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一 常用电元器件yingliangwei1. 电阻，电容及电感1） 电阻器的分类 按结构可分类为 固定式电阻(阻值固定）和可变式电阻（阻值可调、可变）。固定式电阻按材的不同又分为膜式电阻（金属膜，碳膜，合成膜等）及特殊电阻，如光敏电阻MG、 热敏电阻MF，热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。可变式电阻可分为 普通电阻器、精度电阻器及微调电阻器。2)电阻器的主要技术指标额定功率：电阻器的额定功率是指在规定的环境温度和温度下，假定周围的空气不流动，在长期连续负载而不损坏或基本性能不变的情况下，所允许消耗的最大功率。电阻器额定功率分为等在实际中的应用较多的是标称阻值 标称阻值是产品标志的“名义”电阻 ，其单位是（）（）（）等允许误差：指电阻器和电感器实际值对于标称值的最大允许偏差范围，它表示产品的精度，一般而言，小于电阻允许误差范围是10%5%，大于电阻允许误差是10%20% 3）电阻器的应用对于低频的信号放大电路（共时，共集，共基等电路）,高频谐振功率放大器，通常选用电阻；对于小功率电源，常选用电阻；对于功率放大器，常选用电阻；在测试中作负载用的电阻常选用电阻。2） 电容器电容器是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换等。 按结构分为 固定式电容器、半可变电容器和可变电容器。 按介质材料分为： a 电解电容器应用最广泛的是铅电解电容，电解电容有正负极性之分，连接是不可反接，通常，电解电容的容量为 b 瓷片电容 瓷片电容常用于高频滤波、高频干扰信号旁路，其容量通常在之间。 c.独石电容 常用于振荡器，延时电路、其容量一般在之间。3)电感器 电感器一般由铜芯线圈绕制而成带铁芯的电感器通常可用于交流变压器。 带磁芯的电感常统称为中周，用于高频小信号谐振电路及高频振荡电路。2二极管1）分类 二极管按材料分为硅二极管和锗二极管，通常，电子器件中常用硅二极管。2） 用途 二极管按用途分为普通二极管（如1N4148，在电路中起限幅，嵌位作用）、 整流管（如1N4001、1N4004、1N4007等）、稳压二极管如2CW52（稳压管起稳压作用，连接方式为反向连接）、发光二极管 （用于表示电路的工作状态）等。3.三极管 1）三极管按结构分为NPN型和PNP型，按用途分为低频管、低频小功率管 （9018，9013，8050，8550等）、低频大功率管 （3DD15,BU406,3DG201等）、高频小功率管及 高频大功率管， 在使用三极管时，应注意识别 b,c,e电极。2）识别极性a 对于铁壳三极管（主要是国产管）若管壳上有定销， 则将管底朝上，从定位销起，按顺时针方向依次为e,b,c 如图1-1所示。 b对朔料壳封装三极管，且三根电极在半圆内，将三根电极的半圆（即顶部朝上），按从左到右的次序，分别为e,b,c，如1-2图所示。 c对于朔料封装大功率管从有字的正面看，依次为b,c,e（如BU406,3DD15）如1-3图所示。 4.模拟集成电路 二、模拟电子电路设计方法及步骤1. 电子系统组成电子电路通常分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型等三种。无论哪种电子电路，它们都是能够完成某种任务的电子设备。一般将规模较小、功能相对单一的电子电路称为单元电路，实际应用中的电子系统则由若干单元电路构成。通常，一个电子系统由输入、信息处理、输出三大部分组成，用来实现对信号的变换、放大和传输。图1-1为电子系统组成框图。控制对象或负载输出电路信息处理输入电路现场信息图2-1电子系统组成框图 输入电路的主要作用是对外加信号源进行阻抗匹配并对其进行适当的放大处理，输入电路的主要形式为由运算放大器，三极管及场效应管等分点元件组成的放大器等；信息处理电路主要由各种有源滤波器（如低通，高通，带通，带阻等滤波器）等组成，以调到实际需要的某种频率范围内的信号；输入电路的作用使对某频率范围内电信号进行放大或变换，使信号具有足够大的电压，电流或功率；输出电路是由开关电路，甲乙类功率放大器等组成；控制对象或负载是将输出电路传送的电能量转换成其他形式的能量，已完成特定的功能，如喇叭，电铃，继电器等。2. 模拟电子电路的设计方法模拟电子线路常采用层次式设计方法。层次式设计方法的基本策略是将一个复杂的系统按功能划分为若干子系统。实现层次式设计方法的重要技术途径将其模块化，即将一个系统划分为一系列子模块，然后对这些子模块的功能或要完成的任务给予明确的定义，即将一个系统划分为若干规模不太大，功能相对单一的电路。 3模拟电子电路的设计步骤 通常，电子电路的一般设计流程如图2-2所示1. 方案设计 按照系统总的设计要求，将电路划分为若干功能模块（即将系统划分为完成某项任务的模块），从而得到系统方框图，每一个方框图即为一个单元电路。按照系统性能指标要求，规划出各单元电路所要完成的任务，确定各模块输入与输出之间的关系。最后决定单元电路的结构，所谓决定单元电路的结构，即为决定单元电路的组成方式，例如单元电路的组成方式为放大电路，滤波电路等。2.电路设计 电路设计是按功能模块确定的单元电路设计。在该部分设计中，应详细拟定单元电路的组成，性能指标及与前后级的关系，例如进行单元电路设计。如果（即单一电路）的任务是对信号进行放大，应确定是低频放大器还是高频放大器。在此基础上，是应明确是采用分立元件还是采用模拟集成电路。若采用分立元件组成电路，要考虑是采用三极管还是采用场效应管等。3.器件设计 器件设计，是在单元电路的结构确定后，根据单元电路的功能，确定具体元器件型号及计算相应电路系数，元器件选择分为阻容元件的选择；分立元件的选择和模拟集成电路的选择； 阻容元件的选择电阻器及电容器的种类很多，不同的电路对器要求也不同，应具体情况具体分析。a.对于低频小信号放大器，高频小信号放大器，即工作与甲类的小信号放大器。电阻选用 电阻b.对于整流滤波电路中的滤波电容，一般选用的电解电容；若滤除高频谐波，则要在电解电容两旁并联瓷片电容。对于电路中的退藕电容，常选用瓷片电容，以滤除高频谐波。对于振荡器所用电容，一般选用杂质较少的硅石电容 分立元件的选择 常用分立元件包括半导体二极管，三极管，场效应管等，应根据用途不同，分别进行选择。a.对于稳压二极管，应注意其稳压值，不同稳压值的稳压二极管，其型号是不一样的，例如：常用稳压二极管的稳压值为等。在应用时，应根据计算出的稳压值选择稳压二极管。b.对于整流二极管，应根据其最大方向电压，流过的平均电流来选择不同型号的二极管，如整流电流为1A，最大反向电压为50V，则应选用1N4001作整流二极管。c.对于三极管，应根据用途选择是NPN型还是PNP型，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，同时应注意三级管的参数，如最大允许功率损耗,集电极最大允许电流,反向击穿电压，交流电流放大系数，特征频率及截至频率等，这些参数对应于具体的型号，在手册上均已给出。模拟集成芯片的选择 模拟集成芯片的选择，应在熟悉其功能的，参数的基础上，在满足单元电路功能的基础上进行选择。a.对于固定式直流稳压电源，在输出电流不大于1A情况下，可选用78xx系列稳压器，如要得到5V输出电压，可选用7805稳压芯片。b.若要求对于信号幅值按比例增减，可选用运算放大器，如、等。c.对于电压幅值进行比较，判别的电路，可选用电压比较器，如MA741,op07,LM324等d.对于振荡频率小于的振荡器，可选用NE555定时器，由组成的振荡器等。4.电路仿真及测试 仿真在各功能模块中的单元电路设计及器件设计完成后，可使用电子设计自动化中心PSPice,Multisim等应用软件进行仿真，这样，即可检验电路设计及元件选择的合理性，而且可避免在实际测试设备中使用大量元器件，以提高设计效率，从而减少设计周期。 调试调试分为单元电路调试及整机调试，在调试中应首先对各功能模块中设计的单元单元进行调试，然后进行整机测试。 三水温自动控制系统设计 设计要求：模拟一个水温自动控制系统，当水温小于或等于20时，系统自动加热；当水温高于或等于50停止加热，并用数码管显示其温度情况，水温测量用热敏电阻，加热及停止用不同颜色的发光二极管显示。1. 设计方法及步骤按前一节所述，首先进行方案设计，按照设计要求，将系统划分为若干功能模块（即单元电路模块），得到系统框图，然后确定各单元电路要完成的任务，最后得到单元电路的具体结构（即电路的组成方式）。该系统框图如图3-1所示。系统框图说明如下： （1） 信号调理模块由于被测是温度，由设计要求，温度检测用热敏电阻。因为热敏电阻是将温度的变化转换成电阻值的变化，故在系统中应有信号调理电路，其作用是将温度的变化这样一个非电量转换成电信号，然后加以放大。以便后一单元电路检测。信号调理电路的任务是将非电量转换成电量并适当放大。故该模块为放大电路。（2） 水温检测模块水温检测模块的任务是将经转换后得到的温度间接测量值与设计要求所设定的上限温度，下限温度进行比较，从确定对被测对象是加热还是不加热，故该模块电路的形式是参量比较器。（3） 加热/停止加热模块加热/停止加热模块的任务是对水温用电热丝进行加热或停止加热。在这里，是对热敏电阻进行加热，故该单元电路也是放大电路。温度显示模块任务是将当前的温度反映在显示器上，故其作用是将温度的间接值，这样的模拟量转换成数字量加热/停止加热显示部分的作用是将两个不同的状态用不同颜色发生二极管显示出来，这部分电路的任务是两种不同的状态显示，故用开关电路即可2.电路设计与器件设计1）信号调理模块 电路设计 信号调理模块的任务是将非电量转换成电量，然后加以放大，将非电量转换成电量的传感器用热敏电阻。当环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，利用这一特性，将非电量（温度）转换成电量（热敏电阻上的压降变化），因此，信号调理模块可以用三极管组成的放大电路，还可以用由运算状态组成的放大电路。这里选用由运算状态组成的放大电路最为方便。电路如图3-2所示。由图3-2，由运放组成的放大器为同相比例运算放大电路，其电压增益 ，即 这样，其中热敏电阻上的电压。电路的设计思想是这样的：设热敏电阻在环境温度为时阻值为则=，这样 当选用负温度系数电阻时（关于这点，以后再详细介绍），环境温度越高，则热敏电阻的阻值愈小，设环境温度为时，其阻值为，则此时 ) 这样由于温度变化引起的热敏电阻变化，就通过运算放大器转换成了电信号。采用同相比例运算电路的理由如下：由于同相比例放大电路具有深度电压串联负反馈电路，它的输出电压较稳定，其输出电阻很小，故对后级电路而言，相当于一个电压源，因此带负载能力强。串联型的负反馈其输出电阻增大，这样就减少了对前级电路取用的电流。故对前级电路的测量精度不会产生不良影响。 器件设计a.运放的选择 器件设计要从整个系统的角度来考虑： 是采用双电阻供电的运放还是采用电源供电的运放？ 是采用精度型运放还是采用普通型运放(从价格来考虑)？普通型运放常有的有，其供电电源为 5V18V，且可以用正电源以+5V+18V供电；精度型运放常有的有OP07,其电源供电范围为5V18V通常为12V，且不能单电源供电。综合以上情况，选用运放且采用+5V单电源供电。图3-2所示电路中的电阻及的阻值要结合热敏电阻的具体参数来确定。将热敏电阻的阻值转换成电压的电路可采用分压电路，如图3-3所示。这里分压电压值应在13V，（为什么要这样选择，请同学们自己思考）分压电路的直流电源采用+5V电源。b.热敏电阻的选择热敏电阻从结构上可分为正温度系数电阻和负温度系数电阻，正温度系数电阻（PTC）是当温度增加时，其电阻阻值迅速增大；负温度系数电阻（NTC）是当温度增加时，其电阻阻值呈非线性减小。正温度系数电阻一般应用于电冰箱和压缩机启动电路、彩色电视机消磁电路、电动机过热保护等电路中。负温度系数热敏电阻一般应用于各种电子产品中的温度检测、温度控制等。常用的温度检测用NTC热敏电阻有MF53MF57系列，每个系列又有多种型号，同一类型不同型号的NTC;其标称电阻阻值也不相同。常用测温及温度控制用NTC热敏电阻有MF51系列、MF54系列、MF55系列等,因此,信号调理部分电阻的选择是在选定热敏电阻后来进行的。c.电路外围电路所用元件参数计算电路的设计以选定的热敏电阻系数入手，然后计算出所需要的电压增益，以58系列热敏电阻为例说明计算方法。经查，在时，电阻值为的热敏电阻分段如表3-1：单位：29.394 5 23.31910 18.659 1515.052 2012.229 2510.000 308.225 356.802 405.654 454.721 503.958 553.330从上表知，在常温（）时，热敏电阻的阻值为10。由设计要求，当环境温度为下降至20，系统要加热；当温度上升为50时，停止加热，故查表3-1得：20，对应阻值为12.22950，对应阻值为3.958即当时，当时，分压电路所用电源选为+5。，这样然后再计算所需要的电压增益设所要求的电压增益则，取，这样，当时,此时当时，,此时（Note：为什么取，能否取？）这样得到的电路如图3-所示。2）水温检测模块水温检测模块的任务是将20和50的相对电压值检测出来，并将这二个电压值提供给加热/停止模块及加热、停止状态显示模块，因此，这部分由电压比较器组成，利用运放的非线性特性来完成，由于对应20和50有两个电压值，故应使用二个电压比较器及信号锁存器来完成。a.对应于20时的检测电路由于采用负温度系数电阻，温度越低，电阻值越大，故采用反相电压比较器，电路如图3-。由信号调理电路输出的电压作用于运放的同相输入端，取，阀值电压代入数据，计算得考虑到电阻的允许误差，用电位器代替，取，这样得到图3-所示电路。其工作原理如下当环境温度大于20时， （实际值为0.3）当温度小于或等于20时，（实际值为3.54.8）b.对应于50时的检测电路由于温度越高，的阻值越小，信号调理输出的电压越低。这样，采用反相电压比较器，即作用于的反相输入端电路如图3-所示。其工作原理如下：当环境温度没有到50时，（实际值为0.3）当环境温度大于或等于50时，（实际值3.54.8）阀值电压的确定：取代入数据1.65得到考虑到电阻的允许误差为故用阻值为50的电位器代替综上所述，对于：20时，时，对于：20时，时，我们用运放、不同的输出状态控制加热/停止电路的工作。由设计要求，当加热，当时，停止加热，由以上分析，将、的输出分别接触发器的置数端及清零端，可达到要求，电路如图3-所示。控制过程如下：a（）当温度到达时，对，对于，。7404_B输出低电平，触发器74LS74输出端0，停止加热。b（20T50）当温度从50逐渐减小到大于20，即20T50对于，74LS04_A输出为高电平对于，74LS04_B输出为高电平这样,D触发器7474输出端状态保持不变，即“0”不变，停止加热。c（）当温度小于时，即时，对于，74LS04_A输出由高电平变为低电平D触发器74LS74置数端0，导致其输出端“1”（实际电压值3.64.5），开始加热。对于，74LS04_输出维持高电平不变d.温度从20逐渐上升至小于50时，即20T50时，对于，输出为高电平触发器置数端1.由其输出状态不变，即“1”不变，继续加热。对于，输出为高电平触发器置数端1.其输出状态仍然不变。综上所述，其逻辑状态表如表3-2所示。3）加热/停止加热控制模块（温度控制）对于水温加热/停止控制模块，按理应该对放置在水中的电热丝加热，但在实验中，我们不可能做一个水箱，然后在水箱中安置电热丝。在实验中，我们通过加热3电阻的方式产生一定温度，然后将热敏电阻靠近3电阻，通过间接加热方式来实现温度的加热/停止。按上述思路，如何做到使3W电阻通电产生热量呢？同学们可能首先考虑到的是用放大电路，使三极管处于放大状态。那么是否可以直接用水温检测电路输出的信号直接控制放大电路呢？换句话说，能否使放大电路一直处于导通状态，即三极管处于持续导通状态，还是处于间歇导通状态，这个问题请同学们自己去思考。加热/停止加热控制模块电路设计按如下思路进行：通过振荡器，产生持续的占空比一定的脉冲信号来控制三极管的导通，此时，三极管处于开关状态（即三极管只有导通和截止二种状态），而且振荡器要处于可控状态，即温度检测控制信号高电平到来时，振荡器工作，产生持续的方波脉冲，使三极管处于间歇工作方式，当三极管导通时，有电流流过3电阻，从而电阻上产生热量，以使热敏电阻感受到；当温度检测控制信号为低电平时，振荡器不产生振荡信号，三极管截止，从而没有电流流过3电阻，即加热/停止加热模块处于不工作状态。振荡器采用NE555构成占空比可调(占空比从2080)的多谐振荡器,电路如图3-所示。其振荡频率660KHz，多谐振荡器输出端连接一开关电路，以控制三极管的导通和截止。 其工作过程如下： 当T20时， Q“1”，振荡点工作。三极管处于间歇开关状态，这时开关电路有间歇电流流过。20/3W电阻发热，安装在它旁边的热敏电阻感受到其温度变化，并将该度变化转换成相应的电阻值，以使后续电路作出判断。在一个振荡周期，三极管导通时间是通过调节其占空比来实现的。当20T50时,由于定时器NE555 脚始终是高电平，则振荡器持续工作。开关电路间歇导通，则热敏电阻温度持续上升。当T50时，定时器NE555 脚为低电平，振荡器停止工作，NE555 脚输出为低电平，三极管T截止，则20/3W电阻无电流流过，热敏电阻温度逐渐下降。4）控制状态显示模块控制状态显示模块实际上是通过一个开关电路使加热/停止加热的两种状态通过发光二极管显出来，这部分电路如图3-10所示。图3-10中，74LS74为温度检测电路中的D触发器74LS74.当t20时， 74LS74 Q=“1”，=“0”（为增强Q端带负载的能力，在其输出端再接2个反相器，以增强带负载能力），则导通，截止，绿灯亮，表示正在加热；当20t50时，由于74LS74输出端Q1不变，则绿灯持续亮，表示加热在继续；当t50时，74LS74端输出1，Q0，则截止，导通，红色发光二极管亮，表示加热停止。还可以采用一种更简单的方法，可用三极管、，直接用LED显示加热、停止加热状态，电路如图3-11所示。在D触发器74LS74 Q及端分别接二个反相器的目的是为了增强其驱动能力。 5）温度显示模块 温度显示模块的任务是将环境温度（2050）在数码管上显示出来，其方法时将热敏电阻随温度的变化值转换成相应的电压值，然后通过三位半LED专用A/D转换显示芯卡ICL710