戴维南匹配电路,戴维南等效电路的特殊情况
读电路图学电路原理:
交流电压信号调理电路:
从功能上,把该电路分为四部分,第一部分是由R1C1网络组成的一阶滤波电路,第二部分是由R2R3电阻网络组成的分压网络,第三部分是电容C2组成的交流通路,第四部分是R4R5电阻网络组成的偏置网络。
下面对每一部分分别进行理论分析:
第一部分R1C1组成的RC滤波网络。
在自动控制原理中,关于无源网络的数学模型,已经求得了RC一阶滤波网络的传递函数,这里再复习一下哈:
该R1C1网络的输出电压为U1,输入电压为Ua,因此,可列写输入、输出之间的微分方程:
对方程求取拉氏变换,在零初始条件下,可获得输入与输出之间的传递函数:
如果把RC网络用复阻抗表示,那么就得到了输出电压U1(s)=G(s)Ua(s)。
然而,应用求传递函数的方法求取电路中物理量,必须遵循前提条件:前后电气网络之间无负载效应,而目前这个电路图,明显不满足应用求取传递函数的条件,电阻R2R3对RC网络的输出产生了明显的负载效应。
可见,此处的RC一阶滤波网络不是简单的一阶滤波,该滤波网络与负载电阻网络之间存在着紧密联系,那么如何处理这个一阶滤波电路的输出电压U1?对于在电气上具有关联的节点,在物理上,满足KCL,KVL,VCR三个基本定理和基本电压电流关系,需要应用电路原理对其进行求解。
由于这个网络是T形网络,比较适合列写节点电压方程,即利用电压Ua,U1,U2,列写KCL方程:
求得电压U1:
这个公式无法看出电阻R1,R2与电压Ua,U2之间联系,把公式进一步处理:
令R1C1一阶滤波时间常数T1=C1R1R2/(R1+R2),Ua1为电压Ua对U1的等效作用电压,U21为电压U2对U1的等效作用电压。则:
到此,我们求出了U1值,获得了滤波时间常数T1,等效电阻为R1//R2,R1与R2的并联。当考虑了一阶R1C1滤波网络的负载效应后,新的滤波时间值小于不带负载效应的滤波时间值。而且电阻R2越小,滤波时间值越小。
电容C1的等效电阻为R1//R2在电路原理中的理论依据:戴维南定理
任意的电压信号,对外都可以用电压源等效代替,因此,把电压Ua和U2用电压源代替,对于电容电压U1,计算电压U1的等效阻抗,画出戴维南对外等效模型:
求取Ns网络的开路电压Uoc:
求取Ns网络的短路电流Is:
把Ns网络用电压源和等效电阻的串联模型表示:
可见,开路电压就是等效模型中的电压源Uoc,短路电流is等于电压源除以等效电阻Req。
因此可以求出等效电阻Req:
由此,依据电路原理中,戴维南等效定理,我们确定了电容C1对外等效电阻为R1//R2.把带有负载效应的RC网络微分方程用等效模型代替:
我们再回顾一下,不带负载效应的R1C1网络微分方程:
可见,R1C1滤波网络的输入电压变为等效电压Uoc,电阻R1变为等效电阻Req。
现在我们应用电路原理中的叠加定理计算电容电压U1的输入电压值:
等效电压Uoc由两部分组成,一部分与电压Ua有关,另一部分与电压U2有关。
如果把电压源U2短路,则Ua在U1上产生的电压为:
如果把电压源Ua短路,则U2在U1上产生的电压为:
而电容电压U1的输入电压Uoc为两个电压源Ua和U2分别作用的叠加和:
这就是叠加原理。
第二部分,求分压电阻上的电压U2。
把电压U1,U3用电压源表示,计算电压U2。同样列写节点电压方程:
求得电压U2:
把U1带入U2方程式中,求取U2和Ua,U3之间的关系。
令T2=C2R2//R3,得到U2值:
第三部分,交流耦合电容C2。
电容的作用是通交隔直。根据电容特性方程:
电容C2两端电压不产生变化时,电容C2流过的电流为0.因此,只有交流电流才能从U2变换到U3。根据叠加原理,电压U3是电压U2和直流电压5V的叠加和。首先把直流电压5V短路,求交流电压U2作用在U3上的电压值:
根据电路原理图,把电容C2用复阻抗表示,可直接求出电压U3:
令T3=C2R4//R5,则:
把U2带入上式,求得U3与Ua之间的关系:
化简后得到U3值:
令M=R2R3/(R1+R2)(R2+R3), N=R1R3/(R1+R2)(R2+R3),则进一步对分子分母进行分解:
可见,U3是带有微分环节的二阶系统输出电压;
第四部分,交直流电压的叠加。
由于已经获得了U3的交流电压成分,而U3的直流电压成分为直流电压5V在电阻R5上的分压值,通过在交流电压上叠加一个直流电压,可使得交流电压的零点进行偏移,因此,通常称这个电压为偏移电压,最终获得的U3电压:
有时,控制板没有负电压,无法对小于零的信号进行处理。对于无法处理负电压的控制电路,需要对交流电压的中心点电位进行叠加偏置,使其检测信号通过变换后变成完全大于零的信号。
通过公式我们发现,分母中虚部的值为所有时间常数的和,时间常数越大,累计和越大,而虚部越大,同样实部情况下,滞后角度越大。而分母中实部的值为T1(T2+T3),T1越大,乘积就越大,实部就越小,当实部等于0时,分母滞后角度为90度,而分子的角度也是90度,因此总的角度滞后为0,选择适当的时间常数,可以使得U3电压经过微分超前校正后不产生滞后。
无源网络系统不产生滞后的条件是:
由于电阻,电容的参数值在设计完成后是固定不变的,因此,要想等式成立,输入电压信号的角频率必须固定在设计好的ω处,才能使网络不产生滞后;当输入电压信号的频率是波动的情况下,无法实现信号不产生滞后或超前;
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