红外报警器的制作和调试

第1页，共53页，2023年，2月20日，星期二学习重点:1、、差模与共模、共模抑制比的概念。2、集成运放的电路结构及抑制零点漂移的方法。3、集成运放的理想特点。4、识读由理想集成运放构成的常用电路，估算输出电压值。5、集成运放的符号及器件的引脚功能。。学习难点:1、识读由理想集成运放构成的常用电路，估算输出电压值。2、安装和使用集成运放组成的应用电路。3、集成运放的符号及器件的引脚功能。第2页，共53页，2023年，2月20日，星期二任务一、红外报警器制作与调试明确目标：1、掌握差模与共模、共模抑制比的概念。2、熟悉集成运放的电路结构及抑制零点漂移的方法。3、识读由理想集成运放构成的常用电路，估算输出电压值。4、掌握集成运放的符号及器件的引脚功能。5、掌握集成运放的管脚。 6、熟悉安装和使用集成运放组成的应用电路的方法。操作示范：1、差模与共模、共模抑制比的概念。2、集成运放的符号及器件的引脚功能。3、识别集成运放的管脚。4、识读由理想集成放运构成的常用电路，估算输出电压值。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期二目录（一）、集成运算放大器的测试（二）、集成运算放大器的制作（三）、集成电路的封装形式和引脚识别（四）、功红外线报警器的制作与调试第4页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试1、集成运算放大器的主要参数：（1）输入失调电压VOS（几毫伏）：使UO=0，输入端施加的补偿电压（2）输入失调电流lOS（1nA0.1A）：（3）开环差模放大倍数Au（100140dB）（4）共模抑制比CMRR（>80dB）：（5）最大共模输入电压Vctam：共模输入UIC过大，KCMR下降（6）转换速率SR第5页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试2、集成运算放大器的主要参数的测试：运算放大器应用广泛，性能优劣取决于参数，实验目的旨在了解集成运放主要参数及意义，掌握其简易测试方法，为设计、制造、运用集成运放奠定基础。第6页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（1）输入失调电压VOS：当输入信号为零时，由于运放内差分放大器的不对称性，导致输出信号不为零，这种现象称为运算放大器失调。为使输出电压为零，而在输入端加入一补偿电压，该补偿电压即叫做输入失调电VOS

，下图为测试电路图。调整电位器RM，使输出电压为零，此时输入端电压表指示设为Vi，那么失调电压可用下式表示：第7页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试

输入失调电压实际上就是在输入电压为零时的运放输出电压折合到输入端的电压值，也可采用闭环的方法进行测量，下图给出了测试原理图和计算公式：。第8页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（2）输入失调电流IOS：运放失调情况下，为使其输出为零而在输入端所加的补偿电流，称为输入失调电流。输入失调电流实际上是输入信号为零时，运放两个输入端的基极偏置电流之差，测试电路和计算公式如下：第9页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（3）开环差模放大倍数AV：开环差模放大倍数是指放大器在没有外部反馈时的差模直流电压放大倍数即放大器开环时的输出电压VO与差模输入电压Vi之比。常采用交直流闭环法。测试电路可采用下图电路。图中放大器通过Rf、R1、R2完成直流闭环，通过Rf、C、R完成交流闭环。第10页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（4）共模抑制比CMRR：

运算放大器差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比称为共模抑制比CMRR，CMRR反映了放大器对共模信号的抑制能力，测试电路如下。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（5）最大共模输入电压：最大共模输入电压ViCM是指运放输出不失真时的最大共模输入电压峰值。下图是ViCM测试电路。

第12页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（6）转换速率SR：

当给运放输入一个大的阶跃电压时，放大器输出电压的最大变化速率称为转换速率，由于转换速率与闭环电压放大倍数有关，因而一般都规定在增益为1或反相组态下进行测试，下图为测试电路。被测放大器接成电压跟随器，输入信号是前后沿陡直的大幅度方波，在示波器上观察到的输出电压的波形如下图所示。由输出波形的前后沿过渡区求得SR。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期二（一）、集成运算放大器的测试（7）注意事项：电路中的元件应尽量对称一致，以减小失调对测量结果的影响。开环增益的测试频率应足够低，取20Hz≤f≤40Hz为宜。CMRR的测试频率不宜超过5KHz，输入电压不能超过最大共模输入电压Vicm。SR的测试频率应大于10KHz，Vs的幅值应大于1V。第14页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作

1、集成运算放大器组成及其特点：集成运放具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，它的种类型号众多，但基本结构归纳起来通常由四部分组成。如下图所示。第15页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（1）输入级：是提高运算放大器质量的关键部分,采用具有恒流源的差动放大电路,也称差动输入级。（2）中间级：主要作用是提供足够大的电压放大倍数,故而也称电压放大级。（3）输出级：主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。（4）偏置电路：偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流,确定各级静态工作点。一般由各种恒流源电路组成。第16页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作2、集成运算放大器的图形符号和引脚功能集成运放的外形有双列直插式、扁平式和圆壳式3种。第17页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作集成运放其第一级都是采用差动放大电路。所以，集成运放有两个输入端。分别由两个输入端加入信号，在电路的输出端得到的信号相位是不同的，一个为反相关系，一个为同相关系，所以把这两个输入端分别称为同相输入端(用+表示)和反相输入端(用－表示)，其符号如图所示。第18页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作3、集成运算放大电器的主要参数

集成运算放大器的性能可用一些参数来表示，为了合理地选用和正确地使用运放，必须了解各主要参数的意义。

（1）开环差模电压放大倍数Aod：Aod指集成运放在无外加反馈的情况下的差模电压放大倍数，即对于集成运放而言，希望Aod大且稳定。（2）最大输出电压UOPP：UOPP是指在额定电源电压下，集成运放最大不失真输出电压的峰－峰值。（3）差模输入电阻rid：rid的大小反映了集成运放的输入端向信号源索取电流的大小。一般要求rid愈大愈好，普通型集成运放的rid为几百千欧至几兆欧。第19页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（4）输出电阻ro：ro的大小反映了集成运放在输出信号时带负载能力。ro愈小愈好，理想运放ro为零。（5）共模抑制比KCMRR：共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，KCMRR愈大愈好，理想集成运放KCMRR为无穷大。第20页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作4、集成运放工作的两个区域在分析运放时，为了使问题分析简化，通常把实际运放看成是一个理想元件。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即：①开环电压放大倍数Aod=∞；②开环输入电阻Rid=∞；③开环输出电阻Rod=0；④共模抑制比KCMRR=∞；⑤有无限宽的频带。第21页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作在各种应用电路中，集成运算放大器的工作范围可能有由两种情况：工作在线性区或非线性区，集成运放电压传输特性如图所示。第22页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（1）理想运放工作在线性区的特点集成运放工作在线性区域时，其输出电压与两个输出端的电压之间存在着线性放大关系，即：理想运放Aud=∞，而输出uo是一个有限值，所以有u+＝u-。这种现象称为“虚短”。由于理想运放Rid=∞，因此在其两个输入端均可以认为没有电流输入，即：i+=i－=0，这种现象称为“虚断”。第23页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作理想运放工作在线性区的特点：

①u+＝u－，存在“虚短”现象；

②i+=i－=0，存在“虚断”现象。

第24页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（2）理想运放工作在非线性区的特点理想运放工作在非线性区输出电压uo具有两值性：或等于运放的正向最大输出电压+UOPP，或等于运放的负向最大输出电压－UOPP

。当u+＞u-时：uo=+UOPP

；当u+＜u-时：uo=-UOPP在非线性区内，运放的差模输入电压可能很大，即u+≠u-，此时，电路的“虚短”现象将不复存在。在非线性区内，虽然集成运放两个输入端的电位不等，但因为理想运放的输入电阻rid=∞，故“虚断”现象仍存在。第25页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作理想运放工作在非线性区的特点：

①输出电压uo具有两值性，不存在“虚短”现象；

②i+=i－=0，存在“虚断”现象。第26页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作5、集成运放的静态调试通常，在使用集成运放前要粗测集成运放的好坏。可以用万用表的电阻中档(“×100Ω”或“×1kΩ”档，避免电压或电流过大)对照管脚图测试有无短路和断路现象，然后将其接入电路。对于单电源供电的集成运放，应加偏置电路，设置合适的静态输出电压。通常，在集成运放两个输入端静态电位为二分之一电源电压时，输出电压等于二分之一电源电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号，且使两个方向的最大输出电压基本相同。第27页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作6、集成运放的保护电路集成运放在使用中常因输入信号过大、电源电压极性接反或过高、输出端直接接“地”或接电源等原因而损坏。为使运放安全工作，可从三个方面进行保护。（1）输入保护：一般情况下，运放工作在开环(即未引反馈)状态时，易因差模输入电压过大而损坏：在闭环(即引入反馈)状态时，易因共模输入电压过大而损坏。第28页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作图(a)所示是防止差模电压过大的保护电路，由于二极管的作用，集成运放的最大差模输入电压幅值被限制在二极管的导通电压±UD。图(b)所示是防止共模电压过大的保护电路，通过±V和二极管的作用，集成运放的最大共模输入电压被限制在±(V+UD)。第29页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（2）输出保护

当集成运放输出端对地或对电源短路时，如果没有保护措施，集成运放内部输出级的管子将会因电流过大而损坏。

图所示为输出端保护电路，限流电阻R与稳压管DZ构成的限幅电路一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流；另一方面也限制了输出电压的幅值，稳压管为双向稳压管，故输出电压最大幅值等于稳压管的稳定电压±Uz。第30页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）、集成运算放大器的制作（3）电源端保护为了防止因电源极性接反而损坏集成运放，可利用二极管单向导电性，将其串联在电源端实现保护。第31页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别

1、集成电路的封装形式封装时主要考虑的因素：（1）芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近1：1；（2）引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能；（3）基于散热的要求，封装越薄越好。第32页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别具体的封装形式:（1）SOP/SOIC封装，即小外形封装。（2）DIP封装，即双列直插式封装。引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种，应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。（3）PLCC封装，即塑封J引线芯片封装。外形呈正方形，32脚封装，四周都有管脚，PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。

第33页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别（4）TQFP封装，即薄塑封四角扁平封装。四边扁平封装工艺能有效利用空间，适合对空间要求较高的应用。（5）PQFP封装，即塑封四角扁平封装。芯片引脚之间距离很小，管脚很细。一般用于大规模或超大规模集成电路。（6）TSOP封装，即薄型小尺寸封装。在封装芯片的周围做出引脚，TSOP适合用SMT技术（表面安装技术）在PCB（印制电路板）上安装布线。（7）BGA封装，即球栅阵列封装。第34页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别2、集成电路引脚识别

圆形结构的集成电路引脚的排列方式也是从识别标记开始，沿顺时针方向依次为1、2、3…如上图(a)所示；单列直插型集成电路的识别标记，有的用切角，有的用凹坑，引脚的排列方式也是从标记开始，从左向右依次为1、2、3……如上图(b)、(c)所示。扁平型封装的集成电路多为双列型，一般在端面一侧有一个类似引脚的小金属片，或者在封装表面上有一色标或凹口作为标记，其引脚排列方式是：从标记开始，沿逆时针方向依次为1、2、3……如上图(d)所示。双列直插式集成电路的识别标记多为半圆形凹口，有的用金属封装标记或凹坑标记，其引脚排列方式也是从标记开始，沿逆时针方向依次为1、2、3……如上图18-2(e)、(f)。

第35页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别集成电路通常有扁平、双列直插、单列直插等几种封装形式。不论是哪种集成电路的外壳上都有供识别管脚排序定位（或称第一脚）的标记。对于扁平封装者，一般在器件正面的一端标上小圆点（或小圆圈、色点）作标记。塑封双列直插式集成电路的定位标记通常是弧形凹口、圆形凹坑或小圆圈。进口ＩＣ的标记花样更多，有色线、黑点、方形色环、双色环等等。第36页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别识别数字ＩＣ管脚的方法是：将ＩＣ正面的字母、代号对着自己，使定位标记朝左下方，则处于最左下方的管脚是第１脚，再按逆时针方向依次数管脚，便是第２脚、第３脚等等。下图（ａ）、（ｂ）是模拟ＩＣ的定位标记及管脚排序，情况与数字ＩＣ相似。模拟ＩＣ有少部分管脚排序较特殊，如下图（ｃ）、（ｄ）所示。第37页，共53页，2023年，2月20日，星期二（三）、集成电路的封装形式和引脚识别四列扁平封装式IC电路管脚很多，常为大规模集成电路所采用，其引脚的标记与排序如下图所示：第38页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试1、红外报警器分类及原理红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警，主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器发出一束经过调制的红外光束，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。第39页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：（1）不需要用红外线或电磁波等发射源。（2）灵敏度高、控制范围大。（3）隐蔽性好，可流动安装。第40页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试2、电路组成及框图（1）电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、稳压器的稳压得到5V的直流电压。（2）传感器：传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件。（3）放大滤波：是由集成运算放大器LM324和电容构成对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。（4）比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1和U2作为参考电压（U1>U2）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人进入的情况。第41页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试3、电源电路设计（1）整流电路整流电路是把交流电变成直流电的电路，电路是二极管的单向导电性由四个二极管构成桥式整流电路。第42页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试（2）滤波电路在负载RL两端并接上电容值较大的电解电容，可将脉冲直流电过滤成较平稳的直流电，称为滤波。波形②将会变得较为平滑或成一条直线③。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试滤波的基本原理：电容C两端的初始电压为0。接入交流电源U后，当U为正半周时，D2、D5导通，U通过D2、D5对电容充电；当U为负半周时，D3、D4导通，U通过D3、D4对电容充电。由于充电回路等效电阻很小，所以充电很快，电容C迅速被充到交流电压的最大值Umax。此时二极管的电压始终小于或等于0，故二极管均截止，电容不可能放电，故输出电压恒为Umax。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试（3）稳压电路LM317有三个引脚，一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于地。输入和输出引脚对地要接滤波电容。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试4、放大电路的设计（1）反相交流放大器此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等,电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2U+偏置,C1是消振电容。如图所示：放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定:。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给值,Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。第46页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成U+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:,电路输入电阻为R3、R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。（2）同相交流放大器第47页，共53页，2023年，2月20日，星期二（四）、红外线报警器的制作与调试（3）比较器电路使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui<U2时，运放A