电子系统综合设计基础

第2章电子系统综合设计根底第2章电子系统综合设计根底教学提示：本章共分六节，主要讲述电子系统综合设计的根底知识和根底设计。前三节介绍了电子系统综合设计的根底知识：常用电子元器件的知识、常用工具软件和常用电子仪器；后三节介绍了电子系统根底设计：模拟电路设计、数字电路设计和集成电路设计。教学要求：通过本章的学习，应掌握电子系统综合设计的根底知识和电子系统的根底设计，为后续的学习奠定根底。第2章电子系统综合设计根底2.1常用电子元器件2.2

模拟电路设计

2.3

数字电路设计

2.4集成电路设计2.5常用电子仪器2.6常用工具软件2.1常用电子元器件任何电子电路都是由元器件组成的。常用的元器件有电阻器、电容器、电感器和各种半导体器件(如二极管、三极管、集成电路等)等。电子系统设计人员必须对这些元器件的结构、功能、主要参数性能和使用方法深入了解和熟练掌握。2.1.1电阻器、电容器、电感器及其应用电阻器及其应用电阻器(简称电阻)在电路中常用R加数字表示，是电路元件中应用最广泛的一种。它主要应用有限流、分压、定时元件、电压-电流转换、阻抗匹配、利用热敏电阻测温或控温等。电阻器在电子设备中占元件的30%以上，其质量的好坏对电路工作的稳定性有很大的影响。电阻器及其应用电阻器的主要性能指标

标称阻值：指标注于电阻体上的名义阻值。其单位为欧(Ω)、千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)。允许误差：允许误差是指电阻器或电位器的实际阻值对于标称阻值的最大允许偏差范围。它表示产品的精度。额定功率：指在规定的环境温度(25℃)和湿度下，长期稳定的工作条件下，电阻器上允许消耗的最大功率。最高工作电压：是由电阻器、电位器最大电流密度、电阻体击穿及其结构等因素所规定的工作电压限度。电阻器及其应用电阻器的分类按结构可分为固定式和可变式两大类。固定式电阻器由于制作材料和工艺不同，可分为膜式电阻、实芯式电阻、金属线绕电阻RX和特殊电阻四种类型。可变式电阻可分为滑线式变阻器和电位器。其中应用广泛的是电位器。电位器按电阻材料分，可分为薄膜和绕线两种。薄膜又可分为WTX型小型碳膜电位器、WTH型合成碳膜电位器、WS型有机实芯电位器、WHJ型精密合成膜电位器和WHD型多圈合成膜电位器等。电位器按调节机构的运动方式可分为旋转式和直滑式两种。电位器按结构分，可分为单联、多联、带开关、不带开关等；开关形式又有旋转式、推拉式、按键式等。电位器按用途分，可分为普通电位器、精密电位器、功率电位器、微调电位器和专用电位器等。电位器按阻值随转角变化关系分，可分为线性(X式即直线式)和非线性(D式即对数式和Z式即指数式)电位器。电阻器及其应用电阻器的型号命名例如：RJ71—0.25—4.7kI型的命名含义。

由此可见，这是精密金属膜电阻器，其额定功率为1/4W，标称电阻值为4.7kΩ，允许误差为±5%。电阻器及其应用电阻器的测量测量电阻的方法有很多，可用欧姆表、电阻电桥和数字欧姆表直接测量，也可通过测量流过电阻的电流I及电阻上的压降V来间接测量。当测量精度要求较高时，可采用电阻电桥来测量电阻；当测量精度要求不高时，可采用欧姆表来测量电阻。各种测量方法都必须离线，即线路上的电阻至少要断开一端来进行测量，以减少其他电路对测量结果的影响。电阻器及其应用电阻器的选用常识①根据电子设备的技术指标和电路的具体要求选用电阻的型号和误差等级。②为提高电子设备的可靠性，延长使用寿命，应选用额定功率比实际功率大1.5～2倍的电阻。③电阻装接前应进行测量、核对，尤其是在精密电子仪器设备装配时，还需经人工老化处理，以提高稳定性。④在装配电子仪器时，假设所用非色环电阻，那么应将电阻标称值标志朝上，且标志顺序一致，以便于观察。⑤焊接电阻时，烙铁停留时间不宜过长。⑥选用电阻应根据电路中信号频率的上下来选择。一个电阻可等效成一个R、L、C二端线性网络，如图2.2所示。不同类型的电阻，R、L、C三个参数的大小有很大差异。线绕电阻本身是电感线圈，所以不能用于高频电路中；薄膜电阻中，假设电阻体上刻有螺旋槽的，工作频率在10MHz左右，未刻有螺旋槽的，工作频率更高。⑦电路中如需串联或并联电阻来获得所需阻值时，应考虑其额定功率。阻相同的电阻串联或并联，额定功率等于各个电阻额定功率之和；阻值不同的电阻串联时，额定功率取决于高电阻；并联时，额定功率取决于低电阻，且需计算方可使用。电容器及其应用电容器(简称电容)在电路中常用“C〞加数字表示，如：C5表示编号为5的电容。它是一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时等。电容器的性能指标：电容量：指电容器上加电压后，存储电荷的能力。常用单位：法(F)、微法(μF=10-6F)和皮法(pF=10-6μF)。标称电容量：指标志于电容体上的名义电容量。我国固定式电容器标称电容量系列为E24、E12、E6。电解电容的标称容量参考系列为1，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8(以μF为单位)。允许误差：允许误差是实际电容量对于标称电容量的最大允许偏差范围。固定电容器的允许误差分为8个等级。额定工作电压指电容器在规定的工作温度范围内，长期、可靠地工作所能承受的最高电压。常用固定电容器的直流工作电压系列为6.3V，10V，16V，25V，40V，63V，100V，200V，400V。绝缘电阻：由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000MΩ以上。电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻。漏电电阻越小，漏电越严重。介质损耗：电容器所损耗的能量称为电容器损耗，包括金属极板的损耗和介质损耗两局部。电容器及其应用电容器的分类①按结构可分为以下三种：固定电容器、半可变电容器〔也叫做微调电容〕、可变电容器。②按电容器介质材料可分为以下几种：纸介电容器、云母电容器、陶瓷电容器、铁电陶瓷电容器、薄膜电容、聚苯乙烯薄膜电容器、金属化纸介电容器、油浸纸介电容器、铝电解电容器、钽、铌电解电容器。电容器的型号命名例如，CJX—250—0.33—±10%电容器的命名含义如下：电容器及其应用电容器的简单测试电容器的简单测试：一般使用数字万用表进行电容器的测量是最方便的方法，测量准确度可达±1%；使用便携式数字式元件测试仪测量电容也极方便，它还可以测出电容器的损耗；还可以利用数字电桥测量电容；对于工作在高频电路的小容量电容器可使用高频Q表进行测量。

电容器及其应用

电容器的选用常识：①在编写元件表时，电容器应用全称，即电容器-额定直流电压-标称容量-允许偏差表示。电解电容器可不注允许偏差。电源电路图或特殊电路图中的电解电容器除注明容量外必须标注直流电压。②电容器根据需要可串联和并联使用。并联多用于增加电容量，并联后额定直流电压不变。用电容量串联以提高工作电压。③选用何种类型的电容器以及选用何种参数应由电路决定。电感器及其应用电感在电路中常用“L〞加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。常用电感的符号如图2.4所示。(a)电感器(b)带磁心的电感器(c)磁心有间隙的电感器(d)带磁心连续可变电感器(e)带固定抽头的电感器(两个抽头)(f)步进移动触点可变电感器(g)可变电感器图2.4常用电感的符号电感器及其应用电感器的性能指标

电感量：指电感器上通有交流电流后，存储电荷的能力。常用单位是：亨(H)、毫亨(mH=10-3H)和微亨(μH=10-6H)。标称电感量：指标志于电感体上的名义电感量。

允许误差：指实际电感量对于标称电感量的最大允许偏差范围。常见的允许误差为±5%、±10%、±20%。

额定工作电流额定工作电流：指电感器在规定的工作温度范围内，长期、可靠地工作所允许通过的最高电流。单位为毫安(mA)。

直流电阻：直流可通过线圈，直流电阻就是导线本身的电阻，压降很小；单位为欧(Ω)。

品质因数Q：当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感的特性是通直流阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。品质因数Q=ωL/r，代表了电感器的能量的损耗情况。

电感器及其应用电感器的分类

电感器分为空芯和磁芯两大类型。

空芯电感器具有品质因数高、分布电容小的优点，所以在高频和甚高频电路中广泛采用。空芯电感器无成品出售。为减小电感的体积，在电子电路中广泛采用磁芯电感器。固定电感器分卧式和立式两种。电感器的型号命名

电感一般有直标法和色标法。直标法直接将标称电感量和允许偏差标注于电感上，如560μHⅡ表示标称电感量560μH，允许偏压±10%。色标法与电阻类似，如：棕、黑、金，金表示1μH(误差5%)的电感。电感器及其应用电感器的测试电感器可用便携式数字式元件测试仪测量；使用电桥也极方便。对于工作在高频电路的小容量电感器可使用高频Q表进行测量。电感器的选用①电感器在电路图中必须标注其电感量。②选用电感器必须注意其直流电阻值。小电流场合允许选用直流电阻较大(一般电感也较大)的电感，大电流场合受直流电阻的限制，一般选用的电感器的电感量也较大。③电感在电路中可与电容组成振荡电路，在LC谐振中应用的电感器，要注意对其品质因数的要求。2.1.2二极管、三极管、场效应管及其应用二极管、三极管及场效应管是组成分立元器件电子电路的核心器件。二极管具有单向导电性，可用于整流、检波、稳压、混频电路中。三极管和场效应管具有放大作用和开关作用。这些器件的外壳上都印有规格和型号。半导体器件型号命名规那么例如：二极管及其应用晶体二极管在电路中常用“D〞加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。常用二极管的外形和图形符号如图2.5所示。二极管内部含有PN结，所以它的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。图2.5常用二极管外形及图形符号二极管及其应用二极管的特性参数①正向电流：在额定功率下，允许通过二极管的电流值。②正向电压降：二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。③最大整流电流(平均值)：在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。④反向击穿电压：二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。⑤反向峰值电压：二极管正常工作时所允许的反向电压峰值。⑥反向电流：在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。⑦结电容：结电容包括势垒电容和扩散电容，在高频场合下使用时，要求结电容小于某一规定数值。⑧最高工作频率：二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。二极管及其应用二极管的分类二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)。按照管芯结构，二极管可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光敏二极管和变容二极管等。二极管及其应用二极管的识别与简单测试①普通二极管的测试：二极管的极性通常在管壳上注有标记，标记箭头所指向为阴极或有色点的一端为阳极。如无标记，可用万用表电阻档测量其正反向电阻来判断(一般用R×100或R×1k挡)。测试正向特性时，硅管的表针指示位置在中间或中间偏右一点；锗管的表针指示在右端靠近满刻度的地方说明管子正向特性是好的。如果表针在左端不动，那么管子内部已经断路。测试反向特性时，硅管的表针在左端根本不动，即靠近∞位置；锗管的表针从左端起动一点，但不应超过满刻度的1/4，那么说明反向特性是好的。如果表针指在0位，那么二极管内部已短路。②普通发光二极管的测试：发光二极管出厂时，较长的引线表示阳极，较短的引线表示阴极。③红外发光二极管的测试：由于红外发光二极管发射1μm～3μm的红外光，人眼看不到。所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。红外LED的正向压降一般为1.3V～2.5V。用一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器；用万用表测光电池两端电压的变化情况，来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。④稳压二极管的测试：改变直流电源电压，使之由零缓慢增加，稳压二极管两端用直流电压表监视，当直流电压增加到一定值，稳压二极管反向击穿，稳压二极管两端电压不再变化，电压表所指示的电压值就是该稳压管的稳压值。二极管及其应用二极管的选用常识：选用二极管要注意的几个方面。①正向特性：在二极管两端的正向电压很小时(锗管小于0.1V，硅管小于0.5V)，管子不导通，处于“死区〞状态，当正向电压超过一定数值后，管子才导通，电压再稍微增大，电流急剧增加。不同材料的二极管，其起始导通电压不同，硅管为0.5V～0.7V，锗管为0.1V～0.3V。②反向特性：二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时，反向电流根本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流。不同材料的二极管，反向电流大小不同，硅管约为一微安到几十微安，锗管那么可高达数百微安，另外，反向电流受温度变化的影响很大，锗管的稳定性比硅管差。③击穿特性：当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由一伏到几百伏，甚至高达数千伏。④频率特性：由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。三极管及其应用半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。晶体三极管在电路中常用“T〞加数字表示，(1)三极管的工作原理及分类：三极管顾名思义具有三个电极。三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补，所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。常用三极管外形及图形符号如图2.6所示。图2.6常用三极管外形及图形符号三极管及其应用三极管的主要参数①直流参数：共发射极直流电流放大系数(倍)hfe或β；三极管的反向电流；三极管的击穿电压。②交流参数：共发射极交流电流放大系数β，公式(β＝ΔIc/ΔIb)；共基极交流放大系数α，公式(α＝ΔIc/ΔIe)；特征频率Ft，公式β＝α/(1—α)，α＝β/(1—β)。③极限参数：最高允许结温；反向击穿电压；集电极最大允许电容；集电极最大允许耗散功率。三极管及其应用三极管的三种工作状态截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，此时称三极管处于截止状态。放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数为β，这时三极管处于放大状态。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管及其应用三极管的识别与简单测试常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，如图2.6所示对于小功率金属封装三极管，按底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，按顺时针方向依次为e、b、c；对于中小功率塑料三极管使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，那么从左到右依次为e、b、c；对于大功率三极管，外形一般分为F型和G型两种。将F型管底朝上，两根电极置于左侧，那么上为e，下为b，底座为c；将G型管底朝下，三根电极置于左方，从最下电极起，按顺时针方向依次为e、b、c。三极管的引脚必须正确确认，否那么不但不能正常工作，还可能烧坏管子。在使用中不确定引脚排列的三极管，必须用万用表进行测量确定各引脚正确的位置，或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。场效应管及其简单应用

场效应管是通过改变输入电压来控制输出电流的，是电压控制器件，不吸收信号源电流，也不消耗信号源功率，因此它的输入电阻很高，还具有很好的温度特性、抗干扰能力强、便于集成等优点。场效应管的工作原理:场效应管也具有三个电极：G—栅极；D—漏极；S—源极；分别对应三极管的基极、集电极和发射极。在零偏压的状态下，它是导通的。如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)，在反向电场作用下P-N变厚(称耗尽区)沟道变窄，其漏极电流将变小。反向偏压到达一定时，耗尽区将完全沟道“夹断〞，场效应管进入截止状态。此时的反向偏压称之为夹断电压，用Vpo表示。它与栅极电压Vgs和漏源电压Vds之间可近以表示为Vpo=Vps+|Vgs|，这里|Vgs|是Vgs的绝对值。场效应管及其简单应用图2.7是场效应管常用图形符号。场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管(JFET)因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管(JGFET)那么因栅极与其他电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管。按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。假设按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。图2.7场效应管常用图形符号场效应管及其简单应用场效应管的主要参数①直流参数：开启电压UGS(th)是在UDS为一常量时，iD大于零所需的最小|UGS|值。iD为规定微小电流(如5μA)时的UGS。UGS(th)是增强型MOS管的参数。夹断电压UGS(off)是iD为规定微小电流(如5μA)时的UGS，它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。直流输入电阻RGS(DC)：RGS(DC)等于栅-源电压与栅极电流之比。②交流参数：低频跨导gm：gm数值的大小表示UGS对iD的控制能力。极间电容Cgs为1pF～3pF；Cds为0.1pF～1pF。在高频电路中应考虑极间电容的影响。③极限参数。最大漏极电流是场效应管正常工作时漏极电流的上限值。击穿电压是指场效应管进入恒流区后，使iD骤然增大的UDS称为漏源击穿电压U(BR)DS，UDS超过此值会使场效应管烧坏.最大漏极耗散功率PDM=UDS×ID，耗散功率使场效应管发热温度升高，使用时不能超过这个值。场效应管及其简单应用场效应管与晶体管(三极管)的比较①场效应管是电压控制器件，而晶体管是电流控制器件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。②场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。③有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅极电压也可正可负，灵活性比晶体管好。④场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。2.1.3集成电路及其应用集成电路在电路中通常用字母“IC〞表示。集成电路一般是在一块厚0.2mm～0.5mm、面积约为0.5mm2的P型硅片上通过平面工艺制作成的。这种硅片(称为集成电路的基片)上可以做出包含为十个(或更多)二极管、电阻、电容和连接导线的电路。集成电路的型号命名法,其型号命名规那么如下所示。例如：集成电路及其应用集成电路的分类根据集成度的上下，将它分为小规模集成电路(内部有几十个元器件)、中规模集成电路(内部有几百个元器件)、大规模集成电路(内部有上千个元器件)和超大规模集成电路(内部有上万个元器件)等等。集成电路按用途分有“模拟集成电路〞和“数字集成电路〞两种。集成电路制造工艺分有膜集成电路和半导体集成电路以及混合集成电路等几种。半导体集成电路是目前使用最广泛的。集成电路及其应用集成电路中元器件的特点与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：(1)单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差异小，因而同一类元器件温度特性也根本一致；(2)集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧～几十千欧范围内，电容一般为几十皮法。电感目前不能集成。(3)元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确。(4)纵向NPN管β值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的β值很小，但其PN结的耐压高。集成电路及其应用集成电路的识别与简单测试识别：使用集成电路前，必须认真查对识别集成电路的引脚，确认电源、地、输入、输出、控制等端的引脚号，以免因接错而损坏器件。

检测：检测前要了解集成电路及其相关电路的工作原理。检查和修理集成电路前首先要熟悉所用集成电路的功能、内部电路、主要电气参数、各引脚的作用以及引脚的正常电压、波形与外围元器件组成电路的工作原理。如果具备以上条件，那么分析和检查会容易许多。2.1.4特殊元器件及其应用晶闸管的认识及应用晶闸管是晶体闸流管(thyristor)的简称，俗称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号“V〞、“VT〞表示(旧标准中用字母“SCR〞表示)。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程、导通时间可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管的分类①按关断、导通及控制方式分类：可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。②按引脚和极性分类：可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。③按封装形式分类：可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。④按电流容量分类：可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管那么多采用塑封或陶瓷封装。⑤按关断速度分类：可分为普通晶闸管和高频(快速)晶闸管。晶闸管的认识及应用

晶闸管的选用①选择晶闸管的类型，晶闸管有多种类型，应根据应用电路的具体要求合理选用。②晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定：所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定峰值电压和额定电流(通态平均电流)均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流1.5～2倍。继电器及其应用继电器是一种电子控制器件，具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关〞。故在电路中起着自动调节、平安保护、转换电路等作用。其电路符号如图2.10所示。图2.10继电器的电路图形符号继电器及其应用继电器的分类继电器的触点有三种根本形式：(1)动合型(H型)线圈不通电时两触点是断开的，通电后两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H〞表示。(2)动断型(D型)线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D〞表示。(3)转换型(Z型)是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，到达转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转〞字的拼音字头“Z〞表示。继电器及其应用继电器的选用必要的条件①控制电路的电源电压，能提供的最大电流；②被控制电路中的电压和电流；③被控电路需要几组、什么形式的触点。查阅有关资料。确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。假设手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否适宜。注意器具的容积。假设是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型用电器，如玩具、遥控装置那么应选用超小型继电器产品。光耦合器光耦合器又称光隔离器，是以光为媒介传输电信号的-种电-光-电转换器件。它由发光源和受光器两局部组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管，等等。光耦合器光耦合器的特点①输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以到达10kV以上。②由于“光〞传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反响现象，其输出信号也不会影响输入端。③由于发光器件(砷化镓红外二极管)是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光耦合器件的共模抑制比很大，所以，光耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。④容易和逻辑电路配合。⑤响应速度快。光耦合器件的时间常数通常在微秒甚至纳秒极。⑥无触点、寿命长、体积小、耐冲击。光耦合器光耦合器的分类及选用光耦合器的种类较多，常见有光敏二极管型、光敏三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光敏达林顿型、集成电路型等。在家电电路中，常见的只有四种结构:①发光二极管与光敏晶体管封装的光电耦合器，结构为双列直插四引脚塑封，主要用于开关电源电路中。②发光二极管与光敏晶体管封装的光耦合器，与①的主要区别在于引脚结构不同，结构为双列直插六引脚塑封，也用于开关电源电路中。③发光二极管与光敏晶体管(附基极端子)封装的光敏耦合器，结构为双列直插六引脚塑封，主要用于AV转换音频电路中。④发光二极管与光敏二极管加晶体管(附基极端子)封装的光耦合器，结构为双列直插六引脚塑封，主要用于AV转换视频电路中。2.2模拟电路设计在任何电子应用系统中，模拟电路是不可缺少的重要组成局部。模拟电路一般是由低频电子线路或高频电子线路组合而成，如音频采集电路、视频回放电路、模拟显示电路、射频电路等。虽然它们的性能、用途各不相同，但其电路各局部都是由单元功能电路组成。一般来说，模拟电路主要有以下单元功能电路：传感器电路、信号放大和变换电路以及驱动电路等。传感器电路局部主要是将非电量信号的物理量转换为电信号。信号放大和变换电路是对得到的微弱电信号进行放大、滤波整形和变换等，再传送给相应的驱动电路。2.2.1模拟电子电路的设计方法模拟电子电路的设计，从整个系统设计的角度来说，应首先根据任务要求，再经过可行性的分析、研究后，拿出系统的总体设计方案，画出总体设计结构框图。在确定总体方案后，根据设计的技术要求，选择适宜的功能单元电路，然后确定所需要的具体器件的型号和参数。最后再将单元器件及单元电路组合起来，经过实验和修改，最终设计出完整的系统电路。需要说明的是，随着科技的进步，集成电路正在迅速的开展，线性集成电路日渐增多，采用模拟线性集成电路组建电路已日趋广泛，其电路的设计性能更加可靠。2.2.2传感器传感器概述传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三局部组成。传感器的种类很多。按被测对象可分类成物理量传感器、化学量传感器及生物量传感器；按输出方式可分类成模拟式传感器、数字式传感器；按输入输出特性可分类成线性传感器、非线性传感器；等等。传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器传感器的选择现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。选用传感器主要需要考虑以下几个方面的问题：(1)首先需要根据测量对象和测量环境确定传感器的类型；(2)灵敏度：一般来说，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；线性范围：传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围；(4)稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性；(5)精度：精度关系到整个测量系统的测量精度。应用举例〔LMx35与AD590〕2.2.3集成运算放大器集成运算放大器的分类按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器主要可分为以下几种：(1)通用型运算放大器：常用的通用型运算放大器有mA741、LM358、LM324及LF356等。其性能指标能适合于一般性使用。(2)高阻型运算放大器：常见的高阻型运算放大器有LF356、LF355、LF347、CA3130、CA3140等。高阻型运算放大器的主要特点是差模输入阻抗非常高，高达109W～1012W，输入偏置电流非常小，为几皮安到几十皮安。(3)低温漂型运算放大器：常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及斩波稳零型低漂移运放ICL7650等。低温漂型运算放大器主要用于精密仪器、弱信号检测等。(4)高速型运算放大器：常见的高速型运算放大器有LM318、mA715等，其转换速率为50V/ms～70V/ms，单位增益带宽大于20MHz。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。主要应用于快速A/D和D/A转换器、视频放大器。(5)低功耗型运算放大器：常用的低功耗型运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V～±18V，消耗电流为50mA～250mA。低电源电压、低功耗的运算放大器主要应用于便携式产品中。集成运算放大器集成运算放大器的选择选用集成运算放大器时，应先查阅有关手册，了解集成运算放大器的以下主要参数：开环电压增益；开环带宽；失调电压和温度漂移，失调电流和温度漂移；输入偏置电流；差模输入电阻和输出电阻等。然后选用能满足设计指标的运算放大器。另外如信号源的性质等因素也要适当考虑。集成运算放大器集成运算放大器的应用集成运算放大器的使用需要注意以下一些问题：(1)电源供给方式：集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE，主要电源供电方式有：对称双电源供电和单电源供电。(2)调零：由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。(3)自激振荡：运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反响条件下，很容易产生自激振荡。(4)输入输出保护：集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高，超出该集成运放的极限参数范围，将可能损坏运放。2.2.4滤波器传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，信号的调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的重要组成局部，并且其性能直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。滤波器是信号调理电路的重要组成局部。滤波器滤波器的分类滤波器种类繁多，一般有以下几种分类：(1)按处理信号类型分类：按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。实际上有些滤波器很难归于哪一类，例如开关电容滤波器既可属于取样模拟滤波器，又可属于混合滤波器，还可属于有源滤波器。(2)按选择物理量分类：按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择(例如PCM制中的话路信号)和信息选择(例如匹配滤波器)等四类滤波器。(3)按频率通带范围分类：按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别，而梳形滤波器属于带通和带阻滤波器，因为它有周期性的通带和阻带。滤波器通用集成滤波器的应用举例LTC1068是凌特公司生产的四通道通用滤波器，它有极低的失调电流、漂移电流和偏置电流，动态范围宽，到达截至频率的200倍时无混叠现象。滤波器LTC1068的典型应用电路如图2.16所示。图2.16LTC1068的典型应用2.3数字电路设计本节主要介绍几种常用的中规模数字逻辑电路的应用：模拟开关、比较器的合理选择及应用、计数/分频器、译码器。2.3.1模拟开关和数据选择器模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。根据模拟开关在电子设备中的作用可知，模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或者电路。模拟开关主要由开关元件和控制-驱动电路两局部组成(如图2.17所示)。模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、无剩余电压、体积小和使用寿命长等特点。

图2.17模拟开关的组成示意图模拟开关和数据选择器模拟开关的分类按模拟开关的工作原理可将其分为双极性晶体管模拟开关、场效应晶体管模拟开关和集成模拟开关。按切换的对象分：电压模拟开关和电流模拟开关。模拟开关的正确选用在电子应用系统中，首先可根据模拟开关的性能参数来正确选择模拟开关。其次，还要根据不同应用场合，以及不同种类的模拟开关的优缺点，正确选择多路开关的种类。同时还需要注意模拟开关与相关电路的合理搭配，保证各电路单元有适宜的工作状态，才能充分发挥模拟开关的性能，甚至弥补某些性能指标的缺乏。模拟开关和数据选择器集成模拟开关电路1)无译码器的模拟开关

这类模拟开关的特点是每一个开关可独立通断，也可同时通断，使用方式灵活。这样的中规模数字逻辑电路如CD4066，AD7510/AD7511，AD7512等。2)有译码器的多路开关

(1)AD7501(AD7503)：AD7501、AD7503芯片都是单向八通道到一通道的模拟多路开关，即信号只允许从八个输入端向一个输出端传送。(2)AD7502是CMOS双四通道的模拟多路开关。(3)CD4501：CD4051为八通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多个到单个的输出切换，也可用于单个到多个的输出切换。常用的数据选择器还有74150,74151,74153,74157,74253,74353,74351等。模拟开关和数据选择器模拟开关的应用举例图2.27为使用多路模拟开关CD4051所构成的程控放大电路。图2.28为用多路模拟开关CD4051设计的信号多路转换器。

图2.27程控放大电路图2.28信号多路转换器模拟开关和数据选择器模拟开关的应用举例使用CD4051应注意的三个要点：(1)使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。(2)建议A、B、C三路片选端要加上拉电阻。(3)CD4051的公共输出端不要加(并联到地的)滤波电容，否那么不同通道转换后的电压经电容充放电后会引起极大的误差。选择和使用多路开关时，考虑的重点应该是是否满足系统对信号传输精度和传输速度的要求，同时还必须注意以下两点：(1)全面了解多路开关的特性，否那么可能出现难以预料的问题。(2)多路开关只有与相关电路合理搭配，协调工作，才能充分发挥其性能，甚至弥补某些性能的欠缺。2.3.2数值比较器在数字系统中，经常需要对两组二进制数A和B(可以是一位，也可是多位)进行大小比较。比较的结果有A＞B、A＜B、A=B三种结果，分别用FA＞B、FA＜B、FA=B来表示。完成这样功能的各种逻辑电路统称数值比较器。74LS85,CD4585，74LS686,74LS687,74LS688,74LS689等就是完成这种数值比较功能的中小规模集成电路。数值比较器数值比较器的扩展在数字系统中，可能参与比较的数值位数较多，多于数值比较器的输入位数，这时需要进行扩展。数值比较器的扩展分为串行扩展和并行扩展。串行扩展如图2.30所示。最低4位的级联输入端A‘＞B’、A‘＜B’和A‘=B’必须分别预置为0、0、1。图2.30数值比较器的串行扩展

数值比较器的并行扩展如图2.31所示。

图2.31数值比较器的并行扩展数值比较器的应用占空比可数控的脉冲发生器。其电路如图2.32所示。图2.32占空比可数控的脉冲发生器数值比较器的应用图2.33表示了该电路的工作情况。图2.33占空比可数控的脉冲发生器的工作情况输出脉冲的持续时间tw(脉宽)为M个时钟脉冲，故占空比DR为DR的设置范围为1%～99%。数值比较器的应用例2：数字峰值检出器。其电路如图2.34所示。图2.34数字峰值检出电路2.3.3计数器/分频器计数器/分频器概述计数器是用来实现累计输入时钟脉冲个数功能的时序电路。在数字电路中，计数器属于时序电路，主要由具有记忆功能的触发器构成。计数器不仅仅用来记录时钟脉冲的个数，在计数功能的根底上，计数器还可以实现计时、定时、分频、程序控制和逻辑控制等功能，应用十分广泛。在CMOS电路系列产品中，计数器是用量大、品种多的产品之一。计数器按时钟脉冲的作用方式可分为同步计数器和异步计数器。按计数变化规律可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。按计数的进制可分为二进制计数器和非二进制计数器(如十进制计数器、任意进制计数器)。按时钟脉冲的触发方式可分为上升沿触发计数器和下降沿触发计数器。计数器/分频器计数器是一种单端输入、多端输出的记忆器件，它能对输入的时钟脉冲计数，而在输出端又以不同的方式输出以表示不同的状态。这种不同的输出方式为电路设计提供了多种用途，给使用带来极大的方便。计数器输出的几种常用方式(1)十进制计数/七段译码输出的计数器。(2)BCD码输出的计数器。(3)分频器输出的计数器。(4)多位二进制输出的计数器。计数器/分频器的应用

(1)双时钟和单时钟的相互转换电路：图2.35和图2.36示出了可逆计数器中双时钟和单时钟相互转换的电路,以便适应双时钟型可逆计数器或者适应单时钟可逆计数器的时钟脉冲输入要求。图2.35由单时钟输入转为双时钟输出的电路图2.36由双时钟输入转为单时钟输出的电路计数器/分频器的应用(2)自动关断电路：图2.37示出了使用CD406014级行波进位二时制计数器组成的自动关断电路，该电路用以保护干电池无谓消耗。图2.37自动关断电路计数器/分频器的应用(3)脉冲延时控制电路：图2.38示出用CD40247级异步二进制计数器组成的脉冲延迟控制电路。其波形如图2.39中的所示。图2.39脉冲延迟控制电路的波形图图2.38脉冲延迟控制电路计数器/分频器的应用(4)时序控制电路，CD4017与四双向模拟开关CD4066组成的时序控制电路或开关控制电路如图2.40所示。图2.40时序控制电路2.3.4译码器译码器是将具有特定含义的数字代码进行区分，并转换成与之对应的有效信号或另一种数字代码的逻辑电路。集成译码器可分为时序译码电路和数字显示译码驱动电路。常用的中规模集成时序译码电路有双2线-4线译码器74139，3线-8线译码器74138，4线-16线译码器74154、CD4514和4线-10线译码器7442、CD4028等；数字显示译码驱动电路如7448,7449等。下面分别介绍这些译码器的应用。时序译码电路

(1)用两片741383-8译码器级联可组成4-16线译码器，如图2.42所示。图2.42用74138实现4-16线译码时序译码电路用3-8译码器实现如下逻辑表达式F(C,B,A)：F(C,B,A)＝m1+m3+m6+m7。从741383-8译码器的功能可知，它的每一个输出都是对应输入逻辑变量最小项的非，因此把74138相应的输出项进行“与非〞操作，即可实现该逻辑表达式，如图2.43所示。图2.43用3-8译码器实现逻辑表达式时序译码电路7442二-十进制译码器：二-十进制译码器又称为码制变换译码器，它是将BCD码译成十个独立输出的电平信号。如7442和CD4028，当输入为8421BCD码时，输出为十个独立的低电平信号(输出为低电平有效)，对于8421BCD码以外的伪码，十个输出全为高电平。7442逻辑功能示意图如图2.44所示。图2.448421BCD码译码器7442逻辑功能图数字显示译码驱动电路

显示译码器主要用来驱动各种显示器件，如LED、LCD等，从而将二进制代码表示的数字、文字、符号“翻译〞成人们习惯的形式，直观地显示出来。本小节主要讲述七段显示译码器/驱动器。七段数码管分共阴极和共阳极两种形式，其外形结构和二极管连接方式如图2.45所示。图2.45七段数码管的外形图及共阴共阳等效电路数字显示译码驱动电路(1)7448七段显示译码器：7448七段显示译码器输出高电平有效，用来驱动共阴极数码管，其逻辑功能图如图2.46所示。

7448译码器的典型应用电路如图2.47所示。图2.467448逻辑功能图图2.477448译码器的典型应用电路数字显示译码驱动电路利用7448实现带有前0消隐的多位数字译码显示电路如图2.48所示。

图2.48用7448实现带前0消隐的多位数字译码显示数字显示译码驱动电路(2)7449七段显示译码器：7449的逻辑功能图如图2.49所示。

7449译码器的典型应用电路如图2.50所示。7449是集电极开路(OC)输出，必须外接上拉电阻。图2.497449的逻辑功能图图2.507449译码器的典型应用电路

2.4集成电路设计

2.4.1传感器放大电路的设计传感元件输出的电信号通常是比较小的，信号调节转换电路往往会采用放大器。1.设计原理通常情况下，放大电路常常采用运算放大器。理想运算放大器具有以下的特性：(1)输入阻抗极高，即放大器之正负两端内阻很大，可近似为；(2)输出阻抗极小，即放大器之输出端内阻很小，可近似为0；(3)运算放大器的放大倍数极大，可近似为；(4)运算放大器的响应频宽极大。由以上特性可知虚短路原理：(1)由于放大器之正负两端内阻很大，故其间电流I0；(2)由于放大器内的电路V-与V+两点间电流I0，因此V-与V+间其压降亦可近似为0，所以V-=V+。传感器放大电路的设计2.常见简单电路1)反相放大器，如图2.51所示，由运算放大器特性可知，而且因与间无电流流过。故所以其放大倍数为由于此放大器的放大倍数为负值，故称为反相放大器。图2.51反相放大电路传感器放大电路的设计2.常见简单电路2)同相放大器如图2.52所示，

此放大器的放大倍数均大于1，故仅能用于放大，无法衰减信号。且

，那么图2.52同相放大电路传感器放大电路的设计2.常见简单电路3)电压跟随器,如图2.53所示，由运算放大器特性可知，，由于负电压反响，，故，其放大倍数为这种放大电路的主要是利用运算放大器内阻很大的特性来降低负载效应的产生。

图2.53电压跟随电路传感器放大电路的设计2.常见简单电路4)差动放大器

如图2.54所示，由运算放大器特性及分压原理可知：这种电路在调整增益时必须同時调整R1与R2，并保持同一比例，所以应用上较为不便。

所以，

其差动放大倍数为图2.54差动放大电路传感器放大电路的设计2.常见简单电路5)仪器放大器如图2.55可知，OP1的

，OP2的

根据分压原理可得

各式合并得又因

所以

因此，放大倍数为传感器放大电路的设计2.常见简单电路5)仪器放大器

这种放大电路可改善差值放大电路在调整增益上的不便，当要改边增益时，仅需调整电位器R1即可。图2.55仪器放大电路传感器放大电路的设计2.常见简单电路6)桥式放大器如图2.56所示，这种电路可以用于检测微小的电阻变化量。由运算放大器的特性可知

且由电阻电桥的分压可知假设假设R1=R2//Rf且R3=R，那么输出电压Vo与电阻变化之线性关系式为传感器放大电路的设计2.常见简单电路6)桥式放大器假设进一步假设时，那么所以，其放大倍数为图2.56桥式放大电路2.4.2有源滤波器的设计滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。在工程上，滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。滤波器按照组成的元件，可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。但凡只由电阻、电容、电感等无源元件组成的滤波器称为无源滤波器。但凡由放大器等有源元件和无源元件组成的滤波器称为有源滤波器。由运算放大器和电阻、电容(不含电感)组成的滤波器称为RC有源滤波器。有源滤波器的设计有源滤波器的分类常用的集成有源滤波器主要有RC有源滤波器和开关电容滤波器两种。RC有源滤波器按照其所实现的传递函数的次数分，可分为一阶、二阶和高阶RC有源滤波器。滤波器按照所允许通过的信号的频率范围又可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。有源滤波器的设计有源滤波器设计原理介绍巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为，滤波器的幅频特性如图2.57所示。

式中，n=1，2，3，•••。写成：

图2.57低通滤波器的幅频特性曲线当

>>

C时，有源滤波器的设计巴特沃斯低通滤波器对于一阶低通滤波器，其传递函数为归一化的传递函数为对于二阶低通滤波器，其传递函数为归一化后的传递函数为有源滤波器的设计步骤有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下：(1)根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数n；(2)选择具体的电路形式；(3)根据电路的传递函数和表2.19归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组；(4)解方程组求出电路中元件的具体数值；(5)安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。有源滤波器的设计有源滤波器的设计图2.58是利用RC滤波电路和运算放大器组成的三阶压控电压源高通滤波电路。

该电路的传递函数为图2.58三阶压控电压源高通滤波器将上式归一化为2.4.3转换电路的设计模／数转换电路

模／数转换电路(又称A／D转换电路或ADC)是一种将连续的模拟量转换成离散的数字量的一种电路或器件。模拟信号转换成数字信号需要经过采样、量化和编码三个过程。ADC按功能划分，可以分为直接转换和非直接转换两大类，其中非直接转换又有逐次分级转换、积分式转换等类型。其中逐次分级转换又分为分级式转换和逐次逼近式转换；积分式转换又分为双积分式转换和电荷平衡式转换等。

模／数转换电路(1)

A/D转换器工作原理〔以逐次逼近式A/D转换器为例〕逐次逼近式A/D转换器是一种反响比较型A/D转换器。如图2.59所示，逐次逼近式A/D转换器的根本构思是：取一个数字量加到D/A转换器，于是得到一个输出模拟比较电压。将这个模拟电压与输入的模拟电压信号比较，如果两者不等，那么调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结果。图2.59逐次逼近式A/D变换器原理图模／数转换电路(2)集成A/D转换器及应用如图2.60所示，ADC0809是CMOS单片8通道A/D转换器，采用双列直插式28引脚封装。其主要由逐次逼近式A/D转换器、8位模拟开关、三态输出数据锁存器、以及地址锁存与译码等组成。图2.60ADC0809内部结构框图及引脚功能图

模／数转换电路(2)集成A/D转换器及应用ADC0809与8031单片机的一种连接方式，如图2.61所示。〔线选法〕转换数据的传送：A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理。定时传送方式：对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是的和固定的。查询方式：A/D转换芯片有说明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。中断方式：把说明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。图2.61ADC0809与8031单片机的连接电路数/模转换器

D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。1)分类:数/模转换器的转换方式有并行转换和串行转换两种。目前常使用的是并行转换方式。并行转换是要把转换的各位数字代码同时送到转换器相应的输入端，转换时间只取决于转换器中电流或电压建立的时间以及求和时间，所以转换速度快，用得最多。2)工作原理:数/模转换器的输入输出可用下式表示：式中：A——模拟输出电压(或电流)；K——基准电压(或电流)；D——输入的数字量，假设D是二进制整数，可用下式表示：数/模转换器其电路框图如图2.62所示。图2.62D/A转换器原理框图

数/模转换器3)集成D/A转换器及其应用(1)

DAC0832内部结构及引脚功能。DAC0832的内部结构如图2.63所示，它由8位输入存放器、8位DAC存放器、8位D/A转换器及转换控制电路组成。图2.63DAC0832内部结构和引脚图数/模转换器3)集成D/A转换器及其应用

(2)

DAC0832的应用。DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路，图2.64为DAC0832和运放组成的单极性D/A转换器电路。图2.64单极性输出D/A转换电路图2.64单极性输出D/A转换电路2.4.4集成信号发生器这里介绍MAX038，它是美信公司生产的一通用波形发生芯片，较以前常用的函数发生器件，从频率范围、频率精确度、对芯片、波形的控制性能以及用户使用的方便性等方面都有了很大的提高，因此可广泛应用于波形的产生、压控振荡器、脉宽调制器、频率合成器及FSK发生器等。1.

MAX038的性能特点(1)能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。(2)频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出峰-峰值幅度均为2V。(3)占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，互不影响，占空比最大调节范围10%～90%。(4)波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节时非线性度低于2%。(5)采用±5V双电源供电，允许有5%变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400MW，工作温度范围为0～70℃。(6)内设2.5V电压基准，利用控制端FADJ、DADJ实现频率微调和占空比调节。集成信号发生器2.

MAX038引脚功能MAX038为20引脚标准双列直插式或小型扁平封装。各引脚功能说明如下：1—基准电源输出；2、6、9、11、18—接地；3—波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；4—波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；5—外接振荡电容器COSC；7—脉冲波占空比调节输入；8—振荡频率调节(电压输入)；10—振荡频率参考电流输入；12—相位检测器输出，如果不使用相位检测器那么接地；13—相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器那么接地；14—同步脉冲输出，兼容TTL/COMS电平；15—数字电路局部接地；16—数字电路+5V电源输入端，如果不用外同步那么悬空；17—电源+5V输入端；19—信号输出端；20—电源-5V输入端。3.设计实例该简易信号发生器可以输出三角波、方波、正弦波和阶跃波四种波形；三个固定频率选择；以及十个电压选择。此外，为了更好的满足大多数实验与电路检测的要求，该信号发生器还可以输出电荷量。该信号发生器电路主要由信号产生电路、电压电荷输出电路和电源模块三局部组成。1)信号产生电路MAX038产生波形的根本电路，如图2.65所示。图2.65MAX038波形产生电路3.设计实例为了确保输出信号的起始电压在0V附近，此电路需加信号上升沿起始控制电路，如图2.66所示。对于该信号发生器的阶跃信号，那么不经过上升沿起始电路，阶跃信号可用电压跟随器产生。图2.66上升沿起始电路3.设计实例2)信号放大及电压电荷输出电路MAX038的各种输出波形的峰-峰幅值均为2V，阶跃信号的幅值为1V。为了使信号的幅值范围更大，可以先把信号衰减，再经过输出放大器AD822以适当比例同相放大输出。为了输出不同的电压，可在运放AD822的反相端和输出端串联不同的电阻来调节电压的幅值。为了滤除噪声，可在每个电阻上并上电容，并且要使输入输出端的电阻电容匹配。幅值控制电路如图2.67所示。图2.67幅度控制电路3)电源模块可用四节3.6V的可充电锂电池串联成正负7.2V，再分别经过LP2985、LT1964输出+5V和-5V(已变成稳压电源)供电路工作。2.5常用电子仪器电子系统设计中常用的电子仪器主要用于测量电路中的电压、电流、频率等信号参量，测试信号波形以及一些器件的参数，主要包括万用表、示波器、信号发生器及直流稳压电源等。本章中所用到的示波器、信号发生器、稳压电源等，均以Caltek公司产品为例，产品功能说明参见Caltek公司网站或产品说明书。2.5.1万用表万用表是电子测量中最常用的仪器，可用于测量电阻，直流电压、电流、交流电压、电流，有的还可以测晶体管主要参数及电容的容值。一般可以分为模拟式万用表和数字式万用表。数字式万用表测量精度高、过载能力强，读取结果方便直观，功能多等优点，因而得到越来越广泛的应用。1.模拟式万用表模拟式万用表是以表头为核心的多功能测量仪表。其根本原理是利用灵敏的磁电式直流电流表做表头。微小电流通过表头时，就会有显示，通过并联或串联一些电阻进行分流或分压，就可检测电路中的电压、电流及电阻大小。1.模拟式万用表下面介绍模拟式万用表的使用方法和本卷须知：(1)使用前通过机械调零位，使表头指针指零。(2)测量时使红表笔插入“+〞插孔，黑表笔插入“-〞插孔。(3)测量交流电压。测量交流电压时将转换开关旋置交流电压档的某一量程上，两表笔分别接触所测的两点上，根据指针的偏转读出读数。(4)测量直流电压。测量直流电压时，将转换开关旋置直流电压档的某一量程上，红表笔接触被测电压正极端，黑表笔接触被测电压负极端，根据指针的偏转读出读数。此时，表笔不能接反，否那么可能烧坏万用表。(5)测量直流电流。测量直流电流时，将转换开关旋置直流电压档的某一量程上，应使被测的电流从红表笔流入，黑表笔流出。(6)测量电阻。测量电阻时，首先应将转换开关旋置欧姆档的某一量程上，将红黑两表笔直接短接调节欧姆调零处，使表头指针在欧姆标尺的零位，再将两表笔分别接触被测电阻两端，根据指针的偏转读出读数。2.数字式万用表数字式万用表采用了集成电路及运算放大器，以数字方式显示测量结果，具有读数直观、测量的精确度高、可靠性好等优点。下面介绍其使用方法和本卷须知：(1)测量电压。测量电压时，将转换开关旋置直流电压或交流电压档的某一量程上红表笔插入“V·Ω〞孔，黑表笔插入“COM〞孔，使用时，万用表与被测电压并联。(2)测量电流。测量电流时，将转换开关旋置直流或交流电流档的某一量程上，通过表笔把万用表串联到被测的电路中。红表笔插入“10A〞孔或“A〞孔，黑表笔插入“COM〞孔，此时也不必考虑电流方向，万用表将自动转换并显示极性。2.数字式万用表(3)测量电阻。测量电阻时，将转换开关旋置欧姆档某一量程上，红表笔插入“V·Ω〞孔，黑表笔插入“COM〞孔。(4)检查线路通断。将转换开关旋置蜂鸣器位置，红表笔插入“V·Ω〞孔，黑表笔插入“COM〞孔，用测量电阻的方法测量电路中任意两点，假设两点间的电阻值低于发生阈值电阻时，就会使蜂鸣器发出声音。(5)测量二极管。将转换开关旋置二极管挡位置，红表笔插入“V·Ω〞孔，黑表笔插入“COM〞孔。测量时，红表笔接二极管正极，黑表笔接二极管负极为正向接入二极管。正向接入时，锗管应显示电压0.15V～0.3V，硅管应显0.55V～0.7V。(6)测量三极管。判断三极管类型时，把基极确定后，用红表笔接基极，用黑表笔分别接触另两极，假设两次显示为0.55V～0.7V，那么为NPN管；假设两次显示电压都溢出那么为PNP管。测量三极管参数时，将转换开关旋置三极管档“PNP〞或“NPN〞位置，测量时将三极管的三个引脚分别插入“〞的插孔。2.5.2示波器示波器是电子系统设计中用来观察电信号波形的常用电子仪器，利用示波器可以测量信号的周期或频率，脉冲宽度、相位差、幅度等参数。示波器根据结构及性能、用途的不同，可以分为通用示波器、多束示波器、存储示波器、取样示波器及特殊示波器等。下面就模拟示波器CA8060为例，介绍示波器的使用方法。CALTEKCA8060为便携式双通道示波器，垂直系统具有0～60MHz的频带宽度和5mV/DIV～5V/DIV的偏转灵敏度，配以10∶1探头灵敏度可达50V/DIV。示波器CA8060双踪示波器的使用1.检查本仪器初次使用或长期未使用时，需对仪器进行检查，步骤如下：(1)将仪器面板上的控件设置如下：亮度、聚焦、位移控件居中，垂直方式选CH1，垂直灵敏度选10mV/DIV挡，微调旋钮到校正位，触发方式选峰值自动，扫描速率选5ms挡，触发极性选正，出发源为内触发CH1，输入耦合方式为AC；(2)接通电源，预热片刻，屏幕上出现光迹，分别调节亮度、聚焦、迹线旋转，使光迹清晰并与水平刻度平行；(3)用10∶1探极把校正信号输入至CH1输入插座，调节CH1位移与X位移，得到校正波形；(4)同上步骤，校正CH2输入。CA8060双踪示波器的使用2.峰-峰电压的测量测量信号波形的峰-峰电压的步骤如下：(1)将信号输入至CH1或CH2输入插座，将垂直方式置于被选用的通道；(2)设置电压衰减器并观察屏幕波形，使显示的波形占屏幕上5格左右，将微调旋至校正位置；(3)调整触发电平使波形稳定(如果是峰值自动，不需调节电平)；(4)调节扫描速率控制器，使屏幕显示至少一个波形周期；(5)调整垂直位移，使波形底部位于屏幕中某一水平坐标上(如图2.72中①点)；(6)调整水平位移，使波形顶部位于屏幕中央的垂直坐标上(如图2.72中②点)；(7)读出垂直方向上①、②点间的格数；(8)按如下公式计算信号的峰-峰电压值(VP-P)VP-P=垂直方向的格数×垂直偏转因数CA8060双踪示波器的使用3.直流电压的测量如果被测信号中含有直流电平，可以测量直流电平的大小。其测量步骤如下：(1)设置面板控制，使屏幕显示一条扫描基线；(2)设置被选用通道的耦合方式为“GND〞，调节垂直位移，使扫描基线位于某一水平线上，如图2.73“测量前〞位置，定义此水平位置为零电压值；(3)将被测信号电压接入被选用的通道插口，将输入耦合方式设为“DC〞，调节电压衰减器，使显示的扫描基线位于屏幕适宜位置，微调旋至校正位置；(4)读出扫描基线在垂直方向上偏移的格数，如图2.73“测量后〞；(5)按以下公式计算被测电压值。V=垂直方向的格数×垂直偏转因数×偏转方向(+或-)CA8060双踪示波器的使用4.时间的测量对被测信号波形上的任意两点间的时间参数可以进行测量，步骤如下：(1)将信号接入CH1或CH2插座，设置垂直方式为被选通道；(2)调整触发电平使屏幕显示波形稳定；(3)将扫描速率微调到校正位置，调整扫速控制器，使屏幕上显示1～2个周期的信号；(4)分别调整垂直移位和水平移位，使波形中需测量的两点位于屏幕中央水平线上；(5)测量两点间的水平线的刻度，按以下公式计算时间间隔S：CA8060双踪示波器的使用5.频率的测量对于重复频率的测量，一般可以按时间测量的步骤测得信号周期，然后对其周期求倒数即可得到信号的频率。2.5.3信号发生器信号发生器和示波器一样，也是电子系统设计中应用最广泛的电子测量仪器之一。信号发生器能产生频率、幅度可连续调节的正弦波、方波或三角波等波形。按照输出的波形种类来分类，常见的有正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器等。下面以Caltek公司的CA1640-20函数信号发生器为例，讲述信号发生器的使用方法。信号发生器1.面板及控件CA1640信号发生器前、后面板的示意图分别如图2.75、图2.76所示。图2.75CA1640信号发生器前面板示意图

图2.76CA1640信号发生器后面板示意图2.5.4直流稳压电源

在电子系统设计中，常常需要有稳定的直流电源供电。直流稳压电源是一种在电网电压或负载变化时，其输出直流电压或电流保持不变的电源装置。现以Caltek公司的CA1713双路直流稳压电源为例说明其功能及使用方法。直流稳压电源1.

CA1713面板及控制件功能说明CA1713直流稳压电源面板示意如图2.77所示。图2.77CA1713直流稳压电源面板示意图直流稳压电源CA1713直流稳压电源面板各功能元件的作用如表2-22所示。序号功能序号功能1电源开关，控制电源通断8右路电压显示2左路输出：0～32V，0～3A9右路电流显示3右路输出：0～32V，0～3A10左路电流显示4固定输出：5V，0～2A11左路电压显示5右路电压调节12左路电流调节6右路电流调节13左路电压调节7按入为跟踪，弹出为独立

表2-22CA1713直流稳压电源功能元件说明表直流稳压电源2.使用方法(1)作为双路可调独立电源使用：将⑦键弹出，那