【文章內容簡介】 閱反相比例運算電路的調試方法。3． 多級交流放大器的設計當需要放大低頻范圍內的交流信號時，可以利用集成運放構成具有深度負反饋的交流放大器，由于交流放大器可以采用電容耦合方式，所以集成運放失調參量及其漂移的影響就不必考慮，這樣用集成運放組成的交流放大器，便具有組裝簡單、調整方便和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。兩級交流放大器的設計舉例設計要求：設計一個兩級交流放大器，其性能指標和已知條件如下：中頻電壓放大倍數(shù)1000倍，輸入電20k，通頻帶20Hz50Hz,最大不失真輸出電壓5V，負載電阻20k。設計方法：1）電路確定和電壓放大倍數(shù)分配。本設計無特殊要求，電路組態(tài)的確定不受限制，此處由一同相交流放大器與一級反相交流放大器級聯(lián)組成，并采用電容耦合方式，如圖28所示。為了量降低放大器的信噪比，第一級電壓放大倍數(shù)不宜太大，對于高電壓放大倍數(shù)的電路尤其要注意一點。在本設計中選用AuF1=10，AuF2=100。圖28 兩級交流放大器2）集成運放的選擇。在交流放大器設計中，集成運放的選擇應以滿足交流放大器的上限頻率fh為主要依據(jù)，為此集成運放的放大倍數(shù)帶寬積應滿足下列關系GB≥Auffh 或 GB≥Auffh式中 GB——加相位補償后集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)一帶寬積 GB——加相位補償后集成運放的單位放大倍數(shù)（也稱為零分貝放大倍數(shù)）帶寬 AUf——各交流放大器的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)在本設計中，可選XFC77通用型集成運算放大器，從手冊查得，XFC77的單位放大倍數(shù)帶寬GB=6MHz＞AUffh=10050kHz,滿足要求。3）各級外電路元件參數(shù)的選擇和計算。由于交流放大器采用電容耦合，集成運放失調參量的影響可以不考慮。因此，同相交流放大電路的平衡電阻RP1和反相交流放大電路的輸入端電阻R2，可盡量選得大一些，一般為10k以上。這樣有利于提高各級放大電路的輸入電阻，且使耦合電容取值較小。對于第一級，RP1即是靜態(tài)平衡電阻，也是整個放大器的輸入電阻。按此交流放大器輸入電阻的要求，選RP1=20k。按AUf1=1+及RP1=R1∥RF1和本級閉環(huán)電壓放大倍數(shù)AUf1=10，即可求得R1=22k、RF1=200k。對第二級，可選R2=10k，按本級閉環(huán)電壓放大倍數(shù)A Uf2=100，即可求得RF2=1M。則平衡電阻RP2≈10k。4． 文式橋振蕩電路的設計和調試用集成運放所構成的正弦波振蕩電路，有RC橋式振蕩電路，正交式正弦波振蕩電路，RC移相式振蕩電路和RC雙T振蕩電路等多種形式，最常用的RC橋式振蕩電路又稱為RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路，它適用于低頻（即fo＜1MHz＝且頻率便于調節(jié)。下面以文式橋振蕩電路為例，介紹其設計方法和調節(jié)步驟。圖29 文式橋振蕩電路 1）電路的組成和振蕩條件。正弦波振蕩電路，由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡和同相放大器所組成，電路如圖29所示。電路的振蕩頻率fo為fo=起振的幅值條件為≥2式中 Rf=R2+R3∥Rr RV——二極管正向導通時的動態(tài)電阻2）電路的設計方法。一般說來，振蕩電路的設計，就是要選擇電路的結構形式，計算和確定電路元件參數(shù)，使其在所要求的頻率范圍內滿足產生振蕩的條件，從而達到使電路產生所要求的振蕩波形，所以振蕩條件是設計振蕩電路的主要依據(jù)。例如，設計一個振蕩蕩頻率為fo=1kHz的文式橋正弦波振蕩器，其步驟如下：①確定RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的參數(shù)，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的參數(shù)應根據(jù)所要求的振蕩頻蕩fo來確定，為了使選頻網(wǎng)絡的選頻特性盡量不受集成運放輸入和輸出電阻的影響，應按下列關系來初選電阻R的值。RidRRo式中 Rid——集成運放同相端的輸入電阻，約幾百千歐以上Ro——集成運放的輸出電阻，約幾百歐以上 如初選R=15K，由fo=可計算出電容值為 C==取標稱值C，則R=,應注意選用穩(wěn)定性較好的電阻和電容，否則將影響頻率的穩(wěn)定性。②確定RRfR1和R0的阻值，應根據(jù)起振的幅值條件來確定，由Rf≥2R1，通常取Rf=，這樣既能保證起振，又不至引起嚴重的波形失真。另外為了減小輸入失調電流及其漂移的影響，還應盡量滿足R=R1∥Rf。于是取標稱值R1=20k,則Rf===51k。③穩(wěn)幅電路及其元件參數(shù)的確定。常用的穩(wěn)幅方法，是根據(jù)振蕩幅度的變化來自動地改變同相放大器負反饋的強弱以實現(xiàn)穩(wěn)幅的。例如，幅度增大時，若能使反饋系數(shù)也自動增大，則負反饋作用加強，從而限制了振幅的繼續(xù)增大，使振幅基本穩(wěn)定。圖28的穩(wěn)幅電路由兩只反向并聯(lián)的二極管和電阻R3并聯(lián)組成，利用二極管正向電阻的非線性特性可實現(xiàn)穩(wěn)幅。不難看出，在振蕩過程中，兩只二極管交替導通和截止。如果由于外界因素使振蕩幅增大時，二極管的正向導通電阻Rv減小，使Rf減小，負反饋系數(shù)自動變大，反饋作用加強，從而使振幅基本穩(wěn)定。關于穩(wěn)幅二極管的選擇應注意以下兩點：A．從提高振幅的溫度穩(wěn)定性來看，應選用硅二極管為宜。因為硅管比鍺管的溫度穩(wěn)定性好。B．為了保證上、下半波振幅對稱，兩只二極管的特性必須相同，應注意配對選用。穩(wěn)幅二極管的接入，實現(xiàn)了振幅的穩(wěn)定，而且二極管的非線性越強，負反饋作用變化越大、穩(wěn)幅效果越好。但是，由于二極管的非線性，又會引起波形失真。這是因為在一個周期內，二極正向電阻RV將隨輸出電壓的瞬時值而不斷變化。平均來看，它滿足振蕩的幅值條件，但從一個周期的每一瞬時來看，它又不能都滿足振蕩的幅值條件，故這種穩(wěn)幅電路在一定程度上總會引起波形失真。為了限制二極管的非線性所引起的波形失真，在二極管兩端并一個小電阻R3。顯然，R3越小，對二極管非線性的削弱越大，波形失真也就越小，但穩(wěn)幅作用也同時被削弱。可見，在選擇R3時，應注意兩者兼顧。實驗證明，當R3與二極管的正向電阻接近時，穩(wěn)幅作用和波形失真都有較好的效果。通常R3選幾千歐，并通過實驗調整確定。當R3選定后，R2的阻值也可初步選定，即R2= Rf R3∥Rv≈RFR3④集成運放的選擇。集成運放的選擇，除希望輸入電阻較高和輸出電阻較低外，最主要的是集成運放的放大倍數(shù)—帶寬積應滿足下列關系：GB＞3f。3）振蕩電路的調試。首先調整反饋電阻R2，使電路起振，且波形失真最小。如果電路不起振，說明振蕩的幅值條件不滿足，應適應加大R2；如波形嚴重失真，則應適當減小R2或R3。其次是測量和調試振蕩頻率，為此應適當改變選頻網(wǎng)絡的參數(shù)。比如固定電容C，改變電阻R，或固定電阻R，改變電容C，使電路的振蕩頻率滿足設計要求為止。167。2—4 直流穩(wěn)壓電源的設計直流穩(wěn)壓電源包括整流濾波電路，穩(wěn)壓電路以及保護電路等。隨著集成技術的提高，電子設備整機向集成化發(fā)展，集成穩(wěn)壓器也得到迅速發(fā)展，故在設計穩(wěn)壓電路時，應首選集成穩(wěn)壓器。設計舉例由于給定的技術指標不同，直流穩(wěn)壓電源的電路形式是多種多樣的，設計的步驟和方法也不完全相同。這里通過一個具體實例來說明設計的一般步驟和方法。一、 設計要求任務，設計一個對偶式直流穩(wěn)壓電源。技術指標：輸出直流電壓UO=177。15V，最大輸出電源IO=IA，電壓調整率SU≤%/V，輸出端紋波抑制比SR≥60dB，有完善的過載、短路保護措施。二、 設計步驟與方法 1．初選電路根據(jù)技術指標要求，該直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓電路可選用由W7800系列和W7900系列三端固定式集成穩(wěn)壓器組成的同時輸出正、負電壓的穩(wěn)壓電路，其整流濾波電路采用橋式整流、電容濾波電路。初選電路如圖210所示。該電路的特點是它們共用一組整流、濾波電路，且有共同的公共端，可以同時輸出正、負電壓，使用十分方便。圖210 對偶式直流穩(wěn)壓電源2．選擇元件參數(shù)1）穩(wěn)壓電路組件可選用W7815和W7915各一塊，其輸出電壓為177。15V，均能滿足技術指標要求。組件的輸入電壓應滿足最小輸入—，故組件的輸入電壓Ui選定為23V。組件的輸入、輸出端電容可選用Ci1=；CI2=，C01=, C02=,耐壓50V的電容器。2）整流濾波電路元件參數(shù)的確定。首先確定整流變壓器副邊電壓U2：因每一塊組件的輸入電壓Ui1=Ui2=23V，所以整流濾波電路的輸出電壓Ud=2Ui=46V，故變壓器的副邊電壓為：U2==38V。然后確定整流管的參數(shù)：每個二極管流過的平均電流Iv==。當電網(wǎng)電壓升高10%時，每管承受的最大反向電壓UVRM=U2=59V因此可選用四只硅整流二極管2CZ55C（2CZ11A），它們的最大整流電流IFM=1A；最高反向工作電壓URM=100V，使用時應加6060；也可選用將四只整流管制作在一起的硅橋式堆，如QL—6型，十分方便?，F(xiàn)次選擇濾波電容：濾波電容之后為穩(wěn)定電路負載時，可以認為是恒流放電，則它兩端的電壓變化是式中：t為電容放電時間，在橋式整流的條件下，最大放電時間可取交流電源的半周期（即秒）；為濾波電容上電壓在平均值上下的波動量，本例取177。，則總波動量5V；Ic為濾波電容放電電流，一般可取最大負載電流；即Ic=Io=1A，則C=，電容承受的最大反向電壓UCM=U2=59V，故可選用容量為2000F，耐壓100V的電解電容。最后確定變壓器的容量：已知變壓器副邊電壓的有效值U2=38V，在橋式整流電容濾波時，變壓器副邊電流有鏟值本例取I2=2Io=2A，則變壓器副邊視在功率S2=76VA，查表得=，則原邊視在功率S1=95VA，變壓器的額定容量SN==86VA，故可選用額定容量為100VA；電壓為220/38V且副邊繞組有中心抽頭的變壓器。最后將選定的電路元、器件參數(shù)在圖29中標出。第三章 數(shù)字電子電路及系統(tǒng)設計167。3—1 典型數(shù)字電子系統(tǒng)的組成數(shù)字電子系統(tǒng)，尤其是微電子技術開發(fā)系統(tǒng)，是當今新技術應用領域之一。不論是數(shù)控電子系統(tǒng)，數(shù)測電子系統(tǒng)，還是數(shù)算電子系統(tǒng)，數(shù)字通訊系統(tǒng)，都涉及數(shù)字電路及系統(tǒng)的設計問題。而所謂數(shù)字電子系統(tǒng)的設計，就是將已學過的各類數(shù)字單元的功能電路有機地綜合起來，以完成實踐要求的預期結果。一、 典型數(shù)字系統(tǒng)的組成圖31 典型數(shù)字電子系統(tǒng)組成任何一個數(shù)字電子系統(tǒng)，大多由五個基本部分組成，如圖31所示。其中(1)被測、被控制對象及模擬系統(tǒng)是輸入電子系統(tǒng)的電或非電的物理信息(如電信號電壓，電流信息或非電物理量溫度、壓力、位移、流量等)；(2)輸入電路是用來接收被測被控的信息，并進行必要的變換和處理(如接收的是溫度，則要通過溫度傳感器變換成電信號，并應用模數(shù)轉換轉變成數(shù)字信息)；(3)控制運算及處理電路則是向輸入輸出電路發(fā)出控制信號，接收輸入電路送來的數(shù)字信息按規(guī)定要求作必要的邏輯或算術的運算處理，將其結果至輸出電路，并發(fā)出相應控制信號，使輸出電路對外送出結果。從圖31還可以看出(3)的信息傳輸具有雙向功能，且對(1)還有起動控制功能。(4)輸出電路接收(3)送來的運算處理結果和控制信息、或按規(guī)定將某些中間結果返送回(3)進行再運算和處理、接收(3)送來的最終結果并作必要的變換——數(shù)模變換、處理、放大去驅動(1)的被測、被控對象或直接顯示、或經(jīng)打印機輸出終值。(5)電源和信號源是向系統(tǒng)各部分提供直流穩(wěn)壓電源和必要的信號源。綜上所述可知，(3)部件為整個數(shù)字電子系統(tǒng)中的核心部件，且是數(shù)字電子系統(tǒng)設計的主體。通常這個核心部件又都是由相關的組合邏輯電路和時序邏輯電路所組成，故數(shù)字電子系統(tǒng)的課程設計，也就是被分解的組合邏輯電路、時序邏輯電路及其它特殊功能電路的設計。二、 數(shù)字電子系統(tǒng)設計的步驟數(shù)字電子系統(tǒng)的設計步驟也是按方案設計、單元電路設計、單元和方案試驗等順序進行。具體就是依據(jù)課題設計任務書規(guī)定的技術指標要求，應用綜合的方法擬出系統(tǒng)結構框圖，確定各功能框圖的電路類型，選擇合適的數(shù)字集成芯片的規(guī)格型號，按所選芯片片腳功能連接組合成一個完整的數(shù)字電子系統(tǒng)，搭接線路試驗符合要求即可。由此可以看出，由于數(shù)字集成芯片的引入，使數(shù)字電子系統(tǒng)的設計方法大大簡化，計算工作量大大減少（只用到一些邏輯設計計算），特別是中、大規(guī)模集成芯片的引入應用，使系統(tǒng)結構非常簡單，可靠性大大提高，成本降低，重量減輕，做到小型化、微型化。當然，在數(shù)字電子系統(tǒng)中可能要用到一些特殊功能的數(shù)字單元電路，市場上沒有現(xiàn)成的集成芯片供應，只好單獨進行設計。但這部分電路數(shù)量不多，設計工作量也就不大。167。3—2 組合邏輯電路的設計方法組合邏輯電路種類很多，有各種控制邏輯、編碼器、譯碼器、算術運算器、數(shù)碼比較器、數(shù)據(jù)選擇器、奇偶校驗器等，大多有現(xiàn)成的中規(guī)模集成芯片供選用。但有些控制邏輯電路和譯碼電路，由于控制和譯碼要求的多樣性和特殊性，專用的控制邏輯芯片或譯碼器芯片并不具有通用性，必須視實際的要求，進行單獨設計。一、 組合邏輯電路設計的一般方法組合邏輯電路設計步驟大致如下：1．根據(jù)實踐問題所提要求，進行邏輯抽象列出邏輯真值表。2．從所到的邏輯真值表中，寫出完整的邏輯表達式（一般為“與”—“或”邏輯函數(shù)式）。3．應用邏輯代數(shù)公式或卡諾圖法，對所寫邏輯函數(shù)式進行必要的變換和化簡，以得出最簡邏輯函數(shù)式。4．按最簡邏輯函數(shù)式，用最少的邏輯元件（邏輯門集成芯片或觸發(fā)器芯片）構成邏輯圖。二、組合邏輯電路設計舉例[例一] 設計一個在三處均能控制同一盞燈亮滅的燈控器。（1）邏輯抽象——設ABC為分設在三個不同地點的雙投控制按鈕，L為控制對象燈，L=1表示燈亮，L=0表示燈滅；ABC三個控制變量為奇數(shù)控制有效，即ABC三個變量中只有一個為“1”或三個同時為“1”才能控制燈亮。其余情況下燈均滅，由此可列出邏輯真值表如表31所示。表31輸入A0 1 0 0 1 1 0 1B0 0 1 0 1 0 1 1C0 0 0 1 0 1 1 1輸出L0 1 1 1 0