電子技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)集合

1、實(shí)驗(yàn)一 語(yǔ)音放大電路1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制作一個(gè)具有麥克風(fēng)、音頻合成和功率放大功能的音頻功率放大器。要求：前置放大電路：輸入信號(hào)：Uid10mV輸入阻抗：Ri100K共模抑制比：KCMR60dB有源帶通濾波電路帶通頻率范圍：300Hz-3000Hz功率放大電路最大不失真輸出功率：POM5W負(fù)載阻抗：RL=4電源電壓：+5V，+12V2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉小信號(hào)電壓放大器、放大器運(yùn)算電路、功率放大器、直流穩(wěn)壓電源的工作原理和設(shè)計(jì)方法。同時(shí)通過(guò)同學(xué)們自己焊接實(shí)際電路，提高動(dòng)手能力。3、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)具有如下功能的音頻功率放大電路：將來(lái)自麥克風(fēng)的音頻信號(hào)線性放大，然后和來(lái)自其它音源的

2、音樂(lè)信號(hào)混合，混合后的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大進(jìn)行電壓放大，然后經(jīng)過(guò)功率放大推動(dòng)揚(yáng)聲器工作。系統(tǒng)組成和原理框圖如下圖所示。（1）線性放大電路電路說(shuō)明：電路中C1的作用是濾除高次諧波干擾；C2是耦合電容，阻直通交，對(duì)于交流信號(hào)相當(dāng)于短路；C3的作用是防止放大器自激設(shè)置的電容；所以電路可以簡(jiǎn)化為如下圖所示。（2）音頻混合電路C4和C5也是耦合電容，阻直通交，對(duì)于交流信號(hào)相當(dāng)于短路；（3）前置放大電路前置放大電路所接收的信號(hào)一般為有用信號(hào)與躁聲信號(hào)的疊加信號(hào)，其中有用信號(hào)可能僅有若干毫伏，而共模躁聲信號(hào)可能高達(dá)幾伏，因此，前置放大電路必須設(shè)計(jì)成一個(gè)高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗的小信號(hào)放大電路。（4）功率

3、放大電路功率放大電路的主要作用是向負(fù)載提供功率，要求輸出功率盡可能大，轉(zhuǎn)換效率盡可能高，非線性失真盡可能小。功率放大電路的形式很多，有雙電源供電的OCL互補(bǔ)對(duì)稱功放電路，單電源供電的OTL功放電路，BTL橋式推挽功放電路和變壓器耦合功放電路等。另外，目前集成功放發(fā)展也很迅速，現(xiàn)在TDA200X系列五端單片集成功放性能優(yōu)良，功能齊全，并附有各種保護(hù)、消躁電路，使外接元件大大減少，而且，便于安裝，所以，應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。讀者可以根據(jù)要求與實(shí)驗(yàn)條件自選電路。系統(tǒng)工作需要的直流電源由電源模塊提供。直流穩(wěn)壓電源原理框圖及波形圖1）電源變壓器 將市電交流電壓轉(zhuǎn)換為符合整流需要的幅值較低的交流電壓。2）整流電

4、路 利用整流元件，將正弦交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓。3）濾波電路 利用電容、電感元件將直流脈動(dòng)電壓中的諧波成分濾除掉，使之變?yōu)楸容^平滑的脈動(dòng)直流電壓。 4）穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路的作用是使直流輸出電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載變動(dòng)的影響。貫穿本次實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容是“放大”，和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容相同。什么是放大？如何正確理解電子電路的放大？從電子學(xué)的概念看：放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換。放大的基本特征是功率放大。能夠控制能量的元件叫做有源器件。放大電路的基本要求是不失真。其他概念建立工程化的概念，多和實(shí)際相聯(lián)系。如電阻的阻值，其實(shí)是在其標(biāo)稱值某個(gè)范圍內(nèi)變化的，并不等同于標(biāo)稱值。實(shí)驗(yàn)調(diào)試中會(huì)遇到很多問(wèn)題，

5、如外部干擾等等，具體問(wèn)題具體分析。麥克風(fēng)簡(jiǎn)介n 麥克風(fēng)，學(xué)名為傳聲器，由Microphone翻譯而來(lái)。傳聲器是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，也稱話筒，麥克風(fēng)，微音器。 目前，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的麥克風(fēng)主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是動(dòng)圈式話筒。其主要特點(diǎn)是音質(zhì)好，不需要電源供給，但價(jià)格相對(duì)較高。另一類(lèi)話筒是駐極體話筒。其特點(diǎn)是耐用，靈敏度較高，需要1.53V的電源供給，音質(zhì)比同價(jià)位的動(dòng)圈式話筒要差一些。但其價(jià)格相對(duì)較低，適合作播音麥克風(fēng)。動(dòng)圈式話筒用的是電磁感應(yīng)的原理：聲音的震動(dòng)帶動(dòng)在磁場(chǎng)中的線圈震動(dòng)，這一震動(dòng)將切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。優(yōu)點(diǎn)是：音質(zhì)好，不需要電源供給。駐極

6、體傳聲器有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜（多數(shù)為聚全氟乙丙烯）并將其接地，另一極板接在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上，柵極與源極之間接有一個(gè)二極管。當(dāng)駐極體膜片本身帶有電荷，表面電荷地電量為Q，板極間地電容量為C，則在極頭上產(chǎn)生地電壓U=Q/C，當(dāng)受到振動(dòng)或受到氣流地摩擦?xí)r，由于振動(dòng)使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會(huì)引起電壓的變化。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率，這就是駐極體傳聲器的工作原理。 電容式麥克風(fēng)的膜片多采用聚全氟乙丙烯，其濕度性能好，產(chǎn)生的表面電荷多，受濕度影響小。由于這種傳聲器也是電容式結(jié)構(gòu)，信號(hào)內(nèi)阻很大，為了將聲音

7、產(chǎn)生的電壓信號(hào)引出來(lái)并加以放大，其輸出端也必須使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。優(yōu)點(diǎn)：保真度好。放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)1.放大的概念用小的變化量去控制一個(gè)較大的量的變化。要求不失真的“線性放大”。放大電路利用晶體管實(shí)現(xiàn)能量的控制與轉(zhuǎn)換。放大作用的實(shí)質(zhì)就是有源器件的電流、電壓或功率的控制作用。輸出的較大能量來(lái)自于直流電源Vcc，而不是有源器件。放大電路中能夠控制能量轉(zhuǎn)換的元件稱為有源元件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成運(yùn)算放大電路）。放大電路的組成擴(kuò)音機(jī)示意圖：一般包含電壓放大電路和功率放大電路。電壓放大電路將微弱電壓加以放大從而推動(dòng)功率放大電路，通常工作在小信號(hào)狀態(tài)。功率放大電路輸出較大的功率，推動(dòng)執(zhí)行

8、元件，工作在大信號(hào)狀態(tài)。2.放大電路的性能指標(biāo)輸入為小信號(hào)時(shí)（測(cè)試信號(hào)為正弦波）（1）放大倍數(shù)（或增益） 衡量放大電路的放大能力，定義為輸出變化量與輸入變化量之比。根據(jù)輸入量與輸出量的不同，將放大電路分為四種類(lèi)型：電壓放大電路；電流放大電路；互導(dǎo)放大電路；互阻放大電路。n 電壓放大電路基本示意圖（輸入量與輸出量都是電壓）電壓增益：輸出電壓與輸入電壓之比。源電壓增益： 輸出電壓與信號(hào)源電壓之比。（2）輸入電阻Ri從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。定義為輸入電壓有效值Ui和輸入電流有效值Ii之比。 Ri表明放大電路從信號(hào)源索取電流或電壓的能力。Ri越大，電流越小，Ui越接近 Us ，信號(hào)電壓Us損

9、失越小。輸入信號(hào)源是內(nèi)阻很小的電壓源時(shí)，要求輸入電阻盡量大，以保證信號(hào)源電壓損失盡可能小。輸入信號(hào)源是內(nèi)阻很大的電流源時(shí)，要求輸入電阻盡量小，以保證信號(hào)源電流盡可能多流進(jìn)放大電路。利用Ri和Rs可以求出電壓增益與源電壓增益的關(guān)系式。（3）輸出電阻RoRO表明放大電路的帶負(fù)載能力(指負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化情況）。Ro越小，放大電路帶電壓負(fù)載的能力越強(qiáng)。（ Ro小，RL變化時(shí)，UO變化小) 放大電路的輸出量為電壓，要求輸出電壓盡量不受負(fù)載變化影響，電路的輸出電阻應(yīng)盡量小。放大電路的輸出量為電流，要求輸出電流盡量不受負(fù)載變化影響，電路的輸出電阻應(yīng)盡量大。Ri 、Ro是為描述電路在相互連接時(shí)彼此之間

10、產(chǎn)生影響而引入的參數(shù)。（4）通頻帶fbw是用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力的技術(shù)指標(biāo)。功率放大電路概述 1.功率放大電路的特點(diǎn)和要求功放電路不僅要有足夠大的輸出電壓 , 而且還應(yīng)有足夠大的輸出電流，才能提供足夠大的輸出功率。放大管工作在極限應(yīng)用狀態(tài)。功放電路從組成、元器件的選擇到分析方法，都與小信號(hào)放大電路不同。通常要求：1） 輸出功率盡可能大；2） 轉(zhuǎn)換效率要高 ；3） 非線性失真要小；4）考慮功放電路中晶體管的選擇和散熱問(wèn)題；（接近極限運(yùn)用狀態(tài)） 2.輸入信號(hào)幅值較大時(shí)1）非線性失真系數(shù)D指輸出波形中的諧波成分總量與基波成分之比(各次諧波有效值與基波有效值之比）。2）最大不失真輸出

11、電壓當(dāng)輸入電壓再增大時(shí)就會(huì)使輸出波形產(chǎn)生非線性失真時(shí)的輸出電壓（非線性失真系數(shù)不超過(guò)規(guī)定的最大輸出電壓）。可表示為：最大輸出幅值(Uom)M 最大輸出有效值(Uo)M3）最大輸出功率(Po)M和效率h 最大輸出功率指在輸出波形基本不失真的情況下，負(fù)載上能夠獲得的最大交流功率。效率指直流電源能量的利用率。 集成運(yùn)放電路1、通用型集成運(yùn)放：晶體管構(gòu)成F007(A741)、F324(LM324)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成C14573 2、集成運(yùn)放的符號(hào)及電壓傳輸特性3、集成運(yùn)放的特點(diǎn)：1）是雙端輸入、單端輸出的放大電路。2）差模放大倍數(shù)高。3）輸入阻抗高，輸出阻抗低。4）共模抑制比高，能較好的抑制溫漂。共模信號(hào)：

12、大小相等、極性相同的信號(hào) 差模信號(hào) ：大小相等、極性相反的信號(hào)。 4、集成運(yùn)放的使用1）正確辨認(rèn)管腳(目前未完全標(biāo)準(zhǔn)化)2）調(diào)零或調(diào)偏置電壓 對(duì)于內(nèi)部無(wú)自穩(wěn)零措施的運(yùn)放,在外部要加調(diào)零電路；若為單電源供電,有時(shí)還需設(shè)置合適的靜態(tài)輸出電壓,以便能放大雙極性信號(hào).3）消除自激振蕩在電源端加去耦電容，有的需外接頻率補(bǔ)償電容.5、集成運(yùn)放應(yīng)用分類(lèi)根據(jù)在不同電路中集成運(yùn)放所處的工作狀態(tài)，可以把集成運(yùn)放的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用 1）線性應(yīng)用 集成運(yùn)放輸出量與凈輸入量成線性關(guān)系。但是，整個(gè)應(yīng)用電路的輸出與輸入之間仍可能是非線性的關(guān)系。 2）非線性應(yīng)用 集成運(yùn)放的輸出量與凈輸入量成非線性關(guān)系，輸

13、出量不是處于正飽和值就是負(fù)飽和值。本實(shí)驗(yàn)的各種電路，集成運(yùn)放均是線性應(yīng)用 。線性應(yīng)用電路的分析方法設(shè)集成運(yùn)放同相輸人端和反相輸入端的電位分別為 U+、U-，電流分別為I+、I-。當(dāng)理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，應(yīng)滿足： “虛短”和 “虛斷”虛短路：U+U-，是指集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位無(wú)窮接近，但不是真正短路。虛地：當(dāng)集成運(yùn)放的一個(gè)輸入端電位為地時(shí)，則另一端為“虛地”點(diǎn)（由虛短推出）。虛斷路：I+=I-0 ，指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流趨于零，但不是真正斷路?；具\(yùn)算電路集成運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋（深度負(fù)反饋）時(shí)，工作在線性區(qū)，完成運(yùn)算功能比例、加減、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算電路。如何判斷

14、工作在負(fù)反饋工作狀態(tài)？對(duì)于單運(yùn)放構(gòu)成電路，只要反饋在反相輸入端，就工作在負(fù)反饋狀態(tài)。（1）反相比例運(yùn)算電路輸出電壓：Uo=-RFR1Ui輸入電阻：Ri=R1輸出電阻：Ro=0（2）加法運(yùn)算電路四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)各級(jí)電路，并進(jìn)行仿真、調(diào)試、分析。2、連接各級(jí)實(shí)際電路，并進(jìn)行調(diào)試。（1） 前置放大電路靜態(tài)調(diào)試：調(diào)零和消振。動(dòng)態(tài)調(diào)試：以正弦信號(hào)為信號(hào)源，幅值、頻率自選，觀察輸出波形失真情況，測(cè)量放大電路的差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)、共模抑制比、輸入電阻、輸出電阻、幅頻特性。（2） 功率放大電路靜態(tài)調(diào)試：觀察有無(wú)振蕩，如有，采取消振措施。測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，從各個(gè)方面（比如：波形失真、功

15、耗、效率等）考慮看其是否合適。 動(dòng)態(tài)調(diào)試：加入動(dòng)態(tài)信號(hào)，測(cè)量最大輸出功率、電源所提供的平均功率、求出效率、電壓增益。將以上測(cè)量結(jié)果與理論值比較，看是否滿足要求。3、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)將各級(jí)電路連接起來(lái)，加入信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)一靜態(tài)、動(dòng)態(tài)（觀察波形，測(cè)量最大不失真輸出電壓范圍，電壓放大倍數(shù)，帶寬等）調(diào)試。加入語(yǔ)音信號(hào)，試聽(tīng)效果。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、畫(huà)出總電路原理圖，說(shuō)明選擇此方案的原因及電路原理。2、分析測(cè)試結(jié)果。3、寫(xiě)出實(shí)際安裝、調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決辦法。實(shí)驗(yàn)二 RC有源濾波器設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)二階壓控電壓源寬帶濾波器，要求能抑制低于300Hz和高于3000Hz的信號(hào)，整個(gè)通帶增益為8dB。要求：（

16、1）設(shè)計(jì)二階RC帶通濾波器電路，計(jì)算電路元件參數(shù)，擬定測(cè)試方案和步驟；（2）在multisim里仿真電路，測(cè)量并調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)；（3）測(cè)量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)；（4）測(cè)量有源濾波器的幅頻特性；（5）寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)RC有源濾波器(低通、高通、帶通、帶阻)的設(shè)計(jì)方法；（2）由濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算電路元件參數(shù)；（3）掌握有源濾波器的測(cè)試方法；（4）測(cè)量有源濾波器的幅頻特性。3、實(shí)驗(yàn)原理有源濾波電路是用有源器件與RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路，種類(lèi)很多，按其帶通的性能劃分，可分為低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。根據(jù)本實(shí)訓(xùn)的要求應(yīng)該選用一帶寬與實(shí)際輸入有用信號(hào)相一致的有源帶通濾波器。帶通濾波器最

17、大電壓峰值出現(xiàn)在中心頻率f,0的頻率點(diǎn)上。（1） 原理圖設(shè)計(jì)1）低通濾波器低通濾波器是用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)衰減或抑制高頻信號(hào)。如圖1（a）所示，為典型的二階有源低通濾波器。它由兩級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運(yùn)算電路組成，其中第一級(jí)電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。圖1（b）為二階低通濾波器幅頻特性曲線。圖1 二階低通濾波器2）高通濾波器高通濾波器用來(lái)通過(guò)高頻信號(hào)，衰減或抑制低頻信號(hào)。將圖1低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容互換，即可變成二階有源高通濾波器，如圖2(a)所示。高通濾波器性能與低通濾波器相反，其頻率響應(yīng)和低通濾波器是“鏡象”關(guān)系。圖2（b）為二階高通濾波器幅頻特性曲線。

18、圖2 二階高通濾波器3）帶通濾波器帶通濾波器的作用是只允許在某一個(gè)通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號(hào)均加以衰減或抑制。典型的帶通濾波器可以從二階低通濾波器中將其中一級(jí)改成高通而成。如圖3（a）所示。本電路的優(yōu)點(diǎn)是改變Rf和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率。圖3（b）為二階高通濾波器的幅頻特性曲線。圖3 二階帶通濾波器4）帶阻濾波器帶阻濾波器和帶通濾波器相反，即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)不能通過(guò)（或受到很大衰減或抑制），而在其余頻率范圍，信號(hào)則能順利通過(guò)。典型的帶通濾波器可以在雙T網(wǎng)絡(luò)后加一級(jí)同相比例運(yùn)算電路構(gòu)成。如圖4（a）所示。圖4（b）為二階帶阻濾波器的幅頻特

19、性曲線。圖4 二階帶阻濾波器 （2） 濾波器的傳輸函數(shù)與性能參數(shù)由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)，因受運(yùn)算放大器帶寬限制，這類(lèi)濾波器僅適用于低頻范圍，根據(jù)頻率范圍可將其分為低通、高通、帶通與帶阻四種濾波器，它們的幅頻特性如下圖所示，具有理想特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的，只能用實(shí)際特性去逼近理想的，常用的逼近方法是巴特沃斯最大啊平坦響應(yīng)和切比雪夫等波動(dòng)響應(yīng)。在不許帶內(nèi)有波動(dòng)時(shí)，用巴特沃斯響應(yīng)較好，如果給定帶內(nèi)所允許的紋波差，則切比雪夫響應(yīng)較好。1）濾波器的傳輸函數(shù)表1 二階RC濾波器的傳輸函數(shù)表類(lèi)型傳輸函數(shù)性

20、能參數(shù) 低通 電壓增益低、高通濾波器的截止角頻率帶阻塞、帶阻濾波器的中心角頻率BW帶通、帶阻濾波器的帶寬 高通 帶通 帶阻2）單元電路性能參數(shù)低通濾波器二階低通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。高通濾波器 二階高通濾波器的通帶增益 截止頻率，它是二階高通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響高通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。帶通濾波器 通帶增益 中心頻率 通帶寬度 選擇性 帶阻濾波器通帶增益 中心頻率 帶阻寬度 B2（2Aup）f0

21、選擇性 （3）元件參數(shù)的計(jì)算1）二階低通濾波器二階低通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2/（CC1RR1） (1-1)Q=0.707C/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (1-2)AV=1+R4/R3 (1-3)2）二階高通濾波器二階高通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2/（CC1RR1） (2-1)Q=0.707C /Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1 (2-2)AV=1+R4/R3 (2-3)3）二階帶通濾波器二階帶通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為C2(1/R1+1/R3)/R2C2 (3-1)Q=0/BW (3-2)AV=1+R4/R5(AV2) (3-3)4）二階帶阻濾波器二

22、階帶通濾波器性能參數(shù)表達(dá)式為1/R3=1/R1+1/R2 (4-1)02=1/R1R2C2 (4-2)AV=1 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一帶通濾波器，帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值越高（Q=），高Q值的濾波器有大的輸出電壓；反之，低Q值的濾波器帶寬較寬，有較小的輸出電壓。我們所熟悉的RC橋式振蕩電路其實(shí)就是一個(gè)選擇性很好的有源帶通濾波器。該電路在滿足R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，Q值與中心頻率f,0分別為： 式中： 另外，也可以用一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器串聯(lián)起來(lái)組成一帶通濾波器，用該方法構(gòu)成的帶通濾波器通帶較寬，截止頻率易于調(diào)整，多用作測(cè)量信號(hào)噪聲比的音頻帶通濾波

23、器。如圖所示的帶通濾波器，頻率范圍300Hz-3000Hz，整個(gè)通帶增益為8 dB，非常適合語(yǔ)音放大。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)各級(jí)電路，并進(jìn)行仿真、調(diào)試、分析。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、畫(huà)出電路原理圖，說(shuō)明選擇此方案的原因及電路原理。2、分析仿真測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)（仿真）1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)，其基本要求是：1)測(cè)量頻率范圍09999Hz；2)最大讀數(shù)9999HZ,閘門(mén)信號(hào)的采樣時(shí)間為1s；.3)被測(cè)信號(hào)可以是正弦波、三角波和方波；4)顯示方式為4位十進(jìn)制數(shù)顯示；5)使用EWB進(jìn)行仿真；6)輸入信號(hào)最大幅值可擴(kuò)展。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1）了解數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻與測(cè)周的基本原理；(

24、2) 熟悉掌握數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法及減小測(cè)量誤差的方法。3、實(shí)驗(yàn)原理數(shù)字頻率計(jì)是直接用十進(jìn)制的數(shù)字來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它不僅可以測(cè)量正弦波、方波、三角波和尖脈沖信號(hào)的頻率 ，而且還可以測(cè)量它們的周期。所謂頻率就是在單位時(shí)間（1s）內(nèi)周期信號(hào)的變化次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f=N/T，據(jù)此，設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示：圖1 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖（1）整體電路設(shè)計(jì)如圖2（a），2（b）為數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程圖 圖2（a） 數(shù)字頻率計(jì)的組成框圖 圖2（b） 數(shù)字頻率計(jì)的工作時(shí)序波形數(shù)字頻率計(jì)的工作過(guò)程是：被測(cè)信號(hào)f經(jīng)脈沖電路整形，變成如所示的脈

25、沖波形，其周期T與被測(cè)信號(hào)的周期相同。實(shí)際電路輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，設(shè)其高電平持續(xù)時(shí)間為1s，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間就是1s，計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N（如圖所示）就是被測(cè)信號(hào)的頻率。邏輯控制單元的作用有兩個(gè)：其一，產(chǎn)生清零脈沖，使計(jì)數(shù)器每次從零開(kāi)始計(jì)數(shù)；其二，產(chǎn)生所存信號(hào)，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定不變。這些信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系如圖2（b）所示數(shù)字頻率計(jì)由時(shí)基電路、控制電路、閘門(mén)電路、計(jì)數(shù)鎖存和清零電路、脈沖形成電路和譯碼顯示電路組成（2）單元電路設(shè)計(jì)1）邏輯控制電路根據(jù)圖2(b)所示時(shí)序波形，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的下降沿用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào) ，同時(shí)鎖存信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器有用來(lái)產(chǎn)生清零信號(hào)，鎖存信號(hào)的脈沖寬度由本身電

26、路的時(shí)間常數(shù)決定。因此這兩個(gè)脈沖信號(hào)和可疑由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生，其電路如圖3所示設(shè)鎖存信號(hào)的脈沖寬度t=1.1RC若取R=1000 K、C=0.01 Uf,則，t=1.1RC=0.011s。圖3 控制電路2）鎖存器和清零鎖存器的作用是將計(jì)數(shù)器在1s結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，使顯示器獲得穩(wěn)定的測(cè)量值。因?yàn)橛?jì)數(shù)器在1s內(nèi)要計(jì)算成千上萬(wàn)個(gè)輸入脈沖，若不加鎖存器，顯示器上的數(shù)字將隨計(jì)數(shù)器的輸出而變化，不便于讀數(shù)。如圖2所示，1s的計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)。邏輯控制電路發(fā)出的鎖存信號(hào)，將計(jì)數(shù)器此時(shí)的值送到譯碼器，因此顯示器的數(shù)字是穩(wěn)定的。選用了兩片8D鎖存器74LS273可以完成上述鎖存功能。74LS273的真值表如表1

27、所示。表1 74LS273真值表當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP的上升沿到來(lái)時(shí)，鎖存器的輸出等于輸入，即Q=D。從而將4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器即個(gè)位、十位、百位、千位的輸出值送到鎖存器的輸出端。正脈沖結(jié)束后，無(wú)論輸入端D為何值，輸出端Q的狀態(tài)仍然保持原來(lái)的狀態(tài)。所以在計(jì)數(shù)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器的輸出不會(huì)送到譯碼顯示器。清零信號(hào)是在計(jì)數(shù)器的計(jì)算值送鎖存后，為了下次計(jì)數(shù)而把計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，所以在鎖存信號(hào)發(fā)出后，利用反相器的功能得到一個(gè)對(duì)計(jì)數(shù)器清零的延時(shí)信號(hào)。有計(jì)數(shù)器74LS90的R9（0）端接低電平，而把R0(1)作為清零輸入，該清零信號(hào)是高電平有效，而鎖存信號(hào)也是高電平有效，而且計(jì)數(shù)器清零必須在單穩(wěn)觸發(fā)信號(hào)之后，故在延遲反相器的

28、基礎(chǔ)上再加個(gè)反相器得到計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。3）脈沖形成電路脈沖形成電路的作用是將待測(cè)信號(hào)（如正弦波、三角波或者其他呈周期性變化的波形）整形為計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，其周期不變。將其他波形變換成脈沖波的電路有多種，如施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器等，其中施密特觸發(fā)器的應(yīng)用較多。電路形式采用555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，電路原理如圖4（a） 所示。 圖中R1與R2的作用是將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)，因?yàn)?55構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上觸發(fā)電平UT+ =2/3Ucc，下觸發(fā)電平UT-=1/3Ucc，如圖4（b）所示。4(a) 原理圖 圖4（b） 波形圖輸入信號(hào)的直流電平Uxo應(yīng)該滿足下列關(guān)系1/3Ucc<

29、;Uxo<2/3Ucc。輸入信號(hào)的幅度Uxm與直流電平Uxo和回差UT有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，UT越小，對(duì)輸入信號(hào)的幅值Uxm要求越小，如果需要減小回差，可以在555的控制端CO接入一個(gè)正電壓。如果取+Ucc=+5V,回差UT=1.67V。對(duì)于圖4（b）所示的波形圖，若取Uxo=1/3Ucc+1/2UT=2.5V,則輸入信號(hào)幅度為 Uxm>1/2UT=0.83V.為使Uxo=2.5V，對(duì)于圖4（a）所示電路，則取R1=R2=10K。4）時(shí)基電路和閘門(mén)電路如圖2（a）所示，閘門(mén)電路是控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，決定了被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，其精度很大程度上決定了

30、頻率計(jì)的頻率測(cè)測(cè)量精度。當(dāng)要求頻率測(cè)量精度高時(shí)，應(yīng)使用晶體振蕩器通過(guò)分頻獲得。在此頻率計(jì)中，時(shí)基信號(hào)采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（1s高電平）來(lái)到時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)信號(hào)的脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖結(jié)束時(shí)（為低電平），閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器無(wú)時(shí)鐘脈沖輸入。例如，時(shí)基信號(hào)的作用時(shí)間為1s，閘門(mén)電路將打開(kāi)1s，若在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)閘門(mén)電路的脈沖數(shù)目為1000個(gè)，則被測(cè)信號(hào)的頻率就是1000Hz。由此可見(jiàn)閘門(mén)電路的邏輯功能可以有一個(gè)與非門(mén)來(lái)完成，如圖5所示圖5 標(biāo)準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生的閘門(mén)電路設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基為1s的脈沖是由555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器電路產(chǎn)生的，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧

31、振蕩氣的周期計(jì)算公式：t=t1+t2=0.693（R1+2R2）C；占空比為：D= t2/ t1+t2= R2/ R1+2R2<50%，t1為正方波的寬度，t2為負(fù)方波的寬度；若取振蕩器的頻率f0=1/ t1+t2=0.8HZ,則振蕩器的輸出波形如圖6所示，其中t1=1s，t2=0.25s。圖6 閘門(mén)電路各波形特點(diǎn)利用式t10.693（R1+R2）C；t20.693R2C。若取C=10Uf，則R2=36.07K,取標(biāo)稱值為36K；R1=108.22K,取R1=108K。門(mén)電路的輸入輸出個(gè)點(diǎn)波形如圖6所示。5）被測(cè)信號(hào)幅度擴(kuò)展電路采用圖7所示電路，可以擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)幅度范圍。輸入信號(hào)Ux先經(jīng)

32、過(guò)限幅器，在經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度較小時(shí)，限幅器的二極管均截止，不起限幅作用。圖7 幅度范圍擴(kuò)大電路（3）整體電路圖圖8 整體電路圖經(jīng)過(guò)以上各單元電路的設(shè)計(jì)，可以得到數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器的整體電路；如圖8所示。電路的工作過(guò)程是：接通電源后，出發(fā)手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)S，計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖到來(lái)時(shí)，與非門(mén)構(gòu)成的閘門(mén)電路開(kāi)通，4片74LS90組成的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)N=9999HZ。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間秒脈沖結(jié)束時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)跳變觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使之產(chǎn)生正脈沖，它的正跳變作為鎖存器74LS273的鎖存時(shí)鐘脈沖，是鎖存器的輸出等于此時(shí)計(jì)數(shù)器的值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖經(jīng)過(guò)兩個(gè)與非門(mén)延時(shí)，用來(lái)對(duì)計(jì)數(shù)器

33、清零，從而完成一次測(cè)量。下一個(gè)秒脈沖來(lái)到時(shí)又按照計(jì)數(shù)鎖存復(fù)位的過(guò)程完成第二次測(cè)量，如此的周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)測(cè)量。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)各單元電路，并進(jìn)行仿真、調(diào)試、分析。2、整體聯(lián)調(diào)將各單元電路連接起來(lái)仿真調(diào)試。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、畫(huà)出總電路原理圖，說(shuō)明選擇此方案的原因及電路原理。2、分析測(cè)試結(jié)果。3、寫(xiě)出調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決辦法。實(shí)驗(yàn)四 救護(hù)車(chē)振鈴電路設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制作一救護(hù)車(chē)振鈴電路。要求：（1）采用兩個(gè)555時(shí)基電路組成兩個(gè)多謝振蕩器；（2）第一個(gè)時(shí)基電路產(chǎn)生低頻振蕩，振蕩頻率為700Hz，第二個(gè)時(shí)基電路產(chǎn)生振蕩頻率約為1400Hz，使揚(yáng)聲器發(fā)出嗚嗚的聲音；（3）

34、畫(huà)出仿真波形；（4）寫(xiě)出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉555定時(shí)器引腳排列；（2）掌握555定時(shí)器的邏輯功能與使用方法；（3）了解音響電路的組成與工作原理，并熟悉其設(shè)計(jì)及制作。3、實(shí)驗(yàn)原理（1）設(shè)計(jì)方案該電路主要通過(guò)兩片555定時(shí)器模擬救護(hù)車(chē)揚(yáng)聲器發(fā)聲電路，輸出周期性變化的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出高音低音周期交替的警報(bào)聲。其電原理圖如圖1所示。圖1 救護(hù)車(chē)振鈴電路圖將兩片555定時(shí)器分別連接成多諧振蕩器，其中555（1）的作用是控制高頻聲音和低頻聲音的持續(xù)時(shí)間，其輸出Vo1是555（2）的控制電壓；555（2）的作用是控制高低音的頻率，作為壓控振蕩器將555（1）輸出的高低電平

35、轉(zhuǎn)化為頻率，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出響聲。555（1）主要通過(guò)輸出占空比一定的方波信號(hào)控制555（2）的控制端電壓，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，555（2）控制電壓端為高電平，由振蕩頻率f的計(jì)算公式可知此時(shí)振蕩頻率較低，為低音；相對(duì)應(yīng)，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，555（2）控制電壓端為低電平，此時(shí)振蕩頻率較高，為高音。而高低音的持續(xù)時(shí)間則由555（1）決定。（2）技術(shù)原理1）555定時(shí)器器件特性555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來(lái)方便。 集成時(shí)基電路555的電源電壓范圍較寬，可在516V范圍內(nèi)使用（TTL型，若為CMOS型的555芯片，則電壓范圍可在218V 內(nèi)），電路的

36、輸出有緩沖器，因而有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。雙極型時(shí)基集成電路最大的灌電流和拉電流都在200mA左右，因而可直接推動(dòng)TTL或CMOS電路中的各種電路，包括能直接推動(dòng)蜂嗚器、小型繼電器、喇叭和小型電動(dòng)機(jī)等器件。集成555定時(shí)器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。其主要參數(shù)見(jiàn)表1.表1(a)雙極性型5G555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)單位參數(shù)電源電壓VCCV516電源電流ICCmA閾值電壓VTHVVCC觸發(fā)電壓VTRVVCC輸出低電平VOLV1輸出高電平VOHV13.3最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKHz300時(shí)間誤差tnS5 VTH即Vi1 ,V

37、TR即Vi2 。 (b) CMOS型7555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)單位參數(shù)電源電壓VCCV318電源電流ICCA60閾值電壓VTHVVDD觸發(fā)電壓VTRVVDD輸出低電平VV0.1輸出高電平VV14.8最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKHz500時(shí)間誤差tnS基于以上對(duì)555定時(shí)器參數(shù)及性能的分析，認(rèn)為以555定時(shí)器搭建的電路能夠驅(qū)動(dòng)小功率揚(yáng)聲器發(fā)音，選擇適當(dāng)?shù)耐獠侩娮桦娙莸绕骷c555定時(shí)器配合使用能夠使此設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。圖3 555定時(shí)器邏輯符號(hào)和引腳2）555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖2 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號(hào)和管腳排列

38、分別如圖2和圖3所示。Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為T(mén)H。Vi2（）：低電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為。VCO：控制電壓端。VO：輸出端。Dis：放電端。：復(fù)位端。555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門(mén)G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。不加控制電壓時(shí)，要在VCO和地之間接001F（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開(kāi)路輸出。工作原理：分析圖2的電路：在555定時(shí)器的VCC端和地之間加上電壓，當(dāng)VCO懸空時(shí)