人控流水灯的分析与制作

1、学习项目4 人控流水灯的分析与制作项目描述、任务要求及学习目标基础训练1 差分放大电路的分析与测试基础训练2 功率放大电路的分析与测试基础训练3 集成运算放大电路的分析与测试基础训练4 集成运放构成的电压比较器的分析与测试任务实施 人控流水灯的分析与制作返回主目录项目描述 随着社会的不断发展，人民生活水平的提高，流水灯在现实生活中所起的作用，越来越重要。流水灯简易轻巧，外貌美观，能呈现多彩的颜色，在现实生活中起到了广泛的应用。在繁忙的交通路段，闪烁着的流水交通灯，提醒着人们要遵守交通规则。在繁忙的大街上，闪烁的流水灯无不吸引过路人的眼球，甚至在自动门上都装有自动流水灯，告诉人们时间和日期。图4

2、.1 人控流水灯电路任务要求1工作任务及要求根据给定人控流水灯电路图，要求：（1）认识电路组成，确定实际电路器件，记录实际器件的规格、型号，并查阅实际器件的主要参数指标；（2）分析电路的基本工作原理；（3）进行电路的装配与测试，要求装配的电路能实现手动控制灯的亮熄；（4）以小组为单位汇报分析与制作的思路、过程；（5）完成产品技术文档。任务要求2学习产出装配的电路板；技术文档（产品的功能说明，产品电路原理图及分析，元器件及材料清单，通用电路板上电路布局图，电路装配的工艺流程说明，测试结果分析，总结）。学习目标（1）能认识集成运算放大器的特点、特性和主要性能指标；能根据不同的场合选用集成运算放大器

3、。（2）掌握集成运算放大器的线性应用及非线性应用。（3）能分析由集成运算放大器构成的各种放大电路。（4）掌握集成放大电路的调试与测试技术。（5）具有安全生产意识和预防措施。（6）能与他人合作、交流完成元件的测试、电路的组装与测试等任务，具有敬业乐业、敢于创新的精神和解决问题的可迁移的关键能力。基础训练1 差分放大电路的分析与测试学习目的能认识差分放大电路的特点，掌握差分放大电路的特性，熟悉差分放大电路选用的依据，掌握差分放大电路的分析与测试。知识要求掌握差分放大电路的特点、电压传输特性；了解差分放大电路的种类；熟悉差分放大电路选用的依据。技能要求查阅差分放大电路手册，确定差分放大电路主要参数；

4、差分放大电路的搭接、调试与测试技能；直流电源、万用表、示波器、信号发生器、电子毫伏表的使用技能。素质要求团结协作、沟通交流、技术文件写作的能力。一差分放大电路的基本特性差分放大电路是集成运放的基本组成单元。利用差分放大电路可以克服直接耦合放大器的零点漂移问题。1基本差分放大电路图4.2是差分放大器的基本结构。 它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。当开关K拨向左边时，构成典型的差动放大器。调零电位器RP用来调节T1、T2管的静态工作点，使得输入信号Ui0时，双端输出电压UO0。RE为两管共用的发射极电阻， 它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作

5、用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。图当开关K拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。 它用晶体管恒流源代替发射极电阻RE，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。（1）静态工作点的估算 （认为UB1UB20） （2）抑制零点漂移的原理当放大电路输入端短路时，输出端仍有缓慢变化的电压产生，这个输出电压称为漂移电压，这种现象称为零点漂移。在直流耦合的多级放大电路中，第一级的输出漂移电压作为第二级的输入信号，被逐级放大，使放大电路的输出端产生极大的漂移电压，当漂移电压的大小可以和有效信号电压相比时，就很难区分是有效信号还是漂移电压，使放大电路无法正常工作。由温度变化所引起的三级管参数的变

6、化是产生零点漂移现象的主要原因，因此，也称之为温度漂移。在差分放大电路中，当温度发生变化时，将使三极管参数变化从而引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，即IC1=IC2，UC1=UC2，则输出变化量UO=UC1UC2=0上式说明，差分电路利用两个特性相同的三极管互相补偿，从而抑制了零漂。当然，在实际情况下，两管特性不可能完全对称，但是输出漂移电压将大大减小。由于差分放大电路有抑制零漂的作用，所以这种电路特别适合于作为多级直接耦合放大电路的输入级，它在模拟集成电路中被广泛使用。对于温漂指标是将输出漂移电压UO除以总电压放大倍数Au折算到输入端来衡量。（3）动态分析由于差分放大电路结构

7、为直接耦合形式，因此输入信号可以是直流，也可以是交流信号。输入信号类型：差模信号和共模信号由于差分放大电路有两个输入端，其输入信号与一般单管放大电路不同，可分为差模信号和共模信号。当两个输入端加上两个幅度相同而极性相反的信号，ui1=ui2，这种输入方式称为差模输入方式，而uid=ui1ui2=2 ui1称为差模输入信号。反之，如果两个输入端的输入信号极性相同、幅值也相同，即ui1=ui2= uic，则称为共模信号。这种输入方式称为共模输入方式。双模输入、双模输出差模交流通路当差分放大电路输入差模信号时，即ui1=ui2，由于电路对称，集电极电流ic1的增加量和ic2的减小量相同，即ic1=-

8、ic2，iE1=-iE2，所以iE=iE1+iE2=0，则uRe=0,故Re上不存在差模信号。可见在差模输入情况下，Re可以视为短路。差模电压放大倍数和共模电压放大倍数当差动放大器的射极电阻RE足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数Ad由输出端方式决定，而与输入方式无关。双端输出:RE，RP在中心位置时，单端输出 当输入共模信号时，若为单端输出，则有若为双端输出，在理想情况下实际上由于元件不可能完全对称，因此AC也不会绝对等于零。共模抑制比KCMR为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通常用一个综合指标来衡量，即共模抑制比二常见的几种改进型差分电路1长

9、尾式差分放大电路 电路中接入Re后对输入差模信号的放大作用完全无影响。+_ReuoV1V2Rc2Rc1+VCC4.3 长尾式差分电路图uoc2uoc12Re2Reui2ui1RcVCCui1+RsRs+V1V2Rc4.4 对共模输入信号的等效电路uoc技能训练：差动放大器性能测试一、实验目的1、加深对差动放大器性能及特点的理解2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法二训练器材112V直流电源2.函数信号发生器3双踪示波器 4.交流毫伏表5直流电压表6晶体三极管3DG63，要求T1、T2管特性参数一致。（或90113）。7.电阻器、电容器若干。三操作步骤按图4.2连接电路，开关K拨向左边构成典型

10、差动放大器。1.测量静态工作点(1)调节放大器零点信号源不接入。将放大器输入端A、B与地短接，接通12V直流电源，用直流电压表测量输出电压UO，调节调零电位器RP，使UO0。 调节要仔细，力求准确。(2)测量静态工作点零点调好以后，用直流电压表测量T1、T2管各电极电位及射极电阻RE两端电压URE，记入表41。表4-1表2. 测量差模电压放大倍数 断开直流电源，将函数信号发生器的输出端接放大器输入A端，地端接放大器输入B端构成单端输入方式，调节输入信号为频率f1KHz的正弦信号，并使输出旋钮旋至零， 用示波器监视输出端（集电极C1或C2与地之间）。接通12V直流电源，逐渐增大输入电压Ui（约1

11、00mV），在输出波形无失真的情况下，用交流毫伏表测 Ui，UC1，UC2，记入表42中，并观察ui，uC1，uC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。3.测量共模电压放大倍数将放大器A、B短接，信号源接A端与地之间，构成共模输入方式， 调节输入信号f=1kHz，Ui=1V，在输出电压无失真的情况下，测量UC1， UC2之值记入表42，并观察ui， uC1， uC2之间的相位关系及URE随Ui改变而变化的情况。表4.具有恒流源的差动放大电路性能测试将图4.2电路中开关K拨向右边，构成具有恒流源的差动放大电路。重复上述内容的要求，记入表42。四实验总结整理实验数据，列表比较实验结果和理

12、论估算值，分析误差原因。基础训练2 功率放大电路的分析与测试学习目的能认识功率放大器的特点，掌握功率放大器的特性，熟悉功率放大器选用的依据，掌握功率放大电路的分析与测试。知识要求掌握功率放大器的特点、功率传输特性；了解集功率放大器的种类；熟悉功率放大器选用的依据。技能要求查阅功率放大器手册，确定功率放大器主要参数；功率放大器的搭接、调试与测试技能；直流电源、万用表、示波器、信号发生器、电子毫伏表的使用技能。素质要求团结协作、沟通交流、技术文件写作的能力。一功率放大电路的类型功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级，又称输出级，其任务是输出足够大的功率去驱动负载。如扬声器、伺服电机、指示表头、记

13、录器及显示器等。对功率放大电路的工作状态，分析方法和探讨内容有以下一些特点：（1）功率输出的信号具有较大的电压和电流幅度；（2）管子接近饱和或截止工作状态，因而输出信号具有一定非线性失真；（3）功率管的极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM均应满足工作时最大值的要求。由于管耗较大，要求加散热器，以提高管子承受管耗能力；（5）性能指标分析以功率为主，着重计算输出功率、管子消耗功率、电源供给功率和效率。由于功率管处于大信号工作状态，分析计算时只能采用图解法估算，不能用微变等效电路法分析。1甲乙类单电源互补对称功率放大电路（OTL）图4.5为OTL 低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（

14、也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1 的一部分流经电位器RW2及二极管D， 给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当

15、输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。OTL 电路的主要性能指标（1）最大不失真输出功率P0m理想情况下，在实验中可通过测量RL 两端的电压有效值，来求得实际的（2）效率 PE 直流电源供给的平均功率理想情况下，max 78.5 。在实验中，可测量电源供给的平均电流IdC ，从而求得PE

16、UCCIdC，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率了。（3）频率响应（4）输入灵敏度 输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。2双电源基本互补对称功率放大电路（OCL）乙类双电源互补对称功率放大电路又称无输出电容的功率电路（简称OCL）。其原理电路如图4.6所示，T1为NPN型管，T2为PNP型管，要求这两管的特性对称一致。两管的基极相连作为输入端，两管射级相连作为接负载的输出端，两管的集电极分别接上一组正电源和一组负电源。从电路可知，两个管子组成集组态放大电路，即射级电压跟随器电路。图ui0,T1导通T2截止，iL=iC1,RL上得到上正下负的电压；ui3

17、0V/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BW 10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。目前产品有mA715、LM318、LH0032和AD9618等。（4）低功耗型 对于这种类型的运放，要求在电源电压15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.54V）时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能（如A =80100dB）。目前产品有mPC253、ICL7641及CA3078等。低功耗型运放一般用于对能源有严格限制遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。（5）高压型 正常输出电压UO大于22V。目前产

18、品有D41、LM143及HA2645等。 除了以上几种专用型集成运放外，还有互导型LM308，程控型LM4250、mA776，电流型LM1900及仪用放大器LH0036、AD522等。3集成运算放大器选择原则 通常情况下，在设计集成运放应用电路时，没有必要研究运放的内部电路，而是根据设计需求寻找具有相应性能指标的芯片。因此，了解运放的类型，理解运放主要性能指标的物理意义，是正确选择运放的前提。应根据以下几方面的要求选择运放。 （1）信号源的性质 根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率变化范围等，选择运放的差模输入电阻r 、带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数。

19、（2）负载的性质 根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载和感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。（3）精度要求 对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出响应时间、灵敏度要求。根据这些要求选择运放的开环差模增益Aov 、失调电压Uio 、失调电流Iov 及转换速率SR等指标参数。（4）环境条件 根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电流的温漂dUio /dT、dIio /dT等参数；根据所能提供的电源（如有些情况只能用干电池）选择运放的电源电压；根据对功耗有无限制，选择运放的功耗等等。 根据上述分析就可以通过查阅

20、手册等手段选择某一型号的运放，必要时还可以通过各种EDA软件进行仿真，最终确定最满意的芯片。目前，各种专用运放和多方面性能俱佳的运放种类繁多，采用它们会大大提高电路的质量。 不过，从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，只有在通用型运放不满足应用要求时才采用特殊运放。实践操作：集成放大电路的搭接、调试与测试一目的掌握集成运算放大器的选用和使用学会集成运算放大电路的分析方法掌握集成运算放大电路的调试与测试技术二器材面包板测试的仪器、仪表：万用表、直流稳压电源（正、负双电源）、双踪示波器、低频信号发生器搭接、测试电路及配套电子元件及材料： 实践操作：集成放大电路的搭接、调试与测试表4-1 配套

21、明细表代号名称规格代号名称规格R1碳膜电阻510/1/4WR8碳膜电阻器1K/1/4WR2碳膜电阻1K/1/4WR9碳膜电阻器1K/1/4WR3碳膜电阻10K/1/4WR10碳膜电阻器510/1/4WR4碳膜电阻1K/1/4WIC集成电路LM324R5碳膜电阻器750/1/4W面包板1块R6碳膜电阻器1K/1/4W查接导线R7碳膜电阻器5.1K/1/4W14Pin集成电路插座搭接电路图4.24 集成放大电路三操作步骤1.集成运算放大器的认识与选用 本训练项目中，需要四个集成运算放大器，故选用通用型集成运放LM324，它是由四个独立的通用型运算放大电路集成在一个芯片上所组成的集成电路，它既可以单

22、电源（3-30V）工作，又可以双电源（1.5-15V）工作，而且静态功耗小。2.电路分析 本工作任务中的集成放大电路是由四级组成，电路如图4.24所示。 第一级为电压跟随器，用作输入级，具有输入电阻大，输出电阻小的特点。 第二级为反相比例放大电路，起电压放大作用，电压放大倍数为10倍。 第三级为同相比例放大电路，也起电压放大作用，电压放大倍数为6.1倍。 第四级为反相器，用作输出级，具有输出电阻小，输入、输出信号反相的特点。 该电路应采用正、负两路电源供电（6V）。3.元器件的检测与筛选，电路的搭接按电路组成对电路的元器件进行检测与筛选按照电路原理图和面包板搭接工艺进行电路搭接。4.放大电路的

23、调整与测试在电路搭接无误后再进行调试与测试。（1）将稳压电源的正、负6V电源与电路的正、负电源端连接，注意电源极性不能接错。（2）将低频信号发生器“频率”置“1000Hz”，输出信号电压为50mV，并将输出端与集成放大电路的输入端连接。（3）将双踪示波器Y轴输入电缆分别与集成放大电路的输入、输出端连接，接通电源，调整示波器使输入、输出电压波形稳定显示（13个周期）。（4）读取输入、输出电压波形的峰峰值Uip-p和Uopp，计算每级的电压放大倍数，将结果填入表42中。（5）分别观察电压跟随器、反相比例放大电路、同相比例放大电路和反相器的输出波形，观察输入、输出的相位变化。将结果填入表42中。表4

24、2 测试记录测量电路输入电压输出电压电压放大倍数相位差电压跟随器反相比例放大电路同相比例放大电路反相器电路合成（1）将稳压电源的正、负15V电源接入集成运放，注意电源极性不能接错。（2）将铂电阻温度传感器按三线制接入电桥中，调整时，调整基准电源VT使其R2两端电压为准确的20.0V即可。（3）将铂热电阻置于0C的冰水中，测量电路输入端的电压，然后按每隔20C升高，测试输出电压，将测试的结果记录于表4-6中。实践操作：气化炉测温电路的搭接、调试与测试测量温度020406080100150200输出电压 基础训练4 集成运放构成的电压比较器的分析与测试学习目的：掌握电压比较器的电压传输特性；了解集

25、成运放用作电压比较器的种类；理解电压比较器的基本特性和工作原理；掌握电压比较电路的调试与测试操作技能。知识要求：掌握电压比较器的电压传输特性；了解电压比较器的分类，各种电压比较器电路分析方法和特点。技能要求：集成运算放大器非线性应用技能；电压比较器电路的搭接技能；掌握电压比较电路的调试与测试技术。素质要求：能独立学习和工作，能够进行交流沟通，具有团队协作、求实专研精神和良好的职业道德。一电压比较器的电压传输特性 在电压比较器中，集成运放工作在开环或引入正反馈。理想集成运算放大器的开环电压倍数为无穷大，只要同相输入端与反相输入端之间有无穷小的差值电压，输出电压就达到正的最大值或负的最大值，输出电

26、压不再是线性关系，而是工作在非线性区。其电压传输特性如图3.30所示。 图4.30 电压比较器的电压传输特性 电压比较器中，使输出电压从正的最大值跃变为负的最大值或从负的最大值跃变为正的最大值时的输入电压称为阈值电压。通常将集成运放的两个输入端中的一个输入端的电压固定为某一参考电压值，则该参考电压值即为电压比较器的阈值电压。要画出正确的电压传输特性，必须求出以下三个要素1输出电压高电平和低电平的数值+Uom和-Uom。2阈值电压的数值UR。3当输入电压ui变化且经过阈值电压UR时，输出电压uo跃变的方向，即是从+Uom跃变为-Uom，还是从-Uom跃变为+Uom，取决于输入电压作用于集成运放的

27、同相输入端或是反相输入端。 二单值比较器 单值比较器电路只有一个阀值电压，输入电压ui逐渐增大或减小过程中，当通过阀值电压UR时，输出电压uo产生跃变，从高电平跃变为低电平，或从低电平跃变到高电平。 单值比较器分为过零比较器和一般单值比较器。 当阈值电压UR=0时，就是过零比较器； 当阈值电压UR=UREF时，就是单值电压比较器。（a）电路图 （b）传输特性 图4.31 单值电压比较器 图4.32为过零比较器及利用过零比较器将正弦波变换为方波的波形。（a）电路图 （b）正弦波转换为方波图4.32 过零电压比较器三滞回电压比较器 在单值电压比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起

28、输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，抗干扰能力差。滞回比较器具有滞回特性，即惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。如图4.33所示为滞回比较器的电路图和电压传输特性。当 时，集成运放同相输入端的电位为： (4.10)当 时，集成运放同相输入端的电位为： (4.11)所以，它有两个阈值电压。 图4.33 滞回电压比较器 a）电路图 b）传输特性当ui增大，使 时，uo从+Uom跃变为-Uom；而当ui减少，使 时，uo从-Uom跃变为+Uom。其传输特性如图4.32b所示。通常将 称为上阈值电压， 称为下阈值电压，它们的差值称为回差电压或迟滞宽度，用 表示，即 。一

29、目的：学会电压比较器的分析学会电压比较器的调试与测试方法学习电路故障检修的一般步骤二器材测试的仪器仪表：高精度数字万用表、直流稳压电源。搭接、测试电路及配套电子元件及材料，见表4-7实践操作：电压比较器的搭接、调试与测试表实践操作：电压比较器的搭接、调试与测试代号名称规格代号名称规格R1高精度电阻12k/1/4WR11碳膜电阻器680/1/2WR2高精度电阻2k/1/4WR12碳膜电阻器680/1/2WR3高精度电阻2k/1/4WR13碳膜电阻器680/1/2WR4碳膜电阻2K/1/4WRP1微调电位器4.7k/1/2WR5碳膜电阻器2k/1/4WV1V4三极管9014R6碳膜电阻器51k/1

30、/2WV5V8发光二极管3红色R7碳膜电阻器51k/1/2WIC集成运放LM324R8碳膜电阻器51k/1/2W14Pin集成电路插座R9碳膜电阻器51k/1/2W面包板1块R10碳膜电阻器680/1/2W查接导线若干搭接电路：见图4.34所示。实践操作：电压比较器的搭接、调试与测试图4.34 电压比较器应用电路图三操作步骤1.电路分析 本训练由集成运放（IC）组成四个单值电压比较器，由电位器RP1滑动臂得到输入电压ui，分别加到运放的同相输入端，参考电压分别接运放的反相输入端；当输入电压ui大于阀值电压，电压比较器输出端uo=UOH时，相连的三极管导通，发光二极管发光。调整RP1使输入电压由低到高变化时，V8、V7、V6、V5依次发光。R6R13、V1V8组成驱动和显示电路，该电路采用+6V电源供电，IC的4脚接VCC正极，11脚接地。实践操作：电压比较器的搭接、调试与测试 单值电压比较器各参考点比较电压可以按以下公式计算：实践操作：电压比较器的搭接、调试与测试2.元器件检测与筛选 对电路中使用的电路元器件进行检测与筛选。3.电路搭接、调整与测试 按照电路原理图和面包