《電子技術(shù)應(yīng)用》word版

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1、目錄 第1章 電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換器的制作與調(diào)試1 1.1 設(shè)計任務(wù)1 1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案1 1.2.1無源I/V變換1 1.2.2有源I/V變換2 1.3系統(tǒng)分析與設(shè)計2 1.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單3 1.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及參數(shù)測量3 1.6改進(jìn)意見與收獲體會4 第2章 電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換器的制作與調(diào)試5 2.1設(shè)計任務(wù)5 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案5 2.2.1基本電路5 2.2.2豪蘭德(Howland)電流源電路6 2.2.3實用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路6 2.3系統(tǒng)分析與設(shè)計7 2.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清

2、單7 2.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及參數(shù)測量8 2.6改進(jìn)意見與收獲體會9 第3章 聲控式音樂彩燈控制器的制作與調(diào)試10 3.1 設(shè)計任務(wù)10 3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案10 3.3系統(tǒng)分析與設(shè)計10 3.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單11 3.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及參數(shù)測量12 3.6改進(jìn)意見與收獲體會12 主要參考資料13 第1章 電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換器的制作與調(diào)試 1.1設(shè)計任務(wù) 熟悉運放電路的各種元器件，充分了解并掌握運放參考電路圖，將元器件焊接在電路板上，并按設(shè)計要求寫出設(shè)計和調(diào)試過程，設(shè)計出將0~10毫安電流信號轉(zhuǎn)換成0~10伏電壓信號的電流/電壓

3、轉(zhuǎn)換器，并通過調(diào)試將誤差控制在允許范圍內(nèi)。分析電路的工作過程，完成制作與調(diào)試,并填寫下表，分析結(jié)果。 表1.1測量表 電流信號（毫安） 0 2 4 6 8 10 電壓信號（伏） 1.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案 無源I/V變換 　　無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施 　　圖中R1和C構(gòu)成無源濾波電路，即RC低通濾波電路，起到濾波的作用；二極管一端加固定電壓+5V，在另一端若有加至高于5V電壓，在滿足二極管一定特性的情況下，二極管將正向?qū)?，所以在這里二極管起到了限幅的作用，輸出電壓V=R2*I，即可使輸入電流轉(zhuǎn)換為電

4、壓形式輸出。 圖1.1無源I/V變換 有源I/V變換 　 有源I/V變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成。利用運算放大器進(jìn)行對輸入信號的放大。將輸入電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，輸入電流由于電容的存在使電阻兩端產(chǎn)生一定的壓降，然后由運算放大器實現(xiàn)電壓放大，從而完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。 比較無源I/V變換和有源I/V變換，有源I/V變換在實際應(yīng)用中更為廣泛，而且可調(diào)性強(qiáng)，便于電路的調(diào)試，所以設(shè)計中選用有源I/V變換完成電流電壓轉(zhuǎn)換。 1.3系統(tǒng)分析與設(shè)計 該電路是采用集成運放的電壓并聯(lián)負(fù)反饋制作轉(zhuǎn)換器，使輸入電流轉(zhuǎn)化成電壓輸入，通過運算放大器放大電壓信號。電路由電阻R，若干100KΩ，

5、200KΩ，2KΩ電阻，2個10KΩ可調(diào)電阻構(gòu)成。R構(gòu)成電路輸入端，100KΩ,200KΩ,2KΩ構(gòu)成差分電路，可調(diào)電阻構(gòu)成調(diào)零和輸出電路。運算放大器的引腳接法：2接反向輸入端，3接同向輸入端，4接-15V電壓，6為輸出端，7接+15V電壓。Ii是輸入電流，在輸入端接入一個較小的電阻R（R遠(yuǎn)小于100KΩ），使輸入電流基本完全通過電阻R，Ii將在R上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流在同向端輸入電流時，將在輸出端產(chǎn)生正電壓。設(shè)R上端電勢為Vi上，R下端電勢為Vi下，有Ii*R=（Vi下-Vi上）。因在運放輸入端是對稱工作的，但在實際工作中會出現(xiàn)一定的不對稱性，為了提高精度，應(yīng)加入調(diào)零電路，消除零點誤差。左下端-

6、15V電路為調(diào)零電路，當(dāng)輸入電流Ii=0時，調(diào)整左下角可變電阻使V0=0,記錄此時可變電阻的電位V調(diào)。右邊的10KΩ是用來調(diào)整增益的，通過調(diào)整增益達(dá)到輸出量程的上限，測出此時可調(diào)電阻的電勢V增。2個2KΩ電阻與100KΩ電阻的連接節(jié)點電位為Vn（反向端）和Vp（同向端）。根據(jù)運放虛斷的性質(zhì)有2個2KΩ電阻上無電流。 根據(jù)反向虛斷有(Vi上-Vn)/100k=(Vn-V增)/200k 同向虛斷有（Vi下-Vp）/100k=（Vp-V調(diào)）/200k 根據(jù)虛短有：Vn=Vp; 得V增=V調(diào)-2（Vi上-Vi下）=V調(diào)+2*Ii*R 設(shè)右邊10KΩ可調(diào)電阻上邊電阻為R上，下邊電阻為R下，

7、在上邊的差分電路中，因為10K<<200K，故200KΩ電流作用可以忽略。 則V增=R下*V0/(R上+R下)=R下*V0/10K 所以有 V0=(10k/R下)*V增=(10k/R下)*(V調(diào)+2*Ii*R) 1.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單 電路圖如下： 圖1.2電流電壓轉(zhuǎn)換器 表1.2 元器件清單 名稱 規(guī)格 數(shù)量 電阻 100K 3 電阻 2K 2 電阻 200K 2 滑動變阻器 10K 2 運算放大器 UA741CN 1 導(dǎo)線 若干 表1.3 儀器儀表清單 名稱 數(shù)量 直流穩(wěn)壓電源 1 數(shù)字萬用表 1 電

8、流源 1 電路板 1 電阻箱 1 電烙鐵 1 電工鉗 1 1.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及誤差分析 (1)系統(tǒng)調(diào)試：先調(diào)節(jié)電流源，使電流源在10mA下達(dá)到滿量程，改變調(diào)節(jié)增益的電阻，使輸出電壓為10V，防止將最大值調(diào)偏。再將電流源調(diào)到Ii=0,調(diào)節(jié)調(diào)零電阻，使輸出電壓為零，如此反復(fù)幾次，使輸出達(dá)到理想狀態(tài)。當(dāng)輸入電流變化時，輸出電壓也隨之發(fā)生變化，說明電路工作正常。 在調(diào)試中應(yīng)注意電源正負(fù)極不能接反，防止元器件被燒壞，直流穩(wěn)壓電源電壓不能超過±15V，防止集成運放過熱燒壞。 (2)參數(shù)測量及誤差分析：了解各個元器件的工作原理和工作條件，在進(jìn)行安裝電路

9、之前，先確定元器件參數(shù)，以減小實驗中造成的誤差，電路安裝完畢后確定電源，地線的引腳接線是否正確，對通電電路進(jìn)行通電檢查，電源電壓接入±15V，觀察電路中各部分的器件有無異常，尤其是觀察芯片是否過熱，若過熱可能被燒壞，要降低穩(wěn)壓電源電壓。 數(shù)據(jù)記錄表格1.4如下： 表1.4數(shù)據(jù)記錄表格 電流信號（毫安） 0 2 4 6 8 10 電壓信號（伏） 0.14 2.26 4.31 6.38 8.42 10.50 理論電壓信號（伏） 0 2 4 6 8 10 1.6改進(jìn)意見與收獲體會 （1）改進(jìn)意見：集成運放在調(diào)試過程中會有損壞；電路板上焊孔過小

10、增加了焊接的難度，同時使焊點不是很牢固，會發(fā)生斷路的現(xiàn)象；導(dǎo)線過細(xì)使得導(dǎo)線在多次調(diào)試后產(chǎn)生金屬疲勞而折斷；電路板上元件距離分布不是太合理導(dǎo)致焊接路線的導(dǎo)線雜亂很難檢測，稍有不注意容易短路造成器件損壞。 (2)收獲體會：了解的元器件的工作原理和工作條件，通過對集成運放的接線，了解了各接點接法，加深了對深度負(fù)反饋的虛短和虛斷的理解；了解了調(diào)零電路對差分電路的補(bǔ)償作用以及調(diào)整增益對輸出的影響；并學(xué)會了如何使電壓到電流的轉(zhuǎn)換，同時提高了對理論的理解和對實踐的操作。學(xué)會了電流電壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法和調(diào)試方法， 培養(yǎng)了動手能力和實踐技能， 提高了分析和解決實際問題的能力。在實習(xí)前的準(zhǔn)備工作，該怎么準(zhǔn)備

11、，都要有一個很好的計劃，否則就做不好。 第2章 電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換器的制作與調(diào)試 2.1設(shè)計任務(wù) 熟悉運放電路的各種元器件，充分了解并掌握運放參考電路圖，將元器件焊接在電路板上，并按設(shè)計要求寫出設(shè)計和調(diào)試過程，設(shè)計出將0~10伏電壓信號轉(zhuǎn)換成0~10毫安電流信號的電壓/電流轉(zhuǎn)換器，并通過調(diào)試將誤差控制在允許范圍內(nèi)。分析電路的工作過程，完成制作與調(diào)試，并填寫下表，分析結(jié)果。 表2.1測量表 電流信號（毫安） 0 2 4 6 8 10 電壓信號（伏） 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 基本電路 如圖2.1所示為實現(xiàn)輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相

12、，電阻RL跨接在集成運放的輸出端和反相輸入端，引入了電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。實際上該電路是一個反相比例運算電路，故輸出電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相輸入端通過電阻R1接地，R1為補(bǔ)償電阻，以保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性，同向輸入端電阻等于反向輸入端等效電阻，即R1=R//RL。由于理想運放的凈輸入電流均為零，故R1中電流為零，所以 Un=Up=0，則負(fù)載電流 （2.1） 式（2.1）表明負(fù)載電流與U

13、i成線性關(guān)系。但是此電路設(shè)計電路中的負(fù)載沒有接地，即負(fù)載RL處于浮地狀態(tài)；待變換的輸入電壓Ui受運放的最大共模輸入電壓限制。 圖2.1 電壓/電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路 豪蘭德(Howland)電流源電路 在實用電路中，常常需要負(fù)載電阻RL有接地端，為此產(chǎn)生了如圖2.2所示的豪蘭德電流源電路。由于該電路引入深度負(fù)反饋，可以認(rèn)為集成運放的兩個輸入端電位Un≈Up,電流In≈Ip≈0,因此在結(jié)點N的電流方程為 因而N點的電位 (2.2)結(jié)點P的電流方程 (2.3) 因而P點電位

14、 由上推導(dǎo)，P點的電壓近似等于N點的電壓，即Un≈ Up，并假設(shè)R2/R1=R3/R,利用式（2.2）和式（2.3）相等的關(guān)系，得到Io=-Ui/R，由于輸出電流與輸入電壓反相，不符合設(shè)計要求，所以也不采用此方法進(jìn)行設(shè)計。 圖2.2 豪蘭德電流源電路 實用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 結(jié)合以上分析，采用圖2.3的方案 2.3系統(tǒng)分析與設(shè)計 參考電路是從輸入端輸入電壓，經(jīng)過集成運算放大器把電壓信號轉(zhuǎn)變成電流輸出信號，通過對負(fù)載端的測量，可測出輸出電流的大小。電路由若干100KΩ，3KΩ電阻，2個1KΩ可調(diào)電阻構(gòu)成。100KΩ構(gòu)成輸入和反饋電

15、路，可調(diào)電阻構(gòu)成調(diào)零和輸出電路，集成運放的引腳與電流電壓變換器相同。Vi是輸入電壓；因在運放輸入端是對稱工作的，但在實際工作中會出現(xiàn)一定的不對稱性，為了提高精度，應(yīng)加入調(diào)零電路，消除零點誤差。左下端+15V電路為調(diào)零電路，通過W1對電路進(jìn)行調(diào)零，調(diào)整調(diào)零電路使輸入電壓為零時，輸出電壓為零，測出此時W1的電勢Vm；可調(diào)電阻W2是調(diào)整增益用的，通過對W2的調(diào)整可使輸出量程發(fā)生改變；右下角的R1是負(fù)載電阻，是從6端的輸出電壓轉(zhuǎn)變成電流作為輸出。電阻R3引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電阻R4引入電壓并聯(lián)正反饋。由圖知，V1=Vp，V2=Vn。根據(jù)運放虛短和虛斷的原理有：2和3引腳處無電流且Vp=Vn。 推出：

16、(Vi-V1)/R1=(V1-V4)/R4 (V3-V2)/R3=(V2-Vm)/R2 得出：Vi-V1=V1-V4 Vm-V2=V2-V3 所以：Vi-Vm=V3-V4 由輸出端與負(fù)載的節(jié)點的KCL有：(V3-V4)/W2+(V1-V4)/R4=I0 所以：I0= (Vi-Vm)/W2+(V1-V4)/R4，因為W2<

17、 100K 4 電阻 3K 1 電阻 Rl 1 滑動變阻器 W1,W2 1K 2 運算放大器 LM741CN 1 導(dǎo)線 若干 表2.2 儀器儀表清單 名稱 數(shù)量 直流穩(wěn)壓電源 1 數(shù)字萬用表 1 電路板 1 電阻箱 1 電烙鐵 1 電工鉗 1 2.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及誤差分析 (1)系統(tǒng)調(diào)試：先調(diào)節(jié)電壓源，使電壓源在10V下達(dá)到滿量程，改變調(diào)節(jié)增益的電阻，使輸出電流為10mA，防止將最大值調(diào)偏。再將電壓源調(diào)到Vi=0，調(diào)節(jié)調(diào)零電阻，使輸出電流為零，如此反復(fù)幾次，使輸出達(dá)到理想狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓變化

18、時，輸出電流也隨之發(fā)生變化，說明電路工作正常。在調(diào)試中應(yīng)注意電源正負(fù)極不能接反，防止元器件被燒壞，直流穩(wěn)壓電源電壓不能超過±15V，防止集成運放過熱燒壞。 (2)參數(shù)測量及誤差分析：了解各個元器件的工作原理和工作條件，在進(jìn)行安裝電路之前，先確定元器件參數(shù)，以減小實驗中造成的誤差，電路安裝完畢后確定電源，地線的引腳接線是否正確，對通電電路進(jìn)行通電檢查，電源電壓接入±15V，觀察電路中各部分的期間有無異常，尤其是觀察芯片是否過熱，若過熱可能被燒壞，要降低穩(wěn)壓電源電壓。數(shù)據(jù)記錄表格2.3如下： 表2.3 數(shù)據(jù)記錄表格 電壓信號（伏） 0 2 4 6 8 10 電流信號（毫安

19、） 0 2.07 4.15 6.23 8.31 10.44 理論電流信號（毫安） 0 2 4 6 8 10 2.6改進(jìn)意見與收獲體會 (1)改進(jìn)意見：導(dǎo)線過細(xì)使得導(dǎo)線在多次調(diào)試后產(chǎn)生金屬疲勞而折斷；電路板上的元器件在攜帶的時候容易損壞；電路板上焊孔過小增加了焊接的難度，同時使焊點不是很牢固，會發(fā)生斷路的現(xiàn)象；電路板中引出的地線過多會造成不共地的現(xiàn)象，會使改變電壓源的大小而萬用表的示數(shù)不發(fā)生變化；此轉(zhuǎn)換器的線性度較差，且在集成運放額定電壓的條件下輸出電流很難達(dá)到10mA；集成運放在調(diào)試過程中會有損壞；電路板上的導(dǎo)線很雜亂會增加檢查電路的難度，電路板的輸入，輸

20、出，接地線過多會增加接線難度。 (2)收獲體會：了解的元器件的工作原理和工作條件，通過對集成運放的接線，了解了各接點接法，加深了對深度負(fù)反饋的虛短和虛斷的理解；了解了調(diào)零電路對差分電路的補(bǔ)償作用以及調(diào)整增益對輸出的影響；并學(xué)會了如何使電流到電壓的轉(zhuǎn)換，以及對負(fù)載大小的選擇和測量負(fù)載電流的方法，同時提高了對理論的理解和對實踐的操作，而且還重溫了放大器和反相比例運算電路等知識。 第3章 聲控式音樂彩燈控制器的制作與調(diào)試 3.1 設(shè)計任務(wù) 熟悉電路的各種元器件，充分了解并掌握參考電路圖，將元器件焊接在電路板上，并按設(shè)計要求寫出設(shè)計和調(diào)試過程。通過壓電陶瓷片感受外界的聲音信號，并使電

21、路的彩燈發(fā)光，設(shè)計出聲控式音樂彩燈控制電路，通過聲音的大小控制燈的亮度。 3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 聲控式音樂彩燈控制電路由橋式整流電路，限流電阻以及濾波電容組成，當(dāng)壓電陶瓷接受聲音信號使，改變?nèi)龢O管的電位，進(jìn)而改變可控硅SCR的電位，最終使SCR產(chǎn)生通路使彩燈發(fā)光。 3.3系統(tǒng)分析與設(shè)計 由D1~D4組成橋式整流電路，輸出電壓經(jīng)限流電阻R1阻容分壓電容C濾波使發(fā)光管LED點亮發(fā)光，指示電路工作。此時LED兩端將得到1.6V左右的直流壓降，作為控制回路VT的工作電壓。W和R2作為三極管VT的集電極負(fù)載，調(diào)整W阻值大小使VT集電極剛好處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時VT集電極即可控硅SCR的控制端

22、為低電位，SCR阻斷，彩燈不亮。如環(huán)境有音樂聲波信號，經(jīng)壓電陶瓷片HTD拾取后，即輸出相應(yīng)電信號加到VT的基極和發(fā)射極之間，其信號負(fù)半周使VT的集電極電流減小，三極管的基極由原來的高電平變?yōu)榈碗娖剑姌O由原來的低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，VT退出飽和導(dǎo)通狀態(tài)而進(jìn)入放大狀態(tài)，這時集電極電位變高，SCR控制端獲得觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，彩燈H點亮。所謂壓電陶瓷片是當(dāng)振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號。故彩燈能隨HTD

23、輸出電信號即聲波場強(qiáng)變化而閃爍，調(diào)節(jié)W可改變控制器的聲控靈敏度。 3.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單 參考電路圖如下： 圖3.1 聲控式音樂彩燈控制器的制作與調(diào)試 表3.1 元器件清單 名稱 符號 規(guī)格 數(shù)量 電阻 R1 3.9KΩ 1 電阻 R2 1KΩ 1 電阻 R3 2MΩ 1 滑動變阻器 W1 18KΩ 1 電容 C 220μF 1 發(fā)光管 LED 1 三極管 VT C9013 1 可控硅 SCR 97A6 1 二極管 D1,D2,D3,D4 1N4001 4 燈泡 1 導(dǎo)線

24、 若干 表3.2 儀器儀表清單 名稱 數(shù)量 18V交流電壓源 1 數(shù)字萬用表 1 電路板 1 電烙鐵 1 電工鉗 1 3.5系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測量及誤差分析 （1）系統(tǒng)調(diào)試：接上18V交流電后，LED應(yīng)發(fā)光指示。將電位器W完成的阻值由大逐漸調(diào)小，當(dāng)調(diào)到某一點時，彩燈H會常亮不閃，此時可把W往回調(diào)，即阻值稍大使彩燈H剛好熄滅，次位置為聲控靈敏度最高位置，加大W靈敏度則逐漸減小。如果調(diào)小W, 彩燈H始終不能點亮, 排除元器件故障和接線錯誤外, 則是由于VT始終處于飽和導(dǎo)通狀態(tài), 故SCR一直處于關(guān)斷態(tài)。此時可換用β值稍小的管子或者增大電阻R3的阻值, 減小VT的基

25、極電流來解決；如果W無論處于何位置, 彩燈H總是常亮不閃, 這是由于VT不能進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài), 集電極始終為高電位, 故SCR一直開通。這時可換用β值大一些的管子來代換, 或?qū)3阻值減小。總之要求W應(yīng)有這樣一個調(diào)節(jié)范圍, W調(diào)小到某一位置時, 燈會亮不閃, W調(diào)大則燈熄滅。使用時, 將控制器放置在音響設(shè)備喇叭附近, 調(diào)整 W，就可以使彩燈隨音樂節(jié)奏而閃爍。 （2）參數(shù)測量及誤差分析：了解各個元器件的工作原理和工作條件，在進(jìn)行安裝電路之前，先確定元器件參數(shù)，以減小實驗中造成的誤差，對通電電路進(jìn)行通電檢查，電源電壓接入18V交流電，觀察電路中各部分的期間有無異常。 3.6改進(jìn)意見與收獲體會

26、 (1)改進(jìn)意見：電路中有的焊點要接的導(dǎo)線較多增加了焊接難度，同時可能使導(dǎo)線脫落；電路板中有些元件距離較遠(yuǎn)，增加的導(dǎo)線長度，是電路板看起來比較雜亂；電路板中的許多元件與電路圖中要求的參數(shù)不符，增加了測試的難度并降低了電路的靈敏度；電路中的某些原件的節(jié)點沒有焊在電路板上增加了檢查電路的難度。 (2)收獲體會：了解了可控硅SCR和壓電陶瓷片的工作原理；如何制作聲控式音樂彩燈控制器并能夠調(diào)其靈敏度。通過實驗對于該元件的應(yīng)用有了進(jìn)一步認(rèn)識，學(xué)會了如何處理問題，檢查元器件是否損壞。 主要參考資料 [1]數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，中國電力出版社，王義軍主編，2007年8月版 [2]丁文霞，陸岷，劉安芝.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，2005 [3]韓廣興.電子元器件與實用電路基礎(chǔ).北京：電子工業(yè)出版社，2005 [4]趙志杰.集成電路應(yīng)用識圖方法.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 [5] :// alldatasheet . [6] :// 21ic .