《電子技術應用》word版.doc
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目錄第1章 電流/電壓(I/V)轉換器的制作與調試11.1 設計任務11.2 系統(tǒng)總體設計方案11.2.1無源I/V變換11.2.2有源I/V變換21.3系統(tǒng)分析與設計21.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單31.5系統(tǒng)調試與參數測量及參數測量31.6改進意見與收獲體會4第2章 電壓/電流(V/I)轉換器的制作與調試52.1設計任務52.2 系統(tǒng)總體設計方案52.2.1基本電路52.2.2豪蘭德(Howland)電流源電路62.2.3實用電壓/電流轉換電路62.3系統(tǒng)分析與設計72.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單72.5系統(tǒng)調試與參數測量及參數測量82.6改進意見與收獲體會9第3章 聲控式音樂彩燈控制器的制作與調試103.1 設計任務103.2 系統(tǒng)總體設計方案103.3系統(tǒng)分析與設計103.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單113.5系統(tǒng)調試與參數測量及參數測量123.6改進意見與收獲體會12主要參考資料13 第1章 電流/電壓(I/V)轉換器的制作與調試1.1設計任務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,并按設計要求寫出設計和調試過程,設計出將010毫安電流信號轉換成010伏電壓信號的電流/電壓轉換器,并通過調試將誤差控制在允許范圍內。分析電路的工作過程,完成制作與調試,并填寫下表,分析結果。表1.1測量表電流信號(毫安)0246810電壓信號(伏)1.2系統(tǒng)總體設計方案1.2.1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,并加濾波和輸出限幅等保護措施圖中R1和C構成無源濾波電路,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,二極管將正向導通,所以在這里二極管起到了限幅的作用,輸出電壓V=R2*I,即可使輸入電流轉換為電壓形式輸出。圖1.1無源I/V變換1.2.2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。利用運算放大器進行對輸入信號的放大。將輸入電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?,輸入電流由于電容的存在使電阻兩端產生一定的壓降,然后由運算放大器實現電壓放大,從而完成電流到電壓的轉換。比較無源I/V變換和有源I/V變換,有源I/V變換在實際應用中更為廣泛,而且可調性強,便于電路的調試,所以設計中選用有源I/V變換完成電流電壓轉換。1.3系統(tǒng)分析與設計該電路是采用集成運放的電壓并聯負反饋制作轉換器,使輸入電流轉化成電壓輸入,通過運算放大器放大電壓信號。電路由電阻R,若干100K,200K,2K電阻,2個10K可調電阻構成。R構成電路輸入端,100K,200K,2K構成差分電路,可調電阻構成調零和輸出電路。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遠小于100K),使輸入電流基本完全通過電阻R,Ii將在R上產生電壓。當電流在同向端輸入電流時,將在輸出端產生正電壓。設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一定的不對稱性,為了提高精度,應加入調零電路,消除零點誤差。左下端-15V電路為調零電路,當輸入電流Ii=0時,調整左下角可變電阻使V0=0,記錄此時可變電阻的電位V調。右邊的10K是用來調整增益的,通過調整增益達到輸出量程的上限,測出此時可調電阻的電勢V增。2個2K電阻與100K電阻的連接節(jié)點電位為Vn(反向端)和Vp(同向端)。根據運放虛斷的性質有2個2K電阻上無電流。根據反向虛斷有(Vi上-Vn)/100k=(Vn-V增)/200k同向虛斷有(Vi下-Vp)/100k=(Vp-V調)/200k根據虛短有:Vn=Vp;得V增=V調-2(Vi上-Vi下)=V調+2*Ii*R 設右邊10K可調電阻上邊電阻為R上,下邊電阻為R下,在上邊的差分電路中,因為10K200K,故200K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+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電流電壓轉換器表1.2 元器件清單名稱規(guī)格數量電阻100K3電阻2K2電阻200K2滑動變阻器10K2運算放大器UA741CN1導線若干表1.3 儀器儀表清單名稱數量直流穩(wěn)壓電源1數字萬用表1電流源1電路板1電阻箱1電烙鐵1電工鉗11.5系統(tǒng)調試與參數測量及誤差分析 (1)系統(tǒng)調試:先調節(jié)電流源,使電流源在10mA下達到滿量程,改變調節(jié)增益的電阻,使輸出電壓為10V,防止將最大值調偏。再將電流源調到Ii=0,調節(jié)調零電阻,使輸出電壓為零,如此反復幾次,使輸出達到理想狀態(tài)。當輸入電流變化時,輸出電壓也隨之發(fā)生變化,說明電路工作正常。在調試中應注意電源正負極不能接反,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,在進行安裝電路之前,先確定元器件參數,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。數據記錄表格1.4如下:表1.4數據記錄表格電流信號(毫安)0246810電壓信號(伏)0.142.264.316.388.4210.50理論電壓信號(伏)02468101.6改進意見與收獲體會 (1)改進意見:集成運放在調試過程中會有損壞;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)生斷路的現象;導線過細使得導線在多次調試后產生金屬疲勞而折斷;電路板上元件距離分布不是太合理導致焊接路線的導線雜亂很難檢測,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,加深了對深度負反饋的虛短和虛斷的理解;了解了調零電路對差分電路的補償作用以及調整增益對輸出的影響;并學會了如何使電壓到電流的轉換,同時提高了對理論的理解和對實踐的操作。學會了電流電壓轉換器的設計方法和調試方法, 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。在實習前的準備工作,該怎么準備,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)轉換器的制作與調試2.1設計任務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,并按設計要求寫出設計和調試過程,設計出將010伏電壓信號轉換成010毫安電流信號的電壓/電流轉換器,并通過調試將誤差控制在允許范圍內。分析電路的工作過程,完成制作與調試,并填寫下表,分析結果。表2.1測量表電流信號(毫安)0246810電壓信號(伏)2.2 系統(tǒng)總體設計方案2.2.1基本電路如圖2.1所示為實現輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相,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,故輸出電壓并聯負反饋。同相輸入端通過電阻R1接地,R1為補償電阻,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,則負載電流 (2.1) 式(2.1)表明負載電流與Ui成線性關系。但是此電路設計電路中的負載沒有接地,即負載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/電流轉換的基本原理電路2.2.2豪蘭德(Howland)電流源電路在實用電路中,常常需要負載電阻RL有接地端,為此產生了如圖2.2所示的豪蘭德電流源電路。由于該電路引入深度負反饋,可以認為集成運放的兩個輸入端電位UnUp,電流InIp0,因此在結點N的電流方程為 因而N點的電位 (2.2)結點P的電流方程 (2.3) 因而P點電位 由上推導,P點的電壓近似等于N點的電壓,即Un Up,并假設R2/R1=R3/R,利用式(2.2)和式(2.3)相等的關系,得到Io=-Ui/R,由于輸出電流與輸入電壓反相,不符合設計要求,所以也不采用此方法進行設計。圖2.2 豪蘭德電流源電路2.2.3實用電壓/電流轉換電路結合以上分析,采用圖2.3的方案2.3系統(tǒng)分析與設計參考電路是從輸入端輸入電壓,經過集成運算放大器把電壓信號轉變成電流輸出信號,通過對負載端的測量,可測出輸出電流的大小。電路由若干100K,3K電阻,2個1K可調電阻構成。100K構成輸入和反饋電路,可調電阻構成調零和輸出電路,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一定的不對稱性,為了提高精度,應加入調零電路,消除零點誤差。左下端+15V電路為調零電路,通過W1對電路進行調零,調整調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;可調電阻W2是調整增益用的,通過對W2的調整可使輸出量程發(fā)生改變;右下角的R1是負載電阻,是從6端的輸出電壓轉變成電流作為輸出。電阻R3引入電壓串聯負反饋,電阻R4引入電壓并聯正反饋。由圖知,V1=Vp,V2=Vn。根據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:(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W2R4,可忽略R4的電流,有I0= (Vi-Vm)/W22.4總電路圖、元器件清單、儀器儀表清單參考電路圖如下:圖2.3 電壓電流轉換器表2.1 元器件清單名稱符號規(guī)格數量電阻R1,R2,R3,R4100K4電阻3K1電阻Rl1滑動變阻器W1,W21K2運算放大器LM741CN1導線若干 表2.2 儀器儀表清單名稱數量直流穩(wěn)壓電源1數字萬用表1電路板1電阻箱1電烙鐵1電工鉗12.5系統(tǒng)調試與參數測量及誤差分析 (1)系統(tǒng)調試:先調節(jié)電壓源,使電壓源在10V下達到滿量程,改變調節(jié)增益的電阻,使輸出電流為10mA,防止將最大值調偏。再將電壓源調到Vi=0,調節(jié)調零電阻,使輸出電流為零,如此反復幾次,使輸出達到理想狀態(tài)。當輸入電壓變化時,輸出電流也隨之發(fā)生變化,說明電路工作正常。在調試中應注意電源正負極不能接反,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,在進行安裝電路之前,先確定元器件參數,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。數據記錄表格2.3如下:表2.3 數據記錄表格電壓信號(伏)0246810電流信號(毫安)02.074.156.238.31 10.44理論電流信號(毫安)02468102.6改進意見與收獲體會 (1)改進意見:導線過細使得導線在多次調試后產生金屬疲勞而折斷;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)生斷路的現象;電路板中引出的地線過多會造成不共地的現象,會使改變電壓源的大小而萬用表的示數不發(fā)生變化;此轉換器的線性度較差,且在集成運放額定電壓的條件下輸出電流很難達到10mA;集成運放在調試過程中會有損壞;電路板上的導線很雜亂會增加檢查電路的難度,電路板的輸入,輸出,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,加深了對深度負反饋的虛短和虛斷的理解;了解了調零電路對差分電路的補償作用以及調整增益對輸出的影響;并學會了如何使電流到電壓的轉換,以及對負載大小的選擇和測量負載電流的方法,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試3.1 設計任務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,并按設計要求寫出設計和調試過程。通過壓電陶瓷片感受外界的聲音信號,并使電路的彩燈發(fā)光,設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,當壓電陶瓷接受聲音信號使,改變三極管的電位,進而改變可控硅SCR的電位,最終使SCR產生通路使彩燈發(fā)光。3.3系統(tǒng)分析與設計由D1D4組成橋式整流電路,輸出電壓經限流電阻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的集電極負載,調整W阻值大小使VT集電極剛好處于飽和導通狀態(tài),此時VT集電極即可控硅SCR的控制端為低電位,SCR阻斷,彩燈不亮。如環(huán)境有音樂聲波信號,經壓電陶瓷片HTD拾取后,即輸出相應電信號加到VT的基極和發(fā)射極之間,其信號負半周使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?,集電極由原來的低電平轉變?yōu)楦唠娖?,VT退出飽和導通狀態(tài)而進入放大狀態(tài),這時集電極電位變高,SCR控制端獲得觸發(fā)電壓而導通,彩燈H點亮。所謂壓電陶瓷片是當振動壓電陶瓷時,則會產生一個電荷。利用這一原理,當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器,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,當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時,就會產生一個電信號。故彩燈能隨HTD輸出電信號即聲波場強變化而閃爍,調節(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試表3.1 元器件清單名稱符號規(guī)格數量電阻R13.9K1電阻R21K1電阻R32M1滑動變阻器W118K1電容C220F1發(fā)光管LED1三極管VTC90131可控硅SCR97A61二極管D1,D2,D3,D41N40014燈泡1導線若干表3.2 儀器儀表清單名稱數量18V交流電壓源1數字萬用表1電路板1電烙鐵1電工鉗13.5系統(tǒng)調試與參數測量及誤差分析(1)系統(tǒng)調試:接上18V交流電后,LED應發(fā)光指示。將電位器W完成的阻值由大逐漸調小,當調到某一點時,彩燈H會常亮不閃,此時可把W往回調,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始終處于飽和導通狀態(tài), 故SCR一直處于關斷態(tài)。此時可換用值稍小的管子或者增大電阻R3的阻值, 減小VT的基極電流來解決;如果W無論處于何位置, 彩燈H總是常亮不閃, 這是由于VT不能進入飽和導通狀態(tài), 集電極始終為高電位, 故SCR一直開通。這時可換用值大一些的管子來代換, 或將R3阻值減小??傊骔應有這樣一個調節(jié)范圍, W調小到某一位置時, 燈會亮不閃, W調大則燈熄滅。使用時, 將控制器放置在音響設備喇叭附近, 調整 W,就可以使彩燈隨音樂節(jié)奏而閃爍。(2)參數測量及誤差分析:了解各個元器件的工作原理和工作條件,在進行安裝電路之前,先確定元器件參數,以減小實驗中造成的誤差,對通電電路進行通電檢查,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改進意見與收獲體會 (1)改進意見:電路中有的焊點要接的導線較多增加了焊接難度,同時可能使導線脫落;電路板中有些元件距離較遠,增加的導線長度,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其靈敏度。通過實驗對于該元件的應用有了進一步認識,學會了如何處理問題,檢查元器件是否損壞。主要參考資料1 數字電子技術基礎,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.電子技術基礎實驗與課程設計.北京:電子工業(yè)出版社,20053韓廣興.電子元器件與實用電路基礎.北京:電子工業(yè)出版社,20054趙志杰.集成電路應用識圖方法.北京:機械工業(yè)出版社,20045 http:/www.alldatasheet.com.6 http:/www.21ic.com. 13- 配套講稿:
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