P5立体声调音控制器的设计与制作汇总.docx

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P5立体声调音控制器的设计与制作汇总

P5立体声调音控制器的设计与调试

P5M1集成运放基本应用电路的测试

学习目标：

能正确测试集成运算放大器的各种应用电路的基本特性。

理解集成运算放大器的各种应用电路的功能、电路构成、工作原理和电路中各元器件的作用。

能对集成运算放大器的基本应用电路进行分析和计算。

能对电路中的故障现象进行分析判断并加以解决。

能设计和制作立体声调音控制器，并能通过调试得到正确结果。

工作任务：

集成运算放大器基本应用电路特性的测试与结果的描述。

立体声调音控制器的设计、制作和调试。

撰写设计文档与测试报告。

一、集成运放的线性应用电路之一----比例运算电路

1.理想集成运放的性能指标

理想集成运放的主要性能指标有：

（1）开环电压放大倍数Aud→∞;

（2）输入电阻rid→∞;

（3）输出电阻rod→0。

此外还有:

没有失调,没有失调温漂,共模抑制比趋于无穷大等。

尽管理想运放并不存在,但由于集成运放的技术指标都比较接近理想值,在具体分析时将其理想化是允许的,这种分析所带来的误差一般比较小,可以忽略不计。

2．集成运放的传输特性

实际电路中集成运放的传输特性如图5.1所示。

3．集成运放的线性应用

集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。

当集成运放工作在线性区时,输出电压在有限值之间变化,而集成运放的

Aud→∞,则uid=uod/Aud≈0,由uid=u＋－u－,　得

（5.１）

上式说明,同相端和反相端电压几乎相等,所以称为

虚假短路,简称“虚短”。

由集成运放的输入电阻rid→∞,得

（5.２）

上式说明,流入集成运放同相端和反相端的电流几乎为零,所以称为虚假断路,简称“虚断”。

（1）反相输入比例运算电路

如图5.2（a）所示为反相输入比例运算电路。

图5.2反相输入比例运算电路

又因为

所以

即

或

输出电压与输入电压成比例关系,且相位相反。

此外,由于反相端和同相端的对地电压都接近于零,所以集成运放输入端的共模输入电压极小,这就是反相输入电路的特点。

当R1=Rf=R时,,输入电压与输出电压大小相等,相位相反,称为反相器。

由于反相输入比例运算电路引入的是深度电压并联负反馈,所以，输入电阻为

输出电阻为

（2）同相输入比例运算电路

在图5.3（a）中,输入信号ui经过外接电阻R2接到集成运放的同相端,反馈电阻接到其反相端,构成电压串联负反馈。

所以

或

图5.3同相输入比例运算电路

当Rf=0或R1→∞时,如图5.4所示,,即输出电压与输入电压大小相等,相位相同,该电路称为电压跟随器。

 由于同相输入比例运算电路引入的是深度电压串联负反馈,所以，输入电阻为rif=（1+AF）rid→∞

输出电阻为

二、集成运放的线性应用电路之二----加法电路

如下图所示。

根据“虚断”的概念可得:

其中

再根据“虚地”的概念可得

则

实现了各信号按比例进行加法运算。

如取R1=R2=…=Rn=Rf则uo=—（ui1+ui2+…+uin）,实现了

各输入信号的反相相加。

三、集成运放的线性应用电路之三----减法电路

1.能实现减法运算的电路如图5.6（a）所示。

图5.6减法电路

根据叠加定理,首先令ui1=0,当ui2单独作用时,电路

成为反相比例运算电路,如图5.６（b）所示,其输出电压为

再令ui2=0,ui1单独作用时,电路成为同相比例运算电

路,如图5.６（c）所示,同相端电压为

其输出电压为

这样

当R1=R2=R3=Rf=R时,uo=ui1－ui2。

在理想情况下,它的输出电压等于两个输入信号电压之差,具有很好的抑制共模信号的能力。

但是,该电路作为差动放大器有输入电阻低和增益调节困难两大缺点。

因此,为了满足输入阻抗和增益可调的要求,在工程上常采用多级运放组成的差动放大器来完成对差模信号的放大。

四、集成运放的线性应用电路之四----积分电路

图5.8（a）所示为积分（运算）电路

图5.8积分运算电路

上式表明,输出电压为输入电压对时间的积分,且相位相反。

积分电路的波形变换作用如图5.8（b）所示,可将矩形波变成三角波输出。

积分电路在自动控制系统中用以延缓过渡过程的冲击,使被控制的电动机外加电压缓慢上升,避免其机械转矩猛增,造成传动机械的损坏。

积分电路还常用来做显示器的扫描电路,以及模/数转换器、数学模拟运算等。

五、集成运放的线性应用电路之五----微分电路

将积分电路中的Ｒ和Ｃ互换,就可得到微分（运算）电路,如图5.9（a）所示。

在这个电路中,Ａ点同样为“虚地”,即uA≈0,再根据“虚断”的概念,i－≈0,则iR≈iC。

假设电容Ｃ的初始电压为零,那么

则输出电压

上式表明,输出电压为输入电压对时间的微分,且相位相反。

图5.9微分运算电路

微分电路的波形变换作用如图6.9（b）所示,可将矩形波变成尖脉冲输出。

微分电路在自动控制系统中可用作加速环节,例如电动机出现短路故障时,起加速保护作用,迅速降低其供电电压。

六、集成运放的线性应用电路之六----有源滤波电路

 1.滤波电路的分类及幅频特性

所谓滤波,就是保留信号中所需频段的成分,抑制其它频段信号的过程。

根据输出信号中所保留的频率段的不同,可将滤波分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等四类。

它们的幅频特性如图5.14所示,被保留的频率段称为“通带”,被抑制的频率段称为“阻带”。

Au为各频率的增益,Aum为通带的最大增益。

图6.14滤波电路的幅频特性

（a）低通滤波；（b）高通滤波；（c）带通滤波；（d）带阻滤波

滤波电路的理想特性是:

（1）通带范围内信号无衰减地通过，阻带范围内无信号输出;

（2）通带与阻带之间的过渡带为零。

２.无源滤波电路

图6.15所示的R、C网络为无源滤波电路。

（1）由于R及C上有信号压降,使输出信号幅值下降;

（2）带负载能力差,当RL变化时,输出信号的幅值将随之改变,滤波特性也随之变化;

（3）过渡带较宽,幅频特性不理想。

图6.15无源滤波电路

３.有源滤波电路

为了克服无源滤波电路的缺点,可将RC无源滤波电路接到集成运放的同相输入端。

因为集成运放为有源元件,故称这种电路为有源滤波电路。

1）有源低通滤波电路

图6.16（a）为一阶有源低通滤波电路

图6.16有源低通滤波电路

（a）一阶；（b）二阶

R和C为无源低通滤波器,运算放大器接成同相比例

放大组态,对输入信号中各频率分量均有如下的关系:

由上式可看出,输入信号频率越高,相应的输出信号越小,而低频信号则可得到有效的放大,故称为低通滤波器。

令

则

当ω＝ω0时,|Ａu|=0.707（1+Rf/R1）,其中（1+Rf/R1）

是此电路的最大增益Ａum。

2）有源高通滤波电路

图6.16（a）中R和C的位置调换,就成为有源高通滤波电路,如图6.18所示。

在图中,滤波电容接在集成运放输入端,它将阻隔、衰减低频信号,而让高频信号顺利通过。

同低通滤波电路的分析类似,我们可以得出有源高通滤波电路的下限截止频率为f0=1/（2πRC）,对于低于截止频率的低频信号,|Ａu|<0.707|Ａum|。

图6.18有源高通滤波电路

6.4电压比较器

电压比较器的基本功能是比较两个或多个模拟量的大小,并由输出端的高、低电平来表示比较结果。

电压比较器是集成运放非线性应用的典型电路,它可分为单门限电压比较器和滞回电压比较器两类。

6.4.1单门限电压比较器

单门限电压比较器的基本电路如图6.21（a）所示

图6.21单门限电压比较电路

若希望当ui>uREF时,uo=＋Uom,只需将ui与ＵREF调换即可,如图6.21（c）所示,其传输特性如图6.21（d）所示。

图6.22过零电压比较器的波形转换作用

6.4.2迟滞电压比较器

 以上介绍的比较器其状态翻转的门限电压是在某一个固定值上。

在实际应用时,如果实际测得的信号存在外界干扰,即在正弦波上叠加了高频干扰,过零电压比较器就容易出现多次误翻转,如图6.23所示。

解决办法是采用迟滞电压比较器。

迟滞电压比较器的组成如图6.24（a）所示。

图6.23外界干扰的影响

1．电路特点

当输出为正向饱和电压＋Ｕom时,将集成运放的同相端电压称为上门限电平,用UTH1表示,则有

当输出为负向饱和电压－Ｕom时,将集成运放的同

相端电压称为下门限电平,用UTH2表示,则有

通过式1和2可以看出,上门限电平UTH1的值比下门限电平UTH2的值大。

2．传输特性和回差电压ΔUTH

迟滞比较器的传输特性如图6.24（b）所示。

我们把上门限电压UTH1与下门限电压UTH2之差称为回差电压,用 

回差电压的存在,大大提高了电路的抗干扰能力。

只要干扰信号的峰值小于半个回差电压,比较器就不会因为干扰而误动作。

图6.24迟滞电压比较器

项目一:

加法电路的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,0~30V直流稳压电源1台,函数信号发生器1台,双综示波器1台,数字万用表1块.

测试电路:

如图所示加法电路,电路中R1,R2和Rf均为1kΩ,运放为MC4558。

测试程序：

1接好如图所示加法电路，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

2保持步骤①，接入us1为0.1V，5kHZ的正弦波信号，不接us2。

③保持步骤②，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输出电压幅值与输入电压幅值（基本相等/相差很大），即电压放大倍数与Rf/R1值（基本相等/相差很大），且输出电压与输入电压相位（相等/相反）

④保持步骤③，将Rf改为2kΩ，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输出电压幅值基本等于输入电压幅值的（0.5倍/1倍/2倍），即电压放大倍数与Rf/R1值（基本相等/相差很大）。

⑤保持步骤④，将Rf改为1kΩ。

⑥保持步骤⑤，接入us1和us2均为0.1V，5kHZ的正弦波信号，用示波器DC输入端观察输出电压和输入电压us2的波形，画出各波形并记录：

该电路（能/不能）实现输入电压相加【uo=-（us1+us2）】,且输出电压相对于输入电压是（正极性的/负极性的）。

⑦保持步骤⑥，改接us2为1V，500HZ的方波信号，用示波器DC输入端观察输出电压和输入电压us2的波形，并记录各波形。

项目二：

减法电路

（一）的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,函数信号发生器1台,双综示波器1台,低频毫伏表1台，0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示减法电路,电路中R1,R2和Rf均为1kΩ,运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示减法电路，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入us1和us2均为0.1V，5kHZ的正弦波信号，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输出电压幅值与输入电压幅值相比（基本为0/基本相等/要大得多），即该电路（能/不能）实现输入电压相减（uo=us1-us2）。

③保持步骤②，改接us2为1V，500HZ的方波信号，用示波器DC输入端观察输出电压和输入电压us2的波形，并记录各波形。

项目三：

减法电路

（二）的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,函数信号发生器1台,双综示波器1台,低频毫伏表1台，0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示减法电路,电路中R1,R2，R3和Rf均为1kΩ,运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示减法电路，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入us1和us2均为0.1V，5kHZ的正弦波信号，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输出电压幅值与输入电压幅值相比（基本为0/基本相等/要大得多），即该电路（能/不能）实现输入电压相减（uo=us1-us2）。

项目四：

积分电路的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,函数信号发生器1台,双综示波器1台,低频毫伏表1台，0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示积分电路,电路中R为1kΩ,C为0.1μF,运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示积分电路，并在C两端并接一个100kΩ的电阻（引入负反馈并启动电路，该电阻取值应尽可能大，但也不宜过大），并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入us为1V，1kHZ的方波（双极性）信号，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输入电压波形为（正弦波/方波/三角波），而输出电压波形为（正弦波/方波/三角波），因此该电路（能/不能）实现积分运算。

项目五：

微分电路的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,函数信号发生器1台,双综示波器1台,低频毫伏表1台，0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示微分电路,电路中R为1kΩ,C为0.1μF,运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示微分电路，并在电容C支路中串接入一个51Ω的电阻（防止产生过冲响应），并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入us为1V，1kHZ的三角波（双极性）信号，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：

输入电压波形为（正弦波/方波/三角波），而输出电压波形为（正弦波/方波/三角波），因此该电路（能/不能）实现微分运算。

项目六：

简单电压比较器的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示积分电路,电路中运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示电路，两输入端分别串接入一个1kΩ的电阻，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入uREF＝2V（用数字万用表精确测量）的直流电压。

③保持步骤②，接入ui=3V，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录：

uo=V,

（输出高电平uOH/输出低电平uOL）。

④保持步骤③，接入ui=1V，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录：

uo=V,

（输出高电平uOH/输出低电平uOL）。

⑤保持步骤④，微调ui，使ui在1V至3V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：

恰好出现高电平向低电平翻转或低电平向高电平翻转时的ui＝V（精确测量），此值与uREF值（很接近/有很大差距）。

结论：

该电路（能/不能）实现电压比较的作用。

项目七：

迟滞电压比较器的测试

任务要求:

按测试程序要求完成所有测试内容,并撰写测试报告

测试设备:

模拟电路综合测试台1台,0~30V直流稳压电源1台,数字万用表1块。

测试电路:

如图所示积分电路,电路中R1，R2为1kΩ，R3为3.3kΩ，R4为330Ω,VDZ为IN4740（UZ＝10V）,运放为MC4558。

测试程序：

①接好如图所示电路，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入ui=uREF＝0（直接接地），用万用表测量输出直流电压的大小，并记录：

uo=V,为（输出高电平uOH/输出低电平uOL）。

③保持步骤②，微调ui，使ui在±1V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：

uo（无变化/产生翻转）。

④保持步骤③，微调ui，使ui在±5V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，绘出该比较器的传输特性。

项目八：

立体声调音控制器的设计与制作

设计指标：

①电压增益Au≥26dB（f=1kHZ时）

②音频信号源幅度Ui（有效值）≤1V,频率f=0.3~15kHZ

③高音（15kHZ）与低音（0.3kHZ）相对增益最大可控变化比≥12dB

④负载（耳机）阻抗RL=30Ω

⑤输出信号失真度THD≤1.0%

⑥可实现双声道与单声道之间的转换。

任务要求:

完成原理图的设计、元器件参数的计算、元器件的选型、电路的制作与调试、电路性能的检测、设计文档的编写。

测试程序：

①接好如图所示电路，并接入＋Vcc=＋15V，-Vcc=-15V。

②保持步骤①，接入ui=uREF＝0（直接接地），用万用表测量输出直流电压的大小，并记录：

uo=V,为（输出高电平uOH/输出低电平uOL）。

③保持步骤②，微调ui，使ui在±1V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：

uo（无变化/产生翻转）。

④保持步骤③，微调ui，使ui在±5V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，绘出该比较器的传输特性。