模拟电子技术实验及综合设计章课件2.ppt
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1、第 2 章模拟电子技术设计与综合实验1第 2 章模拟电子技术设计与综合实验2.1二阶低通有源滤波器的设计二阶低通有源滤波器的设计2.2矩形波发生器的设计矩形波发生器的设计2.3施密特电路的设计施密特电路的设计2.4电压放大指示器设计电压放大指示器设计2.5直流稳压电源的设计直流稳压电源的设计2.6温度检测与控制电路设计温度检测与控制电路设计2.7频率频率/电压转换器电压转换器2.8电流电流/电压转换电路电压转换电路第 2 章模拟电子技术设计与综合实验2 2.1 2.1 二阶低通有源滤波器的设计二阶低通有源滤波器的设计1.实验目的(1)学习有源滤波器的设计方法。(2)了解电阻、电容和Q值对有源滤
2、波器性能的影响。(3)掌握低通有源滤波器的调试和幅频特性的测试方法。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验32.预习与设计要求(1)复习RC有源滤波器的工作原理。(2)根据给定滤波器的设计要求设计电路,并计算电路中各元件的参数。(3)设计要求。设计一个二阶有源低通滤波器。主要指标如下:第 2 章模拟电子技术设计与综合实验4 截止频率 f0=500Hz;等效品质因数Q=1;f=10f0时,幅度衰减大于30dB/10倍频程。设计提示:根据f0的值选择电容C(一般滤波器中的电容要小于1 F,电阻值至少为千欧级,根据实验情况选定电容),求得R;根据Q值求R1和Rf,且集成运放的两个输入端的外接电阻要求对
3、称,即Rf R1=R+R。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验53.实验原理与参考电路滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。集成运放和R、C组成的有源滤波电路,利用集成运放的开环增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又较低的特点,对电压有一定的放大和缓冲的作用。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验6常用低通有源滤波电路中巴特沃斯滤波电路的幅频响应在通带中具有最平幅度特性,但从通带到阻带衰减较慢。二阶低通有源滤波电路(如图2-1-1所示)是由两级RC滤波电路和同相比例放大电阻组成的,其特点是输入阻抗高,输出阻抗低。第 2 章模
4、拟电子技术设计与综合实验7图2-1-1 二阶低通有源滤波电路第 2 章模拟电子技术设计与综合实验8二阶低通有源滤波电路的传递函数为1j1jj020oQAAvv式中,Avo=1+Rf/R1,o0311vA,QRC第 2 章模拟电子技术设计与综合实验9Avo为低通滤波器的通带电压增益,0为特征角频率,也是Q为0.707时的3 dB截止角频率,Q为等效品质因数。当低通电压增益AvoUT+时,输出电压uo转变为UZ,发生负向跃变。当uiUT时,uo又转变为+UZ,发生正向跃变。如此周而复始,随着ui的大小变化,uo为一矩形波电压。UT+UT的差值称为回差。改变R2的阻值可以改变回差的大小。ZF22TU
5、RRRU第 2 章模拟电子技术设计与综合实验42 4.电路调试要点(1)按设计的电路接线。(2)ui接+5 V可调直流电源,测出uo由+UomaxUomax时ui的临界值以及uo由Uomax+Uomax时ui的临界值。(3)ui接频率为500 Hz、幅值为5 V的正弦信号,观察并记录ui和uo的波形。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验435.设计报告要求(1)根据设计要求设计电路,并计算电路中各元件的参数。(2)整理实验数据,绘制施密特电路的传输特性曲线。(3)实验思考:比较施密特电路与过零电压比较器的特点。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验442.4 2.4 电压放大指示器设计电压放大指
6、示器设计 1.实验目的(1)掌握运算放大器电路应用于放大器和比较器的基本方法。(2)加深理解运算放大器的工作原理。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验452.预习与设计要求(1)了解运算放大器实现基本运算的方法。(2)利用运算放大器的比例运算和比较器的电路原理设计电路,要求用电位器的输出电压来模拟输入信号,通过不同指示灯的亮灭来表示不同范围的电压输出。如果输入信号来自于传感器,如温度传感器,则不同指示灯的亮灭就可以表示不同范围的温度变化。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验46 3.实验原理与参考电路实验参考电路如图2-4-1所示。电路由信号放大电路、比较电路和电压范围指示三部分组成。比较电路
7、部分由三个比较器构成挡位比较,以识别输入电压所在的范围。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验47图2-4-1 电压放大指示器第 2 章模拟电子技术设计与综合实验48 4.电路调试要点(1)按参考电路接线。(2)测量各分压点的电压,填入表2-4-1中。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验49(3)测量运算放大器A2的输出电压,填入表2-4-2中。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验50(4)根据各LED的不同亮灭情况,测量电路中各点的电压范围,填入表2-4-3中。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验51 5.设计报告要求(1)对所设计的电压放大指示器电路进行电路分析说明。(2)结合实验测试数据,
8、对电压放大指示器的工作情况进行说明。(3)实验思考:说明运算放大器A1、A2、A3、A4分别构成的电路类型。说明电阻R2、R4、R5、R6、R7、R8的作用。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验522.5 2.5 直流稳压电源的设计直流稳压电源的设计 1.实验目的(1)熟悉直流稳压电源的工作原理。(2)学会直流稳压电源的设计。(3)掌握直流稳压电源的电路调整和性能测试方法。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验532.预习与设计要求(1)复习直流稳压电源的电路工作原理。(2)根据参考电路及技术要求设计电路中各器件的有关参数。(3)拟定直流稳压电源的安装调试步骤。第 2 章模拟电子技术设计与综合实
9、验543.实验原理与参考电路在电子电路中,通常需要电压稳定的直流电源供电。这些直流电源大多数是采用把交流电转变为直流电的稳压电源。小功率稳压电源的组成如图2-5-1所示,它由电源变压器以及整流、滤波和稳压电路等四部分组成。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验55图2-5-1 小功率稳压电源组成部分第 2 章模拟电子技术设计与综合实验56电源变压器将交流电网220 V的电压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动(一般有10%左右的波动)、负载和温度的变化而变
10、化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验57选用何种电路形式的直流稳压电源,应根据直流电源的用途、性能指标等具体要求而定。根据本实验要求,这里选用串联型线性稳压电源,它的输出电压、电流基本上能满足不同层次的要求,可以增大负载电流,输出电压可调节。图2-5-2所示是串联稳压电源电路的一般结构。由电位器R1和R2组成的分压电路将输出电压Uo分出一部分作为采样电压UF,送到运算放大器的同相输入端。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验58图2-5-2 串联稳压电源电路第 2 章模拟电子
11、技术设计与综合实验59由稳压二极管VDZ和电阻R3组成的稳压电路提供一个稳定的基准电压UZ,送到运算放大器的反相端,作为调整和比较的基准电压。运算放大器起比较放大的作用,它将UZ和UF之差放大后去控制调整管V,从而达到自动调整稳定输出电压的目的。这个自动调节过程实质上是一个负反馈过程,UF即反馈电压。改变电位器就可调节输出电压:Z211Bo1URRRUU第 2 章模拟电子技术设计与综合实验60采用运算放大器的串联型稳压电路仍有不少外接元件,还要注意共模电压的允许值和输入端的保护,使用复杂。当前已经广泛使用单片集成稳压电源。它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点。常用的集成稳压器有输入
12、(I)、输出(O)和地(GND)或调整(ADJ)三个端子,所以称为三端集成稳压器,可分为固定式和可调式两种(均属电压串联型)。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验61(1)固定三端集成稳压器78XX、79XX系列。该系列稳压器具有过流、过热和调整管安全工作区保护,以防因过载而损坏,一般不需要接外接元件即可工作,有时为改善性能也加少量元件。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验62(2)可调式三端稳压器W317系列。该系列稳压器能在输出电压为1.25 V37 V的范围内连续可调,外接元件只需要一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过流、过热和安全工作区保护。它的最大输出电流为1.5 A。本实验中采用
13、三端集成稳压器来设计直流稳压电源,实验参考电路如图2-5-3所示。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验63图2-5-3 集成直流稳压电源电路第 2 章模拟电子技术设计与综合实验64稳压电源的技术指标分为两种:一种是特性指标,包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等;另一种是质量指标,用来衡量输出直流电压的稳定程度,包括稳压系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻、温度系数及纹波电压等。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验651)电压调整率SU和稳压系数S输入调整因数反映了输入电压波动对输出电压的影响,实际中常用输入电压变化量Ui所引起的输出电压的相对变化量与Ui之比来表示,称为
14、电压调整率,即00ioUoTIUUK00iooo%100/TIUUUUS第 2 章模拟电子技术设计与综合实验66有时也以输出电压和输入电压的相对变化量之比来表征稳压性能,称为稳压系数,即。稳压系数和电压调整率都用来说明输入电压变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可。00iiooo/TIUUUUS第 2 章模拟电子技术设计与综合实验672)输出电阻Ro和电流调整率SI输出电阻是当输入电压Ui(指稳压电路输入电压)保持不变时,由负载变化而引起的输出电压变化量与输出电流变化量之比,它反映负载电流Io变化对Uo的影响。00oooiTUIUR第 2 章模拟电子技术设计与综合实验68有时也用电流调
15、整率SI表示,指负载电流从零变到最大时,输出电压的相对变化值,即输出电阻和电流调整率都用来说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可。00ooi%100TUIUUS第 2 章模拟电子技术设计与综合实验693)纹波电压输出纹波电压是指在额定负载条件下,叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值UoP-P,一般为毫伏级。也可以用交流毫伏表测量其有效值,但因Uo不是正弦波,所以用有效值衡量其纹波电压存在一定误差。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验704.调试要点1)电压调整特性的测试调试时,稳压器输出端负载开路,先调“1”脚上的电位器Rw,同时用电压表观察Uo,使Uo
16、=10 V,然后接上负载电阻,调节负载的大小,当输出电流Io=40 mA时,测试相应的Ui和Uo,再改变Ui(10%Ui),分别测出Uo,计算出SU,填入表2-5-1中。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验71第 2 章模拟电子技术设计与综合实验722)负载调整特性和输出电阻的测试负载调整特性是指稳压器在输入电压不变的情况下,由负载电流(Io)发生变化而引起的输出电压的相对变化量与负载电流变化量之比,即第 2 章模拟电子技术设计与综合实验73调试条件如表2-5-2所示,同时根据测试值可计算出输出电阻。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验743)纹波电压用交流毫伏表或示波器测量输出端的纹波电压。
17、当输入电压变化10%,且输出端负载电流为100 mA时,测量输出端的纹波电压,看其是否仍能满足设计要求。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验755.设计报告要求(1)对直流稳压电源的参考设计电路进行分析说明。(2)根据实验测试数据,计算出该直流稳压电源电路的各技术性能指标。(3)总结调试中遇到的问题及排除方法。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验76(4)实验思考:直流稳压电源的稳压系数是越大越好,还是越小越好?为什么?与分立元件的直流稳压电源相比,集成稳压电源有哪些优点?试分析输入电压波动10%,电路能否正常工作。第 2 章模拟电子技术设计与综合实验772.6 2.6 温度检测与控制电路设计
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