《电子应用技术项目教程（第4版）》课件 项目4电冰箱冷藏室温控器的安装与调试

电冰箱冷藏室温控器的安装与调试目录学习目标工作任务知识链接知识小结学习目标1.能正确判断反馈类型及电路连接。2.能利用集成运算放大器正确连接各种线性应用电路。3.能正确检测元器件和调试电路。知识目标能力目标了解半导体的基本知识,熟悉二极管、三极管的结构及特性;掌握桥式整流电路的组成,了解集成运放的基本构成和工作特点;了解反馈放大器的基本构成及负反馈放大器对电路性能的影响;理解虚短、虚断和虚地的概念;理解反馈及深度负反馈的概念。熟悉集成运放的线性应用与非线性应用;熟悉负反馈的极性判断、类型,以及4种组态类型。返回素质目标1.树立专业意识、严谨治学等职业素养。2.培养安全意识、规范意识等职业素养。工作任务图4.1电冰箱冷藏室温控器电路原理图

（1）了解电冰箱冷藏室温控器电路的基本结构。

（2）体会集成运放非线性应用——的电压比较器控制电冰箱冷藏室上限温度和下限温度的方法。

（3）掌握继电器与三极管放大器的结合使用，掌握反馈在电冰箱系统中的应用。1.实训目标

（1）各小组制订工作计划,小组成员按分配任务开展工作。（2）识别原理图,明确元器件连接和电路连线。（3）画出装配图。（4）完成电路所需元器件的购买与检测。（5）根据装配图,选择合适的敷铜板焊接、制作电路。（6）自主完成电路功能检测和故障排除。（7）各小组讨论完成电路的详细分析并撰写任务工单。2.任务要求（1）作为冷藏室温度传感器的热敏电阻RT，其阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大。（2）电路组成：由电阻R1、R2和R3组成电冰箱温度下限控制电路，由电阻R4、R5组成电冰箱温度上限控制电路，由集成运放A1、A2和与非门G1、G2组成电压比较及转换输出电路，由继电器KA和三极管VT组成电冰箱压缩机运转控制电路。（3）电路工作原理：因某种原因，冷藏室温度升高，传感器电阻随之减小，运放A1反相输入端和运放A2同相输入端电压随之增大。3.实训电路与说明4.实训设备与元器件

（1）实训设备：模拟数字电路实验装置1台（2）元器件需求明细表。5.安装与调试

安装。电路可以连接在自制的PCB上,也可以焊接在万能板上,或者通过面包板插接。调试。①如果没有负温度系数热敏电阻MF53-502-3950(最小电阻为5kΩ),则实训时可用4.7kΩ的电阻表示电冰箱上限温度时传感器对应的电阻,可用100kΩ的电阻表示电冰箱下限温度时传感器对应的电阻。在温度传感器处可放置一个双掷开关,开关打到一边接4.7kΩ的电阻,打到另一边接100kΩ的电阻。分别观察电路的工作情况。②验证时可用电灯泡代替压缩机观察工作情况。6.评价反馈

评分表(与项目1任务工单的评分表一样)。4.1.1反馈的概念与判断1.集成运放的基本知识集成运放由输入级、中间级、输出级及偏置电路4部分组成,如图4.5所示。集成运放的电路图形符号如图4.6所示。4.1负反馈放大器知识链接图4.5

集成运放的组成图4.6

集成运放的电路图形符号2.反馈的概念将放大器输出回路信号(电压或电流)的部分或全部,通过一定形式的电路(称为反馈网络)返送到输入回路,从而影响(增强或削弱)净输入信号,这种信号的返送过程称为反馈。图4.7

反馈放大器3.反馈极性的判断在判断反馈的类型之前,应看放大器的输出端与输入端之间有无电路连接,以便由此确定有无反馈。不同类型反馈电路的性质是不同的。因此,在分析实际反馈电路时,必须首先判别其属于哪种反馈类型。若反馈信号使净输入信号加强,则称为正反馈;反之,若反馈信号使净输入信号减弱,则称为负反馈。当输入信号与反馈信号在不同节点时,如果两者极性相同,则为负反馈;极性相反,则为正反馈。当输入信号与反馈信号在相同节点时,如果两者极性相同,则为正反馈;极性相反,则为负反馈。图4.8

用瞬时极性法判断反馈极性4.直流反馈与交流反馈如果反馈信号中只有直流成分,即反馈元件只能反映直流量的变化,则称为直流反馈;如果反馈信号中只有交流部分,即反馈元件只能反映交流量的变化,则称为交流反馈。在有些情况下,反馈信号中既有直流成分,又有交流成分,称为交直流反馈。5.电压反馈与电流反馈如果反馈信号取自输出电压,则称为电压反馈[见图4.8(a)],其反馈信号正比于输出电压;如果反馈信号取自输出电流,则称为电流反馈[见图4.8(b)],其反馈信号正比于输出电流。6.串联反馈与并联反馈如果反馈信号在放大器输入端以电压的形式出现,在输入端必定与输入电路串联,这就是串联反馈;如果反馈信号在放大器输入端以电流的形式出现,在输入端必定与输入电路并联,这就是并联反馈。可以通过反馈信号与输入信号在基本放大器输入端的连接方式来判断串、并联反馈。如果反馈信号与输入信号串接在基本放大器输入端的不同节点,则为串联反馈;如果反馈信号与输入信号并接在基本放大器输入端的同一节点,则为并联反馈。由此可知图4.5(a)、(b)、(c)、(d)分别为并联反馈、串联反馈、并联反馈、串联反馈。1.电压串联负反馈图4.9所示为一个电压串联负反馈电路。图中反馈信号(反馈回反相输入端)与输入信号(从同相输入端输入)串接在基本放大器输入端的不同节点,为串联反馈。当uo=0时,uf随之消失,故为电压反馈。按照瞬时极性法,设同相输入信号瞬时极性为⊕,则运放输出信号为⊕,经反馈元件Rf回传至同相输入端也为⊕,结果使运放的净输入信号减小,因此这种反馈的极性为负反馈(当输入信号与反馈信号在不同节点时,如果两者极性相同,则为负反馈)。4.1.2负反馈的四种组态3.电流串联负反馈图4.11

电流串联负反馈放大器4.电流并联负反馈图4.12

电流并联负反馈放大器为了实现反馈,必须有一个既连接输出回路又连接输入回路的中间环节,称为反馈网络。反馈网络一般由电阻、电容组成。反馈放大器可用方框图加以说明,如图4.13所示。4.1.3反馈放大器的一般表达式图4.13

反馈放大器的方框图反馈放大器的一般表达式,又称基本关系式放大器引入负反馈后,会减小放大倍数,但其他性能却可以得到改善,如提高放大倍数的稳定性、展宽通频带、减小非线性失真、产生对输入电阻和输出电阻的影响等。1.减小放大倍数2.提高放大倍数的稳定性4.1.4负反馈对放大器性能的影响3.展宽通频带由于电路电抗元件及三极管本身结电容的存在,放大器放大倍数随频率而变化。即中频段放大倍数扩大,而高频段和低频段放大倍数随频率的升高或降低而减小。这样,放大器的通频带就比较窄,如图4.14fBW所示。4.减小非线性失真非线性失真是由放大器元件的非线性引起的。一个无反馈的放大器虽然设置了合适的静态工作点,但当输入信号较大时,也可使输出信号产生非线性失真。图4.15

负反馈减小非线性失真示意图5.产生对输入电阻和输出电阻的影响(1)对输入电阻的影响。负反馈对输入电阻的影响如图4.16所示。(2)对输出电阻的影响。图4.16

负反馈对输入电阻的影响综合上述,可将负反馈对放大器输入、输出电阻的影响总结列于表4.1。集成运放早期主要应用于信号的运算方面,所以又把它称为运算放大器,其内部实质是一种性能优良的多级直接耦合放大器。它是一种通用性较强的多功能器件,通过把一些特定的半导体器件、电阻及连接导线集中制造在一块半导体基片上,以实现某种功能。由于其体积小、成本低、工作可靠性高、易组装调试,其应用已不再局限于信号的运算方面,几乎在所有的电子技术领域都有应用。4.2集成运放知识链接1.集成运放的主要技术指标为了描述集成运放的性能,方便正确地选用和使用集成运放,必须明确它的主要技术指标的意义。(1)开环差模电压放大倍数Aod。它是指集成运放在开环(无反馈电路)情况下的差模电压放大倍数。这个值越大越好,理想集成运放的开环差模电压放大倍数为无穷大。(2)差模输入电阻Rid。它是指集成运放两输入端在输入差模信号时所呈现的阻抗,其值越大,对上一级放大器或信号源的影响就越小,在理想情况下其值应为无穷大。(3)输出电阻Rod。集成运放在开环工作时,从输出端对地看进去的等效电阻即输出电阻,其大小反映了集成运放的带负载能力,越小带负载能力越强。在理想情况下其值应为零。(4)共模抑制比KCMR。共模抑制比为开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比。通常其比值越大,集成运放抑制共模信号的能力越强。在理想情况下其值应为无穷大。在分析集成运放时,常常将它看作理想集成运放,这样可以简化分析过程,并且计算产生的误差也很小。4.2.1集成运放的概述2.理想集成运放的传输特性(1)在深度负反馈作用下,集成运放工作在线性区。在理想情况下,因为,而uo是一个有限值,故u+=u-,称为虚短,即两个输入端之间的电压为零,但不是真正短路;又因为集成运放的输入阻抗Rid→∞,故i+=i-=0,称为虚断,即输入端相当于断路,但不是真正断路。图4.17

集成运放的电压传输特性(2)在开环或正反馈状态下,集成运放工作在非线性区即饱和区。输出电压是一个恒定值,可正可负。若u+>u-,则输出uo=+uomax;若u+<u-,则输出uo=-uomax。在非线性区,集成运放的差模输入电压u+-u-可能较大,即u+≠u-,此时虚短不复存在。在非线性区,虽然集成运放两个输入端的电位不等,但因为理想集成运放的Rid→∞,故仍可认为理想集成运放的输入电流等于零,即i+=i-=0。此时,虚断仍然成立。集成运放和外接电阻、电容构成比例、加法和减法、微分和积分等基本运算电路,这些运算电路都存在负反馈电路,因此都工作在线性区。在分析这些电路时,可利用集成运放在线性区虚短和虚断的特点进行分析,推导出相应的运算公式。4.2.2集成运放的线性应用1.反相比例运算电路反相比例运算电路又称反相放大器,如图4.18所示。输入电压ui经R1加到集成运放的反相输入端,输出电压uo经Rf反馈至反相输入端,形成深度的电压并联负反馈,集成运放工作在线性区。其同相输入端经电阻R2接地。根据虚短和虚断的特点,u+=u-且u+=0,故u-=0。这表明集成运放反相端与地端等电位,但不是真正接地,称为虚地。图4.18

反相比例运算电路例4.2

在图4.18中,已知Rf=400Ω,R1=20Ω,求电压放大倍数Auf及平衡电阻R2的值。2.同相比例运算电路图4.19所示为同相比例运算电路。输入电压ui经R2加到集成运放的同相输入端,其反相输入端经R1接地。输出电压uo经Rf和R1分压后,取R1上的分压作为反馈信号加到集成运放的反相输入端,形成负反馈,集成运放工作在线性区。图4.19

同相比例运算电路在uo与ui的比例关系中,是一个定值,且总大于或等于1,输出电压和输入电压同相,电压放大倍数Auf只取决于Rf和R1,而与集成运放内部各参数无关。如果在同相比例运算电路中,Rf=0或R1=∞(开路),uo=ui,就可得到如图4.20所示的电路,输出电压等于输入电压,并且相位相同,这种电路称为电压跟随器。图4.20

电压跟随器3.加法运算电路加法运算电路如图4.21所示,电路对多个输入信号求和。它在反相比例运算电路的基础上,在反相输入端增加输入信号。图4.21

加法运算电路4.减法运算电路减法运算电路如图4.22所示,电路所完成的功能是对反相输入端和同相输入端的输入信号进行比例减法运算,分析电路可知,它相当于由一个同相比例放大器和一个反相比例放大器组合而成。图4.22

减法运算电路例4.3

图4.23所示为电压放大倍数连续可调的运放电路。已知R1=R2=10kΩ,Rf=20kΩ,RP=20kΩ。求电压放大倍数的调节范围。解:当滑动变阻器的滑片调至最上端时,同相输入端接地,电路成为单一的反相比例运算电路,这时电压放大倍数为当滑动变阻器的滑片调至最下端时,这时电路成为减法运算电路,这时电压放大倍数为因此,电压放大倍数的调节范围是-2~2。5.积分运算电路图4.24所示为积分运算电路,它是在反相比例运算电路的基础上把电阻Rf用电容Cf代替作为负反馈元件。由虚短u+=u-=0及虚断i+=i-=0可得输出电压uo等于电容两端的电压,即R1Cf称为积分时间常数,用τ表示,其值的大小反映了积分的强弱。图4.24

积分运算电路6.微分运算电路将积分运算电路的R1和Cf位置互换就构成了微分运算电路,如图4.25所示。由虚短和虚断概念可知图4.25

微分运算电路当集成运放工作于开环状态时,由于开环电压放大倍数很高,即使输入端有一个非常微小的差值信号,也会使集成运放达到饱和,所以集成运放工作在非线性区。电压比较器是最常见的由工作在非线性区的集成运放组成的应用。电压比较器是将输入电压与基准电压进行比较,并将比较结果以高电平或低电平的形式输出,其输入是连续变化的模拟信号,而输出是数字电压波形。电压比较器经常应用在波形变换、信号发生、模/数转换等电路中。4.2.3集成运放的非线性应用——电压比较器1.基本电压比较器由理想集成运放的非线性区的特点可知。当输入电压ui>UREF时,uo=-Uomax;当输入电压ui<UREF时,uo=Uomax。由此可看出,输出电压具有两个稳定值,同时可绘制电压比较器的输入、输出电压关系曲线,也叫作电压传输特性曲线,如图4.26所示。图4.26

基本电压比较器的电路和电压传输特性如果把R2左端接地,即UREF=0,这时电路成为过零电压比较器。其电路和电压传输特性如图4.27所示。过零电压比较器能将输入的正弦波转换成矩形波,如图4.28所示。有时为了获取特定输出电压或限制输出电压,在输出端采用稳压管限幅,如图4.29所示。图4.27

过零电压比较器的电路和电压传输特性图4.28

过零电压比较器波形图4.29

输出端采用稳压管限幅当输入电压ui大于基准电压UREF时,UZ正向导通,不考虑二极管正向管压降时,输出电压uo=0。当输入电压ui小于基准电压UREF时,UZ反向导通限幅,不考虑二极管正向管压降时,输出电压uo=UZ。因此,输出电压被限制在0~UZ。为了保护集成运放,防止因输入电压过高而损坏集成运放,在集成运放的两输入端之间并联两只二极管进行限幅,使过大的电压或干扰