10):1492-1496[3 IIU Hongjun, HAN Pul, WANG Dongfeng, Simulation Research李国勇,一和新型的模糊PID控制器[J,系统仿頁学报,of DMC-PID Cascade for Water Level System of a Drum boile2003,15(10),P1492-1496978-1-935068-81-502011 Scares.o1994-2012ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.ner
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