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整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图2.1的电路可知：

　　当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；

　　当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。

在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。

单相桥式整流电路的电流与电压波形见图2.2。

2.1.2参数计算

　根据图2.2可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。

其输出平均电压为

（2-1）

图2.2单相桥式整流电路的电流与电压波形

流过负载的平均电流为

　（2-2）

流过二极管的平均电流为

　（2-3）

二极管所承受的最大反向电压　

　　　（2-4）

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。

脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。

（2-5）

（2-6）

2.2滤波电路

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

2.2.1电容滤波电路

图2.3为单相桥式整流、电容滤波电路。

在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压vc对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。

图2.3滤波电路的基本形式

（a）C型滤波电路（b）倒L型滤波电路（c）П型滤波电路

图2.4桥式整流、电容滤波电路

2.2.2电容滤波电路的特点：

1.二极管的导通角θ<

Л,流过二极管的瞬时电流很大。

2.负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速率越慢（放电时间常数为Td=RLC），负载平均电压越高。

为得到平滑的负载电压，一般取Td=RLC≥（3～5）T/2。

（T为电源交流电压的周期）

3.负载直流电压随负载电流增加而减小。

VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如下图。

电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系为VL=（1.1～1.2）V2。

图2.5纯电阻RL和具有电容滤波的桥式整流电路的输出特性

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.3串联反馈式稳压电路

2.3.1质量指标

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、输出电阻、温度系数及纹波电压等。

2.3.2工作原理

图2.6是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。

图2.6串联反馈式稳压电路一般结构图

这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJTT与负载串联，故称为串联式稳压电路。

输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。

稳压原理可简述如下：

当输入电压VI增加（或负载电流IO减小）时，导致输出电压VO增加，随之反馈电压VF=R2VO/（R1+R2）=FVVO也增加（FV为反馈系数）。

VF与基准电压VREF相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使VB和IC减小，调整管T的c-e极间电压VCE增大，使VO下降，从而维持VO基本恒定。

同理，当输入电压VI减小（或负载电流IO增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。

从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。

调整管T连接成电压跟随器。

因而可得

（2-7）

或

（2-8）

式中AV是比较放大电路的电压增益，是考虑了所带负载的影响，与开环增益AVO不同。

在深度负反馈条件下，

时，可得

（2-9）

上式表明，输出电压VO与基准电压VREF近似成正比，与反馈系数FV成反比。

当VREF及FV已定时，VO也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。

值得注意的是，调整管T的调整作用是依靠VF和VREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。

如果VO绝对不变，调整管的VCE也绝对不变，那么电路也就不能起调整作用了。

所以VO不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。

因此，图2.6所示的系统是一个闭环有差调整系统。

由以上分析可知，当反馈越深时，调整作用越强，输出电压VO也越稳定，电路的稳压系数g和输出电阻Ro也越小。

目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。

由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器。

这类集成稳压器的外形图如图2.7所示。

图2.7三端式稳压器

78×

×

系列输出为正电压，输出电流可达1A，如78L×

系列和78M×

系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。

它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档。

和78×

系列对应的有79×

系列，它输出为负电压，如79M12表示输出电压为–12V和输出电流为0.5A。

2.4555电路工作原理

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

图2.8555管脚图

正因为如此，自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继地生产了各自的555定时器产品。

尽管产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后4位数码都是7555。

而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。

为了提高集成度，随后又生产了双定时器产品556（双极型）和7556（CMOS型）。

2.4.1555定时器的电路结构与功能

如图2.9是国产双极型定时器CB555的电路结构图。

它由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。

VI1是比较器C1的输入端（也称阈值端，用TH标注），VI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用TR’标注）。

C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由Vcc经三个5欧姆电阻分压给出。

在控制电压输入端Vco悬空时，VR1=2Vcc/3,VR2=Vcc/3。

如果Vco外接固定电压，则VR1=Vco，VR2=Vco/2。

RD’是置零输入端。

只要在RD’端加上低电平，输出端vo便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。

正常工作时必须使RD处于高电平。

图中的数码1~8为器件引脚的编号。

图2.9CB555的电路结构图

由图2.9可知，当vI2>

VR1、vI2>

VR2时，比较器C1的输出vc1=0、比较器C2的输出vc2=1，SR锁存器被置0，TD导通，同时vo为低电平。

当vI1<

VR1、vI2>

VR2时，vc1=1、vc2=1,锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。

VR1、vI2<

VR2时，vc1=1、vc2=0,故锁存器被置1，vo为高电平，同时TD截止。

当vI1>

VR2时，vc1=0、vc2=0,锁存器处于Q=Q’=1的状态，vo处于高电平，同时Td截止。

分析以上内部结构图，可知CB555定时器具有如下功能：

输入

输出

状态

1

>

2Vcc/3

<

Vcc/3

低

不变

高

导通

截止

表2-1CB555的功能表

为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器G4。

如果将vod端经过电阻接到电源上，那么只要这个电阻的阻值足够大，vo为高电平时vod也一定为高电平，vo为低电平时vod也一定为低电平。

555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。

双极型555定时器的电源电压范围为5~16V，最大的负载电流达200mA。

CMOS型7555定时器的电源电压范围为3~18V，但最大负载电流在4mA以下。

可以设想，如果使vc1和vc2的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出和输入之间的关系将为施密特触发特性；

如果在v12加入一个低电平触发信号以后，经过一定的时间能在vc1输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；

如果能使vc1和vc2的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。

2.4.2用555定时器接成的多谐振荡器

多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号（即没有输入信号），便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。

如下图，先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC定时器的vI1和vI2连在一起接成施密特触发器，然后再将vo经RC积分电路积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器，因此，只要将555接回输入端就可以了。

且其电容C的电压Vc将在VT+和VT-之间反复振荡。

图2.10用555接成的多谐振荡器电路

图2.11多谐振荡器的工作波形

电容电压VC与输出电压VO的波形如下图所示。

充电时间：

（2-10）

放电时间：

（2-11）

振荡周期：

T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2，振荡频率：

f=1/T（2-12）

占空系数：

（2-13）

通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。

用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率约500kHz，用CB7555组成的多谐振荡器最高振荡频率也只有1MHz。

因此用555定时器接成的振荡器在频率范围方面有较大的局限性，高频的多谐振荡器仍然需要使用高速门电路接成。

由上面的式子求出输出脉冲的占空比为q=T1/T2=（R1+R2）/（R1+2R2）

上式说明，图四电路输出脉冲的占空比始终大于50%。

为了得到小于或等于50%的占空比，可以采用它的改进电路。

实验数据及分析结论:

多谐振荡器实验电路如下图所示。

图2.12多谐振荡器实验电路

图2.13多谐振荡器实验电路波形

仿真结果分析及其结论:

图所示电路构成的多谐振荡器的占空比始终大于50%，且在电容C充电时间里输出高电平；

放电时间输出低电平。

输出矩形波的频率取决于外接电阻、电容的值。

2.5CD4017原理

图2.14CD4017管脚介绍

在这里先介绍一下CD4017十进制计数译码集成块。

ICCD4017是单端输入十进制计数、分配输出电路。

CD4017为进口的双列直插16脚CMOS集成块，与国产的CC4017完全相同。

其引出端功能及外型如图2.30所示。

该集成块有3个输入端R（即MR）、CP（即CP0）、EN（即CP1）。

其中R为复位端。

当R加上高电平或正脉冲时，计数器中各技术单元全部复位至“0”状态。

在译码器中只有对应“0”状态的输出端Y0为高电平。

CP和EN是两个不同边沿计数的时钟输入端。

用脉冲的上升沿计数时，信号由CP端输入（EN端必须接低电平）;

用脉冲的下降沿计数时，信号由EN端输入（CP端必须接高电平），设置两个时钟输入端是为级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。

CD4017有10个译码输出端（Y0~Y9，即00~09）,计数状态由CD4017的十个译码输出端Y0～Y9显示，每个输出端的状态与输入计数器的脉冲个数相对应。

例如，输入5个脉冲时，如果计数器从0起步计数，则此时输出端中只有Y5为高电平，其余输出端均为低电平。

为了级联，电路里还设有一个进位输出端CO（即O5-9’），每输入10个计数脉冲，O5-9’就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。

十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。

2.6发光二极管

2.6.1发光二极管基础，特性及参数

1．基础知识

图2.15（a）示出了用于表示LED的标准符号。

当LED通以正向电流时，其两端就产生一个有效的正向电压（约2V），并且发出宽带极窄的可见光（通常是红、桔、黄、绿）或红外光。

图2.15（b）所示为不同颜色的标准LED在通以20mA的正向电流时其典型的正向电压值。

如果一只LED加上反向偏置，则它在一个相当低的电压值上将发生雪崩或齐纳击穿，如图2.15（c）所示。

多数的LED所具有的最大反向电压额定值范围为3V—5V。

（a）（b）（c）

图2.15（a）LED的符号（b）各种颜色的标准LED的电压值（c）反向偏置LED

图2.16对给定的Vf和If求R值的方法

在使用中，LED必须与一个限流元件（如电阻）相串联。

图2.16示出了如何根据已知的电源电压和给定的电流值去计算出所需的电阻值。

在实际使用中，R既可以连接在LED的阳极上也可以连接在阴极上。

LED的亮度与其通过的电流成正比。

多数LED的最大安全工作电流值为30mA—40mA。

LED也可以在交流电路中作指示器用，但要把它与一只普通的二极管反向并联，如图2.17所示的那样，这样就可以防止LED被反偏。

在交流电路中，对于某特定的LED的亮度，R的数值为同等条件下直流电路中所需R的数值的一半。

图2.17在交流电路中用一只LED作指示器

2.特性及参数

（1）伏安特性。

发光二极管的伏安特性与普通二极管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差异。

当所施正向电压未达开启电压时，电流就急剧上升，电流电压几乎呈线性关系，即发光二极管呈现欧姆导通特性，如图2.18所示。

发光二极管的开启点电压通常称作正向电压，它决定于制作器件材料的禁带宽度，例如GaAsP红色LED约为1.7V，而绿色GaAsP的LED约为2.2V。

LED的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件长时间稳定而又可靠地工作，安全使用电压选择在5V以下。

图2.18发光二极管的伏安特性

（2）光谱特性。

发光二极管的光谱特性可用图2.19来描述。

发光光谱有两个特点，一是峰值波长λp直接决定着发光二极管的发光颜色；

二是半宽度∆λ（即在光谱特性曲线上相对发光强度为50%处的两点所对应的谱线宽度称为半宽度）决定了光辐射的纯度，半宽度越窄，发光越纯，即单色性越好。

图2.19发光二极管的光谱特性

（3）发光特性。

发光特性是指发光二极管的发光强度Iv或辐射强度Ie随正向电流的变化规律。

不难看出，发光特性有线性与非线性两种，用户必须根据实际使用场合进行合理的选择。

发光二极管的发光强度随观察角度的不同而不同，其中轴向发光强度最强，逐渐偏离轴线方向，发光强度也相应减弱，这种发光强度随观察角不同而变化的曲线称发光强度的角分布曲线。

（4）温度特性。

发光二极管的光谱特性、发光特性、正向电压以及工作电流均与温度有关。

温度升高将使发光（或辐射）光谱的峰值波长增加。

发红光的GaAs和GaAsP的峰值波长随温度的变化率约为0.3nm/K，而发绿光的GaP发光二极管的峰值波长随温度的变化率只有1.5nm/K。

GaAsP的发光强度Iv随温度的变化率（即温度系数）约-0.8%/K；

GaP为-0.55%/K；

GaAs的Ie的温度系数约-0.55%/K。

为了获得较强而又稳定的发光强度，最好能降低或维持PN结的工作温度。

（5）发光二极管的响应时间与寿命。

响应时间的定义与光电器件相似，就上面介绍的GaAs，GaAsP以及GaP发光二极管而言，他们的响应时间（上升和下降时间）分别为1us、5ns以及50ns。

发光二极管的寿命是指发光亮度变为初始值的1/2所经历的时间。

在通常情况下，寿命将随工作电流的增大、温度的升高而急剧下降。

2.6.2发光二极管驱动电路

发光二极管的供电电源可以是直流也可以是交流，它是一种电流控制器件。

因此，对发光二极管来说，不管供电电源的电压如何，只要流过发光管的正向工作电流在所规定的范围之内，器件就可以正常发光。

发光二极管的驱动方法有直流驱动和交流驱动。

1.直流驱动电路

图2.20利用三极管的直流驱动电路

直流驱动是利用三极管来驱动，电路如图2.20所示。

在图2.20（a）中，当输入信号为逻辑高电平时，晶体管VT导通，发光二极管点燃，If被电源电压及电阻所限定，且R满足下式：

R=（Vcc-Vf-Vces）/If（2-14）

式中Vf为额定工作电流下LED的正向压降；

Vces为晶体管VT的饱和压降，由手册给出；

If为LED的正向工作电流。

图2.20（b）情况与图2.20（a）相反，VT原来处于导通状态，LED被VT所短路，即Vf=Vces，一般情况下，Vces很小，无法点燃LED。

但是，当晶体管基极输入逻辑低电平时，VT截止，电源Vcc经R供给LED电流，此时，R只可由式R=（Vcc-Vf）/If来选取。

2.集成电路驱动

在计算器或计算机的应用领域中，LED一般用集成电路来驱动，如图2.21和图2.22所示。

图2.21是TTL驱动电路，TTL运放具有足够的驱动能力。

（a）（b）

图2.21TTL驱动电路

图2.22采用CMOS运放的驱动电路

在图2.14中，R表示为

R=（Vcc-Vf-0.4）/If（2-15）

式中，0.4V是TTL运放在低电平时的压降。

图2.22是采用CMOS运放的驱动电路，由于CMOS运放的输出电流一般较小，因此，必须有数块CMOS运放并联才能驱动LED，如图2.22（a）和（b）所示。

有时，也可在CMOS运放后加一只三极管来扩展驱动电流，如图2.22中（c）所示。

图2.22（d）电路中，一但驱动，CMOS运放的输出电压即被LED钳位在Vf左右。

3.交流驱动电路

使用交流驱动的原因是使发光二极管输出较大的光功率。

其驱动电路形式如图2.23所示。

把两只LED反向并联，使电源的正负半周均由一只发光二极管显示。

像图2.23这种电路，在未知电压极性或电源极性是否接反的情况下仍可正常工作。

与直流驱动一样，交流驱动时，限流电阻R的取值为

R=（ERMS-VF）/2IF（2-16）

式中ERMS为交流电压的有效值。

图2.23LED交流驱动电路

4．多只LED的驱动

如果需要用一个电源同时驱动几只LED，则可以按图2.24所示的那样将所有的LED串联起来。

注意，这里所用的电源电压必须大于所有LED的正向电压降之和。

这种电路所吸入的总电流是最小的，但它能驱动的LED的数目却受到了限制。

然而将很多这样的电路相并联，就能够用单一的电源去驱动几乎是任何数目的LED，如图2.25所示。

图2.24串联起来的LED，通过一只限流电阻来驱动

图2.25能够驱动任何数目LED的电路

图2.26采用并联方法驱动很多LED的电路

同时驱动几只LED的另一种方法是如图2.26所示的那样。

然而要注意的是，这种电路耗电量很大（其总电流等于各LED所用电流值和）。

3.电路仿真和参数测量

3.1EWB的介绍和使用

3.1.1EWB的介绍

EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为ElectronicsWorkbench。

EWB是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。

EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。

SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。

EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：

（1）采用直观的图形界面创建电路：

在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；

（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。

（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。

（4）作为设计工具，可以同其