开关型霍尔传感器在测速系统中的应用.doc

开关型霍尔传感器在测速系统中的应用作 者 姓 名 孔海东 专 业 电子信息工程 指导教师姓名 张绪光 专业技术职务 副教授 目 录摘 要 1 第一章 方案论证与总体设计21.1方案的提出与分析 21.2器件的选择与确定31.3方案的确定 3 第二章 霍尔传感器各单元电路的设计2.1 转速感应电路2.1.1 转速感应电路的组成2.1.2 转速感应电路的原理2.2整形电路2.2.1 整形电路的组成2.2.2 整形电路的原理2.3计数译码显示电路2.3.1 计数译码显示电路的组成2.3.2 计数译码显示电路的原理第三章 测速电路各元器件分析3.1 电阻器3.1.1电阻器的基本知识3.1.2电阻器的种类3.2电容器3.2.1电容器的相关特性及作用3.2.2电容器的识别方法3.2.3电容器的分类3.3 三极管3.3.1三极管的基本知识3.3.2三极管的工作过程3.3.3三极管的特性曲线3.3.4 判断三极管的引脚3.3.5三极管的应用34 施密特触发器3.4.1施密特触发器的基本知识3.4.2施密特触发器的应用3.5 放大器3.5.1 放大器的基础知识3.5.2 放大器的应用3.6 霍尔传感器3.6.1霍尔传感器的基本知识3.6.2霍尔传感器的应用3.7计数器3.7.1计数器的基本知识3.7.2计数器的应用摘 要随着科技的不断发展，人们的测量技术越来越高明，测量技术在构建高质量产品的制造和高效率生产环境的过程中起到的作用与日俱增。目前在精密计量检测领域，测量精度已从原来的微米量级发展到纳米量级，可见精度的提高之快，人们对测量准确性的要求越来越高。而对于转速的测量，我们在这里我们的要测的转速，采用的元器件是开关型霍尔传感器，霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间，结合计数器时可用来精确的计算脉冲数，同时在这里采用了放大器来消除不必要的误差，结合了显示器跟译码器来显示出转速，最后就可以计算出转速。由于采用了三个计数器，可以显示的转速最多为1000转。通过以上器件组合起来，我们可以测得单位时间内不超过1000转的发动机的转速。由于放大器，计数器，译码器，显示器的有效结合，可以尽可能的减少误差，是测量尽可能准确。关键词：测量技术 霍尔传感器 计数器 译码器 显示器 ABSTRACT With the continuous development of technology, measurement technology today are becoming more sophisticated. measurement technology in manufacturing high-quality products, and building more efficient production environment are playing an increasing role. Currently testing in the field of precision measurement, precision micrometers from the original development of the nano shows the improvement of accuracy of the speed, people are increasingly demanding measurement accuracy. For speed measurement, we are here to test our speed, use of components was Hall Switch Sensor, Hall-Hall-effect sensor is achieved using a magnetic sensor conversion, it has a high sensitivity, line linearity, high stability, small size and high temperature characteristics, the requirements on the speed measurement equipment is strong resolution, accuracy and detection time as short as possible, combined with counter can be used to accurately calculate the number of pulses, while amplifier used here to eliminate unnecessary error, a combination of displays with the decoder to display the speed, final speed can be calculated. As a result of the three counters, can display a maximum speed of 1000 rpm. Combinations of the above devices, we measured per unit time can not exceed 1000 rpm engine speed. As the amplifier, counter, decoder, display effective combination, may reduce the possible error is measured as accurately as possible第一章 方案论证与总体设计1.1方案的提出本设计是一个数字电路设计题目，由任务要求，要求利用开光型霍尔传感器测转速，并且能够显示出来，因此要用到计数器，译码器，显示器等来组成一个转速测量装置。工作原理过程为：控制一端时间，在这段时间内由于开关型霍尔传感器的输出为一个个的尖脉冲，可以利用其输出的1脉冲测其转速。输出的脉冲首先经放大器放大，以防止因个别脉冲幅度不够而出现误差。放大后的信号经施密特触发器组成的整形电路转换为矩形脉冲，然后经过计数器计算脉冲个数，经译码器跟显示器，即可直接显示脉冲的数目，即发动机的转速。1.2器件的选择与确定开关型霍尔传感器的选择：拟选择型号为SL3051的霍尔传感器，因为开关型霍尔传感器SL3051是具有较高灵敏度的集成霍尔原件，能感受很小的磁场变化，可以用来对黑色金属零件进行计数检测，因此可以选择此器件。放大器的选择： 拟选择型号为uA741的放大器，uA741的放大器通用高增益运算通用放大器，可用来对信号进行放大，用来克服因电压过小而产生的误差。触发器的选择：你选择型号为。的施密特触发器，若将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于UT的脉冲才能在输出端产生输出信号。因此施密特触发器能将幅度大于UT的脉冲选出，具有脉冲鉴幅的能力。计数器的选择：拟选择型号为74LS160的十进制计数器，可以采用并联三个的方式达到一千进制，用来对经整形出来的矩形信号进行计数。译码器和显示器的选择:拟选择型号为74LS48的译码器和型号为BS201的七段共阴极数码管，此译码器有四个输入段，七个输出端，可以用来接BS201 显示计数器输出的数字。通过以上可确定型号，器件的选择1.3方案的确定由以上工作原理的确定和器件的选择，可以定出方案原理图为在控制的时间段开关型霍尔传感器SL3501的输出为一个个的尖脉冲，利用其输出的尖脉冲经放大器uA741放大，放大后的信号经施密特触发器组成的整形电路转换为矩形脉冲，然后经过计数器74LS160计算脉冲个数，经译码器74LS48跟七段共阴极数码管BS201，即可直接显示脉冲的数目，即为单位时间内发动机此时间段内的转速。第二章 霍尔传感器各单元电路的设计2.1 转速感应电路2.1.1 转速感应电路的组成 霍尔组件具有结构简单，体积小，动态特性好和寿命长的特点，他不仅用于磁感应强度，有功功率及电能参数的测量霍尔集成传感器是将霍尔组件和放大器等集成在一块芯片上、它由霍尔组件，放大器，电压调整电路，电流放大输出电路，失调调整及线性调度电路等几部分组成，有三端T形单端输出和八角双列直插型双端输出两种结构。它的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。霍尔开关传感器SL3051是具有较高灵敏度的集成霍尔组件，能感受很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行检测，也可用来感知转动的金属，当被测转轴转动时，固定在旁边的霍尔传感器便可以磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出固定时间段内的脉冲数,在这里我们1，3和4，其中1，3管脚一个接电源，一个接电路，构成原理图为 2.1.2 转速感应电路的原理由以上分析可以得出在固定时间段为t，时间段内的转速为n,单位时间内的转速为m,则可把单位时间的转速表示为， m=n/t即为要求的结果。2.2 整形电路2.2.1 整形电路的基本构成由于施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它在性能上有两个重要的特点：第一， 输入信号从低电平上升的过程中，电平状态转换是对应的输入电平与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第二， 在电路状态转换时，通过电路内部的正回馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特性，不仅能将边沿变化缓慢的信号整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将迭加在矩形脉冲高，低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器的原理图1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+（a）同相输出的回差特性 （b）同相输出的逻辑符号1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+(c)反相输出的回差特性 （d）反相输出的逻辑信号图815 施密特触发器的回差特性和逻辑符号2.2.2 整形电路的原理在这里选用由CMOS反相器构成的施密特触发器，当将一系列的幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端时，只有那些幅度大于VT+的脉冲才会在输出端产生输出信号。因此，施密特触发器能将幅度大于VT+的脉冲选出，具有脉冲鉴幅能力。tui0tuo0UT+UT- 2.3计数译码显示电路2.3.1 计数译码显示电路的组成计数器是用来实现计数功能的时序逻辑器件，它的应用十分广泛，不仅可以用来记录脉冲的个数，也可以用作分频，定时等。可以用集成触发器或者集成计数器构成任意进制的计数器，在这里选用的是型号为74LS160的十进制计数器，用此计数器可以很方便的构成其他进制的计数器。译码器选择的是型号为74LS48的由于此译码器为4-7线译码器，当其与七段共阴极数码管BS201配套使用，可以实现显示计数器输出的数字。2.3.2 译码显示电路的原理 输入脉冲通过计数器计数，计数器输出接到译码器再驱动显示器构成计数，译码，和显示电路。电路原理图为第三章 测速电路各元器件分析3.1 电阻器3.1.1电阻器的基本知识电阻（Resistor）是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。其常见电阻器如图4-1所示。 光敏电阻 电阻器 碳膜电阻 可调电阻 精密电阻 贴片电阻图4-1电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“ ”表示。欧姆是这样定义的：当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。除了欧姆外，电阻的单位还有千欧（K），兆欧（M）等。其换算关系为： 1M=1000K ， 1K=1000。 电阻器的电气性能指标通常有标称阻值,误差与额定功率等。 它与其它元件一起构成一些功能电路，如RC电路等。 电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。色环法在一般的的电阻上比较常见。由于精密电路中的电阻一般比较小，很少被标上阻值，即使有一般也采用数字法，即： 101表示100的电阻； 102表示1K的电阻； 103表示10K的电阻。通常来说，使用万用表可以很容易判断出电阻的好坏：将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。应注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。但在实际维修中，很少出现电阻损坏，除少数特殊电阻外，也很少去关心电阻的阻值。着重注意的是电阻是否虚焊，脱焊。如果一个电阻器的电阻值接近零欧姆（例如，两个点之间的大截面导线），则该电阻器对电流没有阻碍作用，串接这种电阻器的回路被短路，电流无限大。如果一个电阻器具有无限大的或很大的电阻，则串接该电阻器的回路可看作开路，电流为零。工业中常用的电阻器介于两种极端情况之间，它具有一定的电阻，可通过一定的电流，但电流不像短路时那样大。电阻器的限流作用类似于接在两根大直径管子之间的小直径管子限制水流量的作用。3.1.2 电阻的种类 a.按阻值特性可分为固定电阻，可调电阻，特种电阻。不能调节的,我们称之为定值电阻或固定电阻,而可以调节的,我们称之为可调电阻.常见的可调电阻是滑动变阻器,例如收音机音量调节的装置是个圆形的滑动变阻器,主要应用于电压分配的,我们称之为电位器。. b按制造材料 可分为碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，无感电阻，薄膜电阻等。 薄膜电阻是用蒸发的方法将一定电阻率材料蒸镀于绝缘材料表面制成的。主要有碳膜电位器（将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器），金属膜电位器（用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面），其中金属膜电阻比碳膜电阻精度高，稳定性好，噪声，温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。金属氧化膜电阻器是用锡和锡的化合物喷制成溶液，经喷雾送入500的恒温炉，涂覆在旋转的陶瓷基体上而形成的。其性能与金属膜电阻器类似，但电阻值范围窄。其典型的特点是金属氧化膜与陶瓷基体结合的更牢，耐酸碱能力强，抗盐雾，因而适用于在恶劣的环境下工作。 合成膜电阻 是将导电合成物悬浮液涂敷在基体上而得，因此也叫漆膜电阻。由于其导电层呈现颗粒状结构，所以其噪声大，精度低，主要用他制造高压， 高阻， 小型电阻器。线绕电阻是用高阻合金线绕在绝缘骨架上制成，外面涂有耐热的釉绝缘层或绝缘漆，具有较低的温度系数，阻值精度高， 稳定性好，耐热耐腐蚀，主要做精密大功率电阻使用，缺点是高频性能差，时间常数大。实芯碳质电阻是用碳质颗粒壮导电物质、填料和粘合剂混合制成一个实体的电阻器，特点是价格低廉，但其阻值误差、噪声电压都大，稳定性差，目前较少用。金属玻璃铀电阻是将金属粉和玻璃铀粉混合，采用丝网印刷法印在基板上耐潮湿，高温，温度系数小，主要应用于厚膜电路。贴片电阻SMT是片状电阻是金属玻璃铀电阻的一种形式，他的电阻体是高可*的钌系列玻璃铀材料经过高温烧结而成，电极采用银钯合金浆料。体积小，精度高，稳定性好，由于其为片状元件，所以高频性能好。无感电阻常用于做负载,用于吸收产品使用过程中产生的不需要的电量,或起到缓冲,制动的作用,此类电阻常称为JEPSUN制动电阻或捷比信负载电阻C.按安装方式分插件电阻、贴片电阻。d.按功能分负载电阻，采样电阻，分流电阻，保护电阻等3.1.3电阻的使用中的主要参数1、标称阻值：电阻器上面所标示的阻值。 2、允许误差：标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差，它表示电阻器的精度。 允许误差与精度等级对应关系如下：0.5%-0.05、1%-0.1(或00）、2%-0.2(或0）、5%-级、10%-级、20%-级 3、额定功率：在正常的大气压力90-106.6KPa及环境温度为5570的条件下，电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。 线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、10、16、25、40、50、75、100、150、250、500 非线绕电阻器额定功率系列为（W）：1/20、1/8、1/4、1/2、1、2、5、10、25、50、100 4、额定电压：由阻值和额定功率换算出的电压。 5、最高工作电压：允许的最大连续工作电压。在低气压工作时，最高工作电压较低。 6、温度系数：温度每变化1所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的为正温度系数，反之为负温度系数。 7、老化系数：电阻器在额定功率长期负荷下，阻值相对变化的百分数，它是表示电阻器寿命长短的参数。 8、电压系数：在规定的电压范围内，电压每变化1伏，电阻器的相对变化量。 9、噪声：产生于电阻器中的一种不规则的电压起伏，包括热噪声和电流噪声两部分，热噪声是由于导体内部不规则的电子自由运动，使导体任意两点的电压不规则变化。 3.2 电容器电容器（简称电容）也是组成电子电路的主要元件。它可以储存电能，具有充电、放电及通交流、隔直流的特性。其常见电容器如图4-1所示。 电解电容 可调电容 电容图4-23.2.1电容器的相关特性及作用电容器的结构特性：电容器是由两个相互靠近的金属电极板，中间夹一层绝缘介质构成的。在电容器的两个电极加上电压时，电容器就能储存电能。1.电容(1)定义：电容器所带的电量与两极板间电势差的比值叫电容。(2)物理意义：电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，在数值上等于把电容器两极板间的电势差增加1 V所需充加的电量。注意：电容C由电容器本身的构造因素决定，与Q、U无关。(3)电容的单位：法符号F 1 F1000000F1000000000000pF 2.平行板电容器的电容C：与平行板正对面积S、电介质的介电常数成正比，与极板间的距离d成反比。3.电容器的额定电压和击穿电压击穿电压是电容器的极限电压，超过这个电压，电容器内的介质将被击穿额定电压是电容器长期工作时所能承受的电压，它比击穿电压要低电容器在不高于额定电压下工作都是安全可靠的，不要误认为电容器只有在额定电压下工作才是正常的。电容器具有“通交流、隔直流”的特性。直流电的极性和电压大小是固定不变的，不能通过电容器。而交流电的极性和电压的大小是不断变化的，能使电容器不断地充电与放电，形成充、放电电流。4.电容器的作用：电容器是能容纳电荷的元件，由相互绝缘的两个极板构成，极板面积越大，极间距离越小，容量就越大。由于电容器具有容纳和释放电荷(俗称充放电)的功能!它在电路里起到了广泛的用途!典型的用途有;1)功率补偿!(用于变电站,配电房)2)电机剖相，交流移相。3)和电感等元件组成振荡电路，调谐回路。4)用于整流滤波，消除寄生振荡。5)用于高低频电路的信号耦合。6)由于电容器具有俗称的通交隔直特性，几乎所有的电路里都有它的身影。3.2.2识别方法电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。其中：1法拉103=毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如 10 uF/16V 容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF 数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。如：102表示10102PF=1000PF 224表示22104PF=0.22 uF 3.2.3电容器的分类1、 按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器。固定电容器的电容是固定不变的；可变电容器一般是通过改变两极的正对面积来改变电容。当然也可以通过改变两极间的距离、或者改变电容器所充的电介质来改变电容。2、按电 解质 分类有：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。3、按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。4、高频旁路：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。5、低频旁路：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。6、滤波：铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。7、调谐：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。 8、高频耦合：陶瓷电容器、云母电容器、聚苯乙烯电容器。9、低耦合：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。10、小型电容：金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。3.3 三极管半导体三极管也称为晶体三极管，它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。电子制作中常用的三极管有90系列，低噪声管9013（NPN）等。我们使用的三极管是：NPN型9013功放管。三极管的结构图： 三极管有两种类型：NPN和PNP。它有两个PN结（分别称为发射结和集电结），三个区，从三个区域引出三个电极。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。 三极管的电路符号有两种：有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。三极管的参数反映了三极管各种性能的指标，是分析三极管电路和选用三极管的依据。3.3.1 极限参数1最大允许集电极耗散功率PCMPCM是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功耗Pc大于PCM时，不仅使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。2最大允许集电极电流ICM 当IC很大时，值逐渐下降。一般规定在值下降到额定值的23（或12）时所对应的集电极电流为ICM当ICICM时，值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。 3反向击穿电压BVCEO与BVCEO BVCEO是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。BVCBO是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的（1213），以保证管子安全可靠地工作。 三极管的3个极限参数PCM 、ICM、BVCEO和下面讲的临界饱和线 、截止线所包围的区域，便是三极管安全工作的线性放大区。一般作放大用的三极管，均须工作于此区。3.3.2三极管的工作过程共发射极电路三极管内部载流子运动情况的示意图如图5-5所示。图5-5中载流子的运动规律可分为以下的几个过程。（1）发射区向基区发射电子的过程发射结处在正向偏置，使发射区的多数载流子（自由电子）不断的通过发射结扩散到基区，即向基区发射电子。与此同时，基区的空穴也会扩散到发射区，由于两者掺杂溶度上的悬殊，形成发射极电流IE的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。发射区所发射的电子由电源EC的负极来补充。（2）电子在基区中的扩散与复合的过程扩散到基区的电子，将有一小部分与基区的空穴复合，同时基极电源EB不断的向基区提供空穴，形成基极电流IB。由于基区掺杂的溶度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流IB也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。（3）集电结收集电子的过程反向偏置的集电结在阻碍集电区向基区扩散电子的同时，空间电荷区将向基区延伸，因集电结的面积很大，延伸进基区的空间电荷区使基区的厚度进一步变薄，使发射极扩散来的电子更容易在惯性的作用下进入空间电荷区。集电结的空间电荷区，可将发射区扩散进空间电荷区的电子迅速推向集电极，相当于被集电极收集。集电极收集到的电子由集电极电源Ec吸收，形成集电极电流IC。3.3.3 三极管的特性曲线三极管的共发射极电路1、 输入特性曲线在三极管共发射极连接的情况下，当集电极与发射极之间的电压uBE维持不同的定值时，uBE和iB之间的一簇关系曲线，称为共射极输入特性曲线，如下图所示。输入特性曲线的数学表达式为：iB=f(uBE)|uCE=常数 由图可以看出这簇曲线，有下面几个特点：（1）uBE = 0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为uBE = 0时，集电极与发射极短路，相当于两个二极管并联，这样iB与uBE的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。 （2）uCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当uCE的数值增至较大时（如uCE1V），各曲线几乎重合。这是因为uCE由零逐渐增大时，使集电结宽度逐渐增大，基区宽度相应地减小，使存贮于基区的注入载流子的数量减小，复合减小，因而iB减小。如保持iB为定值，就必须加大uBE，故使曲线右移。当uCE较大时（如uCE1V），集电结所加反向电压，已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去，以致uCE再增加，iB 也不再明显地减小，这样，就形成了各曲线几乎重合的现象。（3）三极管有一个门限电压，通常硅管约为0.50.6V，锗管约为0.10.2V。2、三极管的输出特性曲线对于一确定的iB值，iC随VCE的变化形成一条曲线，给出多个不同的iB值，就产生一个曲线族。 输出特性曲线如上图所示。 输出特性曲线的数学表达式为： 由图4-12还可以看出，输出特性曲线可分为三个区域： （1）截止区：当iB=0时,iC=iCEO,由于穿透电流iCEO很小,输出特性曲线是一条几乎有横轴重合的直线.通常将iB1V后，特性曲线几乎与横轴平行(略向上倾斜),iB等量增加时,曲线等间隔地平行上移。既iB=常数的情况下，三极管端电压uCE增大时，iC几乎不变，既具有恒流特性，当iB变化时，iC与iB成正比例变化，既iC（/）iB 所以这一区域称为放大区。在此区域，三极管的发射结为正向偏置且uBE0.5V，集电结为反向偏置且uCE=1V。 （3） 饱和区：当uCE比较小时，且小于uBE时，uCB=uCE-uBE0,三极管的集电结处于正向偏置状态。由图可见iC随uCE的增加迅速上升而与iB不成比例，既iC（/）iB，这一区域称为饱和区。常把uCE uBE定为放大状态与饱和状态的分界点，叫做临界饱和。在饱和区三极管的发射结和集电结均为正偏，三极管C、E之间的压降很小(uCEiB，就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱，当uCE1V后，即使再增加uCE，iC几乎不再增加，此时，若iB不变，则三极管可以看成是一个恒流源。3.3.4判断三极管的引脚晶体三极管内部有两个PN结,所以可以用万用表欧姆测量PN结的正、反向电阻来确定晶体三极管的管脚、管型并可判断三极管性能的好坏。1基极判别，将万用表置于欧姆R*1K挡，用两表笔搭接三极管的任意两管脚，如果阻值很大（几百千欧以上），将表笔对调在测试一次，如果阻值也很大，则剩下的引脚必是基极B。2类型判别，基极确定后，可用用万用表黑表笔（正值）去搭接在引脚基极B上，另一表笔任意搭接。如果测得阻值较小，为NPN；反之为PNP。3集电极测试，测NPN型C极时，先在除B极以外两个电极中任设一个为C极，并用万用表黑表笔搭接在假设的C极上，红表笔搭接在假设的发射极上，用一大电阻R接B极和假设的C极上，如果数字表有较大的变化，则假设正确；反之为E极。3.3.5三极管的应用1.三极管的应用三极管有放大，饱和和截止三种工作状态，前一种状态被广泛运用于信号的放大，二后两种状态常被用做电子开关。 a，信号开关。这是最普遍的应用，因为成本比MOS管低，使用简单，也不需要流过很大的电流，不用担心功率损失和发热。开关导通的原理也很简单。只要基极电流达到一定值，根据公式：集电极电流Ic=Ib*h，选择合适的限流电阻，让Ic达到阈值，三极管就会导通，这时CE间的压降大概是0.10.3V。因为三极管的放大倍数h较高，所以不要求Ib很大，通常用法是使用CPU的输出管脚直接控制。如果电流不够，可以再接一个三极管。需要注意两点，一是设计一定要留有足够的余量，二是保证集电极电流在额定值以下。 作为开关使用时，三极管的基极大多有两个电阻分压，防止集电极电流过大而损坏三极管，一般阻值是几K到几十K。很多厂家生产时会把这两个电阻集成到三极管内部，叫做数字三极管，专门用做开关使用。这样做的好处是减小基板面积，缩短焊接时间，减少元件个数，等等。b，稳压电源。与稳压二极管或者专门的IC配合使用，作为线型稳压电源的输出三极管使用，这在以前写的线性稳压器基础中有较详细的介绍。需要注意的是发热问题，小电流时可以用基板铜箔放热，大电流时要考虑用插件，或者再加散热片。c，开关电源的导通管。虽然多使用MOS管，在低成本，开关频率不高的场合下，小功率双极性晶体管也有使用。（高电压大功率的开关电源也使用双极性晶体管，暂不做讨论）因为大多用作小信号的开关，所以三极管的损失可以忽略。而它的驱动也不像MOS管那样复杂，只要提供足够的基极电流就可以了。再加上成本低，所以应用很广泛。第四章 测速电路各集成元件件分析4.1 施密特触发器4.1.1施密特触发器的基本知识施密特触发器是一种双稳态触发电路,输出有两个稳定的状态,但与一般触发器不同的是:施密特触发器属于电平触发；对于正向增加和减小的输入信号,电路有不同的阀值电压UT和UT,也就是引起输出电平两次翻转(10和01)的输入电压不同,具有如下图（a）、(c)所示的滞后电压传输特性,此特性又称回差特性。所以,凡输出和输入信号电压具有滞后电压传输特性的电路均称为施密特触发器。施密特触发器有同相输出和反相输出两种类型。同相输出的施密特触发器是当输入信号正向增加到UT时,输出由0态翻转到1态,而当输入信号正向减小到UT时,输出由1态翻转到0态；反相输出只是输出状态转换时与上述相反。它们的回差特性和逻辑符号如下图所示。1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+（a）同相输出的回差特性 （b）同相输出的逻辑符号1 uiuouiuo0uoHuoLUT-UT+(c)反相输出的回差特性 （d）反相输出的逻辑信号 施密特触发器的回差特性和逻辑符号施密特触发器具有很强的抗干扰性,广泛用于波形的变换与整形。门电路、555定时器、运算放大器等均可构成施密特触发器,此外还有集成化的施密特触发器。1. CMOS门电路构成的施密特触发器(1) 电路组成如下图所示,由二个CMOS反相器及两个电阻R1和R2构成一个施密特触发器。R1ui1uouo11G11G2R2ui CMOS门构成的施密特触发器(2) 工作原理设电路输入端ui输入一个三角波,其波形如下图所示。当ui0时,门G1截止,输出高电平,门G2导通,输出低电平,此低电平通过电阻R2反馈到输入端, 使门G1输入端ui1保持低电平,此时施密特触发器保持输出信号uo为低电平的稳态,电路进入第稳态。Ui逐渐上升, ui1也随着上升,但只要其小于CMOS门电路的开启电压UT,电路就保持在第稳态。当ui上升到使ui1等于UT时,在电路中引起如下正反馈连锁反应uiui1uouo1在此连锁反应的作用下,门电路的状态发生翻转,使门G1导通,输出低电平,G2截止,输出高电平,电路进入第稳态。以后,即使ui继续上升,只要满足ui1大于CMOS门电路的开启电压UT,电路就保持在第稳态。若ui由VDD下降,ui1也下降,当ui1降至UT时,在电路中再次发生正反馈连锁反应uiui1uouo1在此连锁反应的作用下,电路重新进入门G1截止、门G2导通的状态,电路输出为低电平,再次翻转到 第稳态。若电路已处于第稳态,则ui继续下降,施密特触发器仍维持第稳态不变。在输入ui三角波形的作用下,门G1输出波形uo1及门G2输出波形uo如下图所示。tui0UT+UT-VDDtuo10tuo0稳态稳态稳态 施密特触发器工作波形(3) 回差特性通过以上的工作原理分析可以看到有一个重要的现象,即在输入电压上升过程中,电路由第稳态 翻转到第稳态所要求的输入电压UT与输入电压下降过程中电路由第稳态回到第稳态所要求的输入电压UT是不相同的,这种现象称回差（或滞后）现象,称UT为正向阀值电压（或称接通电平）,UT为负向阀值电压（或称断开电平）,它们之间的差值UUTUT称作回差电压（或称滞后电压）,简称回差。UT的计算在ui上升过程中,由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui,也就可求得UT: ui1R2uoR2UTCMOS门输出低电平约为0V,uo0V, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UT UT的计算在ui下降过程中,由下面的计算式可求得能使施密特触发器翻转的输入电压ui,也就可求得UT: ui1R2uoR2VDDUT CMOS门输出高电平约为VDD,uoVDD, UT就是符合上式要求的ui值:UTui(1)UTVDD U的计算 UUTUTVDD 根据上面的分析,可以知道施密特触发器的回差U,可以通过改变R1、R2阻值来调节。 4.1.2施密特触发器的应用施密特触发器的应用十分广泛,不仅可以应用于波形的变换、整形、展宽,还可应用于鉴别脉冲幅度、构成多谐振荡器、单稳态触发器等。(1)波形的变换施密特触发器能够将变化平缓的信号波形变换为较理想的矩形脉冲信号波形,即可将正弦波或三角波变换成矩形波。下图所示为将输入的正弦波转换为矩形波,其输出脉宽tW可由回差U调节。tui0UT+tuo0UT-施密特触发器的波形变换作用(2)波形的整形在数字系统中,矩形脉冲信号经过传输之后往往会发生失真现象或带有干扰信号。利用施密特触发器可以有效的将波形整形和去除干扰信号（要求回差U大于干扰信号的幅度）。如下图所示.t0tui0UT+UT-uotw 施密特触发器的波形整形作用 (3) 幅度鉴别如果有一串幅度不相等的脉冲信号,我们要剔除其中幅度不够大的脉冲,可利用施密特触发器构成 脉冲幅度鉴别器,如图8-20所示,可以鉴别幅度大于UT的脉冲信号。tui0tuo0UT+UT-4.2 集成运算放大器4.2.1 集成运算放大器的基础知识1. 集成运算放大器的组成集成运放电路由四部分组成,包括输入级,中间级,输出级 和偏置电路,如图3.5.1所示,它有两个输入端,一个输出端,图中所标电压均以地为公共端.电路方框图中间级输入级输出级偏置电路 (1)输入级 输入级又称前置级,它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路.一般要求其输入电阻高,差模放大倍数大,抑制共模信号能力强,静态电流小.输入级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数,如输入电阻,共模抑制比等.(2)中间级 中间级是整个放大电路的主放大器,其作用是使集成运放具有较强的放大能力,多采用共射放大电路.而且为了提高电压放大倍数,经常采用复合管做放大管,以恒流源做集电极负载.其电压放大倍数可达千倍以上.(3)输出级 输出级应具有输出电压线性范围宽,输出电阻小,(即负载能力强),非线性失真小等特点.集成运放的输出级多采用互补对称输出电路.(4)偏置电路 偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点.与分立元件不同,集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极(或发射极，漏极)静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。2 集成运算放大器的分类4.2.2 集成运算放大器的应用4.3 计数器4.3.1计数器的基本知识计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件，它的基本功能是统计时钟脉冲的个数，即实现计数操作，它也可用与分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。计数器的种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，可分为同步计数器和异步计数器；按进位体制的不同，可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器；按计数过程中数字增减趋势的不同，可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器；还有可预制数和可编计数器等等。1、 用D触发器构成异步二进制加法/减法计数器图1 3位二进制异步加法器如上图1所示，是由3个上升沿触发的D触发器组成的3位二进制异步加法器。图中各个触发器的反相输出端与该触发器的D输入端相连，就把D触发器转换成为计数型触发器T。将上图加以少许改变后，即将低位触发器的Q端与高一位的CP端相连，就得到3位二进制异步减法器，如下所示：图2 3位二进制异步减法器2、异步集成计数器74LS9074LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。其引脚排列图和功能表如下所示：图3 74LS90的引脚排列图表1 74LS90的功能表在平时使用最多的是74LS160，在此分析。74LS160 为可预置的十进制同步计数器, 160 的清除端是异步的。当清除端/CR 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，即可完成清除功能。 160 的预置是同步的。当置入控制器/LD 为低电平时，在 CP 上 升沿作用下，输出端 Q0Q3 与数据输入端 D0D3 一致。160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。 当 P、T 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化， 从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。160 有超前进位功能，当计数溢出时，进位输出端（OC）输出一 个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。 在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。 管脚图： 图1-1 74LS160管脚图引出端符号： Oc 进位输出端 T 计数控制端 P 计数控制端 Q0Q3 输出端 CP 时钟输入端（上升沿有效） Cr 异步清除输入端（低电平有效） LD 同步并行置入控制端（低电平有效）功能表：Cr LD TPAction on the rising clock ed