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模电答案第八章
&&模拟电路的答案
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模拟电子技术基础实验教程教材内容依照教学规律按照由浅入深、循序暂进的学习和能力培养原则，分层次 安排实验内容，后一层次的内容以前一层次为基础，逐步加深。 模拟电子技术基础实验教程 肇庆学院光机电一体化综合性实验教学示范中心实 验教材之五 模拟电子技术基础 实 验 教 程 肇庆学院电子信息与机电工程学 院 编 二 00 八年九月 前 言这本教材是为肇庆学院光机电一体化综合性实验 教学示范中心编写的。 根据实验教学示范中心建设立项对教材建设的要求，结合 教学实践、教学条件以及学生实际情况，编写了这本实用的、符合当前教学改革 需要的《模拟电子技术基础实验指导书》。教材内容保持与本课程的教学大纲一 致，依照教学规律按照由浅入深、循序暂进的学习和能力培养原则，分层次安排 实验内容，后一层次的内容以前一层次为基础，逐步加深。 教材内容按照基础 实验、综合性实验、设计性实验三部分编写，既相互独立，又相互联系，可根据 不同专业教学需要、培养目标进行取舍、组合，构建出不同的实验教学模块。编 写过程力争既切合学生学习的实际情况，又能结合实验基础和实验条件，使实验 内容可以实现保障学生掌握模拟电子电路原理，掌握电子电路性能参数的调试、 测试方法、故障分析排除等基本能力。锻炼、培养学生具有初步的模拟电子电路 的综合分析和设计电路的能力。另外，还为根据不同的实验教学时数，在实验的 数量上、 内容的难易程度上保留了充分的选择余地， 可以照顾不同实验课时需要， 也可以照顾到不同学习水平的学生因人而异， 因材施教地选择实验学习内容。 由 于编者的能力和水平所限， 对于编写原则和书中具体内容的欠缺、疏漏和错误之 处，恳请各位同行、专家多加指正。 编者 麻幼学
目 录 前言目录 第一章 绪论 一、电子技术实验的性质与任 务 ??????????????1 二、电子技术实验的基本程 序 ???????????????2 三、电子技术实验的操作规 程 ???????????????3 四、实验报告的编写与要 求 ????????????????5 第二章 基础实验 实验一 常用电子 元器件的测试 ???????????????7 实验二 晶体管共射极单管 放大器 ??????????????12 实验三 负反馈放大 器 ??????????????????21 实验四 集成运算放大器的基 本应用（ 模拟运算电路 ）????26 实验五 低频功率放大电 路 ?????????????????32 实验六 直流稳压电 源 ???????????????????34 第三章 综合性设计实验 实 验七 音频功率放大电路的设计 ??????????????38 实验八 低 频函数信号发生器的设计 ?????????????45 实验九 低频数字频 率计的设计 ???????????????63 实验十 数控直流稳压电源 的设计??????????????74 第四章 模拟电路设计实验 实验十 一 负反馈放大电路 ?????????????????84 实验十二 比例 求和运算电路????????????????86 实验十三 有源滤波电路 实验????????????????88 实验十四 波形产生电路实 验????????????????90 实验十五 集成放大电 路??????????????????92 实验十六 集成稳压&&&&器 ??????????????????94 附录 A. TDS1002 型示波 器 ???????????????????95 B. MF500 型指针式万用表的 使用方法 ????????????110 C. DZX-1 型电子学综合实验装置使用 说明 ??????????112 参考文 献 ??????????????????????????115 第一章 绪 论 一、电子技术实验的性质与任务 电子工作者通过实验的方法和手段，分析器 件、电路的工作原理，完成器件、电路性能指标的检测，验证和扩展器件、电路 的功能及其使用范围，设计并组装各种实用电路和整机。 通过实验手段，使学 生获得电子技术方面的基本知识和基本技能， 并运用所学理论来分析和解决实际 问题，提高实际工作的能力。熟练地掌握电子实验技术，无论是对从事电子技术 领域工作的工程技术人员， 还是对正在进行本课程学习的学生来说，都是极其重 要的。 电子技术实验可以分为以下三个层次：第一个层次是验证性实验，它主 要是以电子元器件特性、参数和基本单元电路为主，根据实验目的、实验电路、 仪器设备和较详细的实验步骤， 来验证电子技术的有关理论， 从而进一步巩固所 学基本知识和基本理论。 第二个层次是综合性和提高性实验，它主要是根据给定 的实验电路，由学生自行选择测试仪器，拟定实验步骤，完成规定的电路性能指 标测试任务。 第三个层次是设计性实验， 学生根据给定的实验题目、 内容和要求， 自行设计实验电路， 选择合适的元器件并组装实验电路， 拟定出调整、 测试方案， 最后使电路达到设计要求， 这个层次的实验，可以培养学生综合运用所学知识和 解决实际问题的能力。 实验的基本任务是使学生在“基本实践知识、基本实验 理论和基本实验技能”三个方面受到较为系统的教学与训练，以逐步培养他们 “爱实验、敢实验、会实验”，成为善于把理论与实践相结合的专门人材。 电 子技术实验内容极其丰富，涉及的知识面也很广，并且正在不断充实、更新。在 整个实验过程中， 对于示波器、 信号源等常用电子仪器的使用方法； 频率、 相位、 时间、脉冲波形参数和电压、电流的平均值、有效值、峰值以及各种电子电路主 要技术指标的测试技术； 常用元、 器件的规格与型号， 手册的查阅和参数的测量； 小系统的设计、组装与调试技术；以及实验数据的分析、处理能力。 为确保实 验教学质量，应该采取下列基本教学方法和措施： 1．强调以实验操作为主，实 验理论教学为辅。 围绕和配合各阶段实验的教学内容和要点，进行必要的和基本 的实验理论教学。2． 采用&多媒体教学&等多种手段， 以提高实验教学效果。3． 按 照基本要求，分阶段进行实验。 前阶段进行基本实验，每个基本实验着重解决 两至三个基本问题。 注意让某些重要的实验内容出现适当的重复，以加深印象和 熟练操作。 后阶段着重安排一些中型或大型实验，主要用于培养综合运用实验 理论和加强实践技能的训练， 特别应注意在理论指导下提高分析问题和解决问题 的能力，例如：对实验中出现的一些现象能做出正确的解释，并在此基础上有能 力解决一些实际问题。 4．贯彻因材施教的原则，对不同程度的学生提出不同的 要求。 在完成规定的基本实验内容后，允许程度较好的学生选做加做某些实验内 容。 5．以严格的实验制度，确保实验教学质量。 要求做到实验前有&预习&， 实验后有&报告&，阶段有&总结&，期末有&考核&。考核内容包括实验理论、实验 技能和基本实践知识三个方面， 以口试、笔试和实际操作相结合的方式在期中或 期末进行。 二、电子技术实验的基本程序 电子技术实验的内容广泛，每个实验 的目的、步骤也有所不同，但基本过程却是类似的。为了达到每个实验的预期效 果，要求参加实验者做到： 1.实验前的预习 为了避免盲目性，使实验过程有条 不紊地进行， 每个实验前都要做好以下几个方面实验准备： （1） 阅读实验教材，&&&&明确实验目的、任务，了解实验内容及测试方法。 （2）复习有关理论知识并掌 握所用仪器的使用方法， 认真完成所要求的电路设计、 实验底板安装等任务。 （3） 根据实验内容拟好实验步骤，选择测试方案。 （4）对实验中应记录的原始数据 和待观察的波形， 应先列表待用。 2.测试前的准备 上好实验课并严格遵守实验 操作规则，是提高实验效果，保证实验质量的重要前提。在线路按要求安装完毕 即将通电测试前，应做好以下准备工作： (1)首先检查 220V 交流电源和实验所 需的元器件、仪器仪表等是否齐全并符合要求，检查各种仪器面板上的旋钮，使 之处于所需的待用位置。 例如直流稳压电源应置于所需的档级，并将其输出电压 调整到所要求的数值。 切勿在调整电压前随意与实验电路板接通。 (2)对照实验 电路图， 对实验电路板中的元件和接线进行仔细的寻迹检查，检查各引线有无接 错，特别是电源与电解电容的极性有否接反，各元件及接点有无漏焊、假焊，并 注意防止碰线短路等问题。经过认真仔细检查，确认安装无差错后，方可按前述 的接线原则，将实验电路板与电源和测试仪器接通。 三、电子技术实验的操作 规程 和其它许多实践环节一样，电子技术实验也有它的基本操作规程。电子技 术工作者经常要对电子设备进行安装、调试和测量，因此，要求同学们一开始就 注意培养正确、良好的操作习惯，并逐步积累经验，不断提高实验水平。 1.实 验仪器的合理布局 实验时，各仪器仪表和实验对象（如实验板或实验装置等） 之间，应按信号流向，并根据连线简捷、调节顺手、观察与读数方便的原则进行 合理布局。 图绪-1 为实验仪器的一种布局形式。输入信号源置实验板的左侧， 图绪-1 实验仪器的布局 测试用的示波器与电压表置实验板的右侧， 实验用的直 流电源放中间。 2.电子实验器上的接插、安装与布线 目前，在实验室中常用的 各类电子技术实验台， 通常有一块或数块多孔插座板。利用这些多孔插座板可以 直接接插、安装和连接实验电路而无需焊接。然而，正确和整齐的布线在这里显 得极为重要。这不仅是为了检查、测量的方便，更重要的是可以确保线路稳定可 靠地工作，因而是顺利进行实验的基础。实践证明，草率的和杂乱无章的接线往 往会使线路出现难以排除的故障，以致最后不得不重新接插和安装全部实验电 路，浪费了很多时间。为此，在多孔插座板上接插安装时应注意做到以下几点： (1)首先要弄清楚多孔插座板和实验台的结构（可参见附录），然后根据实验台 的结构特点来安排元器件位置和电路的布线。一般应以集成电路或晶体管为中 心，并根据输入、输出分离的原则，以适当的间距来安排其它元件。最好先画出 实物布置图和布线图，以免发生差错。 (2)接插元器件和导线时要非常细心。接 插前，必须先用钳子或镊子把待插元器件和导线的插脚弄平直。接插时，应小心 地用力插入，以保证插脚与插座间接触良好。实验结束时，应一一轻轻拔下元器 件和导线， 切不可用力太猛。 注意接插用的元器件插脚和连接导线均不能太粗或 太细，一般以线径为 0.5mm 左右为宜，导线的剥线头长度约 10mm。 (3)布线的 顺序一般是先布电源线与地线， 然后按布线图，从输入到输出依次连接好各元器 件和接线。在可能条件下应尽量做到接线短、接点少，但同时又要考虑到测量的 方便。 (4)在接通电源之前，要仔细检查所有的连接线。特别应注意检查各电源 的连线和公共地线是否接得正确。查线时仍以集成电路或三极管的引脚为出发 点，逐一检查与之相连接的元件和连线，在确认正确无误后方可接通电源。 3. 正确的接线规则 (1)仪器和实验板间的接线要用颜色加以区别，以便于检查，如 电源线（正极）常用红色，公共地线（负极）常用黑色。接线头要拧紧或夹牢， 以防接触不良或因脱落而引起短路。 (2)电路的公共接地端和各种仪表的接地端 应连接在一起， 既作为电路的参考零点 （即零电位点） 同时又可避免引起干扰， ，&&&&如图绪-2 所示。在某些特殊场合， 图绪-2 仪器与实验电路板的连接 还需将一 些仪器的外壳与大地接通， 这样可避免外壳带电而确保人身和设备安全，同时又 能起到良好的屏蔽作用。 如在焊接和测试 MOS 元件时，电烙铁和测试仪器均要接 大地， 以防它们漏电而造成 MOS 元件的击穿。 (3)信号的传输应采用具有金属外 套的屏蔽线，而不能用普通导线。并且屏蔽线外壳要选择一点接地，否则又可能 引进干扰，而使测量结果和波形异常，如图绪-3 所示。 (a)采用普通导线会引 入电磁干扰 (b)采用屏蔽线避免了干扰图绪-3 外界电磁干扰与屏蔽 4.注意人 身和仪器设备的安全 (1)注意安全操作规程， 确保人身安全 为了确保人身安全， 在调换仪器时须切断实验台的电源。另外为防止器件损坏，通常要求在切断实验 电路板上的电源后才能改接线路。 仪器设备的外壳如能良好接大地，可防止机 壳带电，以保证人身安全。在调试时，要逐步养成用右手进行单手操作的习惯， 并注意人体与大地之间有良好的绝缘。 (2)爱护仪器设备，确保仪器和实验设备 的使用安全 在使用仪器过程中，不必经常开关电源。因为多次开关电源往往会 引起冲击，结果反而使仪器的使用寿命缩短。 切忌无目的地随意板弄仪器面板 上的开关和旋钮。实验结束后，通常只要关断仪器电源和实验台的电源，而不必 将仪器的电源线拔掉。 为了确保仪器设备的安全，在实验室配电柜、实验台及 各仪器中通常都安装有电源保险丝。仪器使用的保险丝，常用的有 0.5A，1A， 2A，3A 和 5A 等几种规格，应注意按规定的容量调换保险丝，切忽随意代用。 要 注意仪表允许的安全电压（或电流），切勿超过！当被测量的大小无法估计时， 应从仪表的最大量程开始测试，然后逐渐减小量程。 四、实验报告的编写与要 求 实验报告是实验结果的总结和反映，也是实验课的继续和提高。通过撰写实 验报告，使知识条理化，可以培养学生综合问题的能力。一个实验的价值在很大 程度上取决于报告质量的高低， 因此对编写好实验报告必须予以充分的重视。编 写一份高质量的实验报告必须做好以下几个环节： 1．以实事求是的科学态度认 真做好各次实验。 （1）在实验过程中，对读测的各种实验原始数据应按实际情 况记录下来，不应擅自修改，更不能弄虚作假。 （2）对测量结果和所记录的实 验现象，要会正确分析与判断，不要对测量结果的正确与否一无所知，以致出现 因数据错误，而重做实验的情况。 如果发现数据有问题，要认真查找线路并分 析原因。数据经初步整理后，再请指导教师审阅，然后才可拆线。 2．实验报告 的主要内容包括以下几个方面 （1）实验目的。 （2）实验电路、测试方法和测 试设备。 （3）实验的原始数据，波形和现象，以及对它们的处理结果。 （4） 结果分析及问题讨论。 （5）收获和体会。 （6）记录所使用仪器的规格及编号 （以备以后复核）。 在编写实验报告时，常常要对实验数据进行科学的处理， 才能找出其中的规律，并得出有用的结论。常用的数据处理方法是列表和作图。 实验所得的数据可分类记录在表格中，这样便于对数据进行分析和比较。实验结 果也可绘成曲线，直观地表示出来。在作图时，应合理选择坐标刻度和起点位置 （坐标起点不一定要从零开始），并要采用方格纸绘图。当标尺范围很宽时，应 采用对数坐标纸。另外，在波形图上通常还应标明幅值、周期等参数。 第二章 基础实验 实验一 常用电子元器件的测试 一、实验目的 1．对电阻器、电位器、 电容器、电感器、变压器、晶体二极管、晶体三极管等常用电子元件进行实物识 别，并且了解它们的命名方法和主要技术指标。 2．学习用万用表对电阻、电位 器、电容、电感器、变压器、二极管、三极管等常用电子元件的测试方法。二、 实验原理 1．常用电子元件的参数测试 电阻器电阻器按阻值可不可调分为固定 式电阻器、 可变式电阻器。 电阻器的特性指标主要有额定功率， 阻值和容许误差。&&&&额定功率的选用应比其在电路中实际消耗功率大 1.5 至 2 倍为宜， 以提高设备可 靠性， 延长使用寿命。由于生产工艺的影响允许电阻实测值和标称值之间有一定 的误差范围， 选用者在成本允许的情况下应选用误差小的高精度电阻。电阻的标 称值及容许误差常用色环表示,各颜色代表的数值如下: 黑 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 金 银 无色 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 -2 ±1% ±2% ±0.5%±0.25%±0.1% ±5% ±10% ±20% 常见的色环电阻为四色环和五色环 电阻， 其中最后一个色环代表容许误差，倒数第二个色环代表应乘 10 的方次数， 其它色环代表有效数字，注意;一般色环电阻的最后两个色环间距较大，而且金 银色环不会是第一个色环。 举例: 标称值为: .75Ω ,容许误差为: 5% 。 电阻好坏的判别方法: 看其实测值是否在标称值的容许误差范围内。如上例，当 实测值在 1.75x(1 士 5%)Ω 范围内时，则该电阻是好的，或者说质量合格。电位 器好坏的判别方法: 测其两定片间阻值应为标称值，测动片和定片间阻值，且将 电位器从一个极端慢慢旋转到另一个极端，其阻值应在零和标称值之间连续变 化，整个过程表针不应有跳动现象。电容器的测量 一般应借助于专门的测试仪 器来进行， 常用的有万用电桥等，利用它可以方便地测定电容器的容量大小和损 耗等参数。 此处简单介绍如何利用模拟万用表的电阻档来粗略地检查电解电容器 是否失效和漏电。测试前，先将电解电容的两引出线短接一下，使其原先所充的 电荷释放。然后将万用表置于 1k? 档，并将电解电容的正极和负极分别接模拟 万用表的黑色测试笔和红色测试笔，如图 1-1 所示。正常情况下，可以看到表头 指针先是产生向右较大的偏转，以后逐渐地向原位（即高阻值）返回，最后停止 在原始位置上，这反映了电容器的充电过程。一般来说，表头指针偏转越大，返 回速度越缓慢， 则说明电容器的容量越大。 若表头指针返回到接近零位 （高阻值） ， 说明电容器的漏电阻很大。 若表头指针停留在某一位置上，此时表针所指示的电 阻值，即为该电容器的漏电阻。合格的电解电容器，漏电阻通常在 500kΩ 以上。 若电解电容失效（电解液干涸，容量大幅度下降），则测量时表头指针偏转就很 小，甚至不偏转。已被击穿的电容器，漏电阻阻值接近于零。漏电阻太小的电解 电容器不能在电路中使用， 否则会影响电路的正常工作。 对于容量较小的电容器， 如云母电容、金属化纸介电容等，也可以用同样的方法进行检查，但由于它们容 量较小，指针偏转也很小，返回速度又很快，实际上用万用表已很难对它们的性 能指标进行测量，最好是使用专门的测试仪器。若用万用表进行测试，则仅能检 查它们是否通（因击穿而短路）、断（因失效而开路），这时万用电表的电阻档， 应选用 10k? 档进行测量。 图 1-1 用万用表测量电容电路图 电感器与变压器 电感器主要参数是电感且， 对于常见的电源变压器，主要参数是输入输出电压以 及功率。 电感器与变压器好坏的判别方法: 好的电感器与变压器的线田电阻应 该铰小，变压器两个线田绕组之间以及线田绕组与铁(磁)芯之间应该是绝缘的。 晶体二极管 晶体二极管的最大特点是单向导电特性：正向偏置时（阳极接电源 正端，阴极接负端），二极管正向导电，管子中流过较大的电流，此时，二极管 的等效直流电阻很小；反向偏置时（阳极接电源负端，阴极接正端），二极管截 止，二极管中仅仅流过反向漏电流，所以，其等效直流电阻很大。用模拟万用表 判别二极管时，应将模拟万用表量程置于电阻档。若将黑色测试笔一端（它与内 电池正极相连）接二极管的阳极，红色测试笔一端接二极管的阴极，如图 1-2 所示，则二极管处于正向偏置状态，二极管正向导电，因而有较大的电流流过表 头，万用表指示低电阻值。反之，如果黑色测试笔接二极管阴极，红色测试笔接 二极管阳极， 则二极管处于反向偏置状态， 流过电流很小， 万用表指示高电阻值。&&&&因此， 根据两种不同方式下测得的电阻值大小就可以判别二极管的极性。用数字 万用表判别二极管时，应该将万用表的量程档位放置在二极管符号档 SHAPE \* MERGEFORMAT 。此时红色测试笔（它与内电池正极相连）接二极管的阳极，黑色 测试笔接二极管的阴极， 则二极管处于正向偏置状态，万用表指示的是二极管导 通电压。反之，如果红色测试笔接二极管阴极，黑色测试笔接二极管阳极，则二 极管处于反向偏置状态，万用表指示开路。 图 1-2 用万用表判别二极管极性 晶体三极管 晶体三极管从结构上可以看成是由两个背靠背的 PN 结组成。对 NPN 型管来说，基极是两个等效二极管的公共“阳极”；对 PNP 型管来说，基极 则是它们的公共“阴极”， 如图 1-3 所示。 因此， 判别出三极管的基极是公共“阳 极”还是公共“阴极”，即能判别出三极管是 NPN 型还是 PNP 型。 (a) NPN 型 三极管 (b) 三极管 PNP 型 图 1-3 晶体三极管的等效结构用模拟万用表电阻 档可以判别三极管的发射极与集电极，以 PNP 型晶体管为例，其测试电路如图 1-4 所示。若用红色测试笔接 c 极，黑色测试笔接 e 极，这时万用表指示的电阻 值就反映了穿透电流 ICEO 的大小（电阻值小，表示 ICEO 大）。如果 c、b 极之 间再跨接一只 Rb=100kΩ 的电阻，此时由于有 IB 流过，因此万用表指示的电阻 值就反映了集电极电流 IC=β IB+ICEO 的大小。通常 β &&1，所以 IC 明显增加， 万用表指示的电阻值将比跨接 Rb 前显著减小（指示的电阻值减小越多，表示 β 值越大）。反之，如果将红色测试笔接 e 极，黑色测试笔接 c 极（相当于将三极 管 c－e 极之间的电源反接），则跨接 Rb 后三极管处于倒置（集电极 c 和发射极 e 互换使用）状态，此时，电流放大系数 β R 很小（一般 β R&&1）。因此，万用 表指示的电阻值变化不大。据此原理，即可判别 c、e 极。 (a)跨接 Rb 前 （b） 跨接 Rb 后 图 1-4 用万用表判别 c、e 电极 对常用电子元、器件的测量，可以 做如下内容：（1）任意选取两个电阻，用万用表测出两个电阻的阻值，并与其 色环所指标的电阻值进行比较。（2）查看电解电容器上的规格和极性标记，并 用万用表测出任意两个电容器的漏电阻值。（3）用万用表电阻档的不同档位测 量二极管的正、反向电阻阻值，分析二极管正、反向电阻阻值差异的原因。（4） 用万用表判别 NPN 型和 PNP 型管类型和管脚 c、e，画出底视图。 三、实验设备 与器件 电阻两只，电位器一只·电容三只，电感一只，变压器一只·二极管两 只，三极管两只，500 型万用表一台。四、实验内容 1.测试并记录以下数据， 判定好坏: 2.据以上数据判断各元件的好坏并陈述其理由,判定三极管的管脚。 五、实验报告 1．记录被测电路的实验数据，整理相关实验结果。 2．分析实验 误差及原因。 3．问题讨论（1）为什么用模拟万用表的不同电阻档测量同一只 二极管的正向电阻时，会有不同的测量结果？（2）为什么用模拟万用表的同一 个电阻档测量不同材料制成的二极管时，会有不同的测量结果？（3）如何用万 用表判别 NPN 型或 PNP 型三极管的基极、集电极和发射极？六、预习要求预习本 实验内容。 实验二 晶体管共射极单管放大器一、实验目的 1.学会放大器 静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。 2.掌握放 大器电压放大倍数、 输入电阻、 输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。 3. 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。 二、实验原理 图 2-1 为电阻分 压式工作点稳定单管放大器实验电路图。 它的偏置电路采用 RB1 和 RB2 组成的分 压电路，并在发射极中接有电阻 RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器 的输入端加入输入信号 ui 后，在放大器的输出端便可得到一个与 ui 相位相反， 幅值被放大了的输出信号 u0， 从而实现了电压放大。 图 2-1 共射极单管放大器 实验电路 在图 2-1 电路中，当流过偏置电阻 RB1 和 RB2 的电流远大于晶体管 T&&&&的基极电流 IB 时（一般 5～10 倍），则它的静态工作点可用下式估算 UCE＝UCC －IC （RC＋RE） 电压放大倍数 输入电阻 Ri＝RB1 // RB2 // rbe 输出电阻 RO≈RC 由于电子器件性能的分散性比较大， 因此在设计和制 作晶体管放大电路时， 离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参 数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放 大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调 整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握 必要的测量和调试技术。 放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作 点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。 1.放大器静态工作点的测量与调试 1) 静态工作点的测量 测量放大器 的静态工作点，应在输入信号 ui＝0 的情况下进行， 即将放大器输入端与地端 短接， 然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极 电流 IC 以及各电极对地的电位 UB、UC 和 UE。一般实验中，为了避免断开集电 极，所以采用测量电压 UE 或 UC，然后算出 IC 的方法，例如，只要测出 UE，即 可用算出 IC（也可根据，由 UC 确定 IC），同时也能算出 UBE＝UB－UE，UCE＝ UC－UE。 为了减小误差， 提高测量精度， 应选用内阻较高的直流电压表。 2) 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流 IC （或 UCE） 的调整与测试。 静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影 响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时 uO 的负 半周将被削底，如图 2-2(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即 uO 的正 半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图 2-2(b)所示。这些情况 都不符合不失真放大的要求。 所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在 放大器的输入端加入一定的输入电压 ui，检查输出电压 uO 的大小和波形是否满 足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。 (a) (b) 图 2-2 静态工作点 对 uO 波形失真的影响 改变电路参数 UCC、RC、RB（RB1、RB2）都会引起静态工 作点的变化，如图 2-3 所示。但 图 2-3 电路参数对静态工作点的影响 通常多 采用调节偏置电阻 RB2 的方法来改变静态工作点，如减小 RB2，则可使静态工作 点提高等。 最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝 对的，应该是相对信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较 低也不一定会出现失真。 所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点 设置配合不当所致。 如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交 流负载线的中点。 2.放大器动态指标测试 放大器动态指标包括电压放 大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态范围）和通频带等。 1) 电压放大倍数 AV 的测量 调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输 入电压 ui，在输出电压 uO 不失真的情况下，用交流毫伏表测出 ui 和 uo 的有效 值 Ui 和 UO，则 2) 输入电阻 Ri 的测量 为了测量放大 器的输入电阻，按图 2-4 电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知 电阻 R，在放大器正常工作的情况下， 用交流毫伏表测出 US 和 Ui，则根据输入 电阻的定义可得 图 2-4 输入、输出电阻测量电路 测量时应注意下列几点: ① 由于电阻 R 两端没有电路公共接地点，所以测量 R 两端电压 UR 时必须分别 测出 US 和 Ui，然后按 UR＝US－Ui 求出 UR 值。 ② 电阻 R 的值不宜取得过 大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取 R 与 Ri 为同一数量级为好，本实 验可取 R＝1～2KΩ 。 3) 输出电阻 R0 的测量 按图 2-4 电路，在放大 器正常工作条件下，测出输出端不接负载 RL 的输出电压 UO 和接入负载后的输&&&&出电压 UL，根据 即可求出 在测试中应注意，必须保持 RL 接入前后 输入信号的大小不变。 4) 最大不失真输出电压 UOPP 的测量（最大动态范 围） 如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中 点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节 RW （改变静态工作点），用示波器观察 uO，当输出波形同时出现削底和缩顶现象 （如图 2-5）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入 信号， 使波形输出幅度最大， 且无明显失真时， 用交流毫伏表测出 UO （有效值） ， 则动态范围等于。或用示波器直接读出 UOPP 来。 图 2-5 静态工作点正常，输 入信号太大引起的失真 5) 放大器幅频特性的测量 放大器的幅频特性是指 放大器的电压放大倍数 AU 与输入信号频率 f 之间的关系曲线。单管阻容耦合放 大电路的幅频特性曲线如图 2-6 所示，Aum 为中频电压放大倍数，通常规定电压 放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的倍，即 0.707Aum 所对应的频率分别 称为下限频率 fL 和上限频率 fH，则通频带 few＝fH－fL 3CG 9012(PNP) 图 2-6 幅频特性曲线 图 2-7 三极管管脚排列放大器的幅率特性就是测量不同频率信 号时的电压放大倍数 AU。 为此， 可采用前述测 AU 的方法， 每改变一个信号频率， 测量其相应的电压放大倍数， 测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多 测几点，在中频段可以少测几点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度 不变，且输出波形不得失真。三、实验设备与器件 1.＋12V 直流电源 2.函数信号发生器 3.双踪示波器 4.交流毫伏表 5.直 流电压表 6.直流毫安表 7.频率计 8.万用电表 9.晶体三极管 3DG6×1(β ＝50～100)或 9011×1 （管脚排列如图 2-7 所示） 电 阻器、电容器若干 四、实验内容 实验电路如图 2-1 所示。为防止干扰，各 仪器的公共端必须连在一起， 同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专 用电缆线或屏蔽线， 如使用屏蔽线， 则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。 1.调试静态工作点 接通直流电源前，先将 RW 调至最大， 函数信号发生器输出 旋钮旋至零。接通＋12V 电源、调节 RW，使 IC＝2.0mA（即 UE＝2.0V）， 用直 流电压表测量 UB、UE、UC 及用万用电表测量 RB2 值。记入表 2－1。表 2－1 记 录静态工作点（IC＝2mA） 测 量 值 计 算 值 UB（V） UE（V） UC（V） RB2 （KΩ ） UBE（V） UCE（V） IC（mA） 2.测量电压放大倍数 在放大器输入端 加入频率为 1KHz 的正弦信号 uS，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入 电压 Ui10mV，同时用示波器观察放大器输出电压 uO 波形，在波形不失真的条件 下用交流毫伏表测量下述三种情况下的 UO 值，并用双踪示波器观察 uO 和 ui 的 相位关系，记入表 2－2。 3.观察静态工作点对电压放大倍数的影响 置 RC ＝2.4KΩ ，RL＝∞，Ui 适量，调节 RW，用示波器监视输出电压波形，在 uO 不失 真的条件下，测量数组 IC 和 UO 值，记入表 2－3。测量 IC 时，要先将信号源输 出旋钮旋至零（即使 Ui＝0）。表 2－2 测量电压放大倍数 （Ic＝2.0mA Ui ＝ mV） RC（KΩ ） RL(KΩ ) Uo(V) AV 观察记录一组 uO 和 u1 波形 2.4 ∞ 1.2 ∞ 2.4 2.4 表 2－3 静态工作点对电压放大倍数的影响 （RC＝2.4KΩ RL＝ ∞ Ui＝ mV） IC(mA) 2.0 UO(V) AV 4.观察静态工作点对输出波形失真 的影响 置 RC＝2.4KΩ ，RL＝2.4KΩ ， ui＝0，调节 RW 使 IC＝2.0mA，测出 UCE 值，再逐步加大输入信号，使输出电压 u0 足够大但不失真。 然后保持输入信 号不变，分别增大和减小 RW，使波形出现失真，绘出 u0 的波形，并测出失真情 况下的 IC 和 UCE 值，记入表 2－4 中。每次测 IC 和 UCE 值时都要将信号源的输 出旋钮旋至零。表 2－4 静态工作点对输出波形失真的影响 （RC＝2.4KΩ RL&&&&＝∞ Ui＝ mV） IC(mA) UCE(V) u0 波形 失真情况 管子工作状态 2.0 5.测量 最大不失真输出电压 置 RC＝2.4KΩ ，RL＝2.4KΩ ，同时调节输入信号的幅度和 电位器 RW， 用示波器和交流毫伏表测量 UOPP 及 UO 值， 记入表 2－5。 2－5 最 表 大不失真输出电压 （RC＝2.4K RL＝2.4K） IC(mA) Uim(mV) Uom(V) UOPP(V) *6. 测量输入电阻和输出电阻 置 RC＝2.4KΩ ，RL＝2.4KΩ ，IC＝2.0mA。输入 f ＝1KHz 的正弦信号，在输出电压 uo 不失真的情况下，用交流毫伏表测出 US，Ui 和 UL 记入表 2-6。 保持 US 不变，断开 RL，测量输出电压 Uo，记入表 2-6。表 2-6 测量输入电阻和输出电阻 （Ic＝2mA Rc＝2.4KΩ RL＝2.4KΩ ） US(mv) Ui(mv) Ri（KΩ ） UL（V） UO（V） R0（KΩ ） 测量值 计算值 测量值 计算值 *7.测量幅频特性曲线 取 IC＝2.0mA，RC＝2.4KΩ ，RL＝2.4KΩ 。 保持输入信 号 ui 的幅度不变，改变信号源频率 f，逐点测出相应的输出电压 UO，记入表 2 －7。 为了信号源频率 f 取值合适，可先粗测一下，找出中频范围， 然后再仔 细读数。 说明：本实验内容较多，其中 6、7 可作为选作内容。表 2－7 测量 幅频特性曲线 （Ui＝ mV） fl fo fn f（KHz） UO（V） AV＝UO/Ui 五、实验 总结 1.列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电 阻、输出电阻之值与理论计算值比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原 因。 2.总结 RC，RL 及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻 的影响。 3.讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。 4.分析讨 论在调试过程中出现的问题。 六、预习要求 1.阅读教材中有关单管放大电 路的内容并估算实验电路的性能指标。 假设：3DG6 的 β ＝100，RB1＝ 20KΩ ，RB2＝60KΩ ，RC＝2.4KΩ ，RL＝2.4KΩ 。估算放大器的静态工作点，电 压放大倍数 AV，输入电阻 Ri 和输出电阻 RO 3.能否用直流电压表直接测量 晶体管的 UBE？ 为什么实验中要采用测 UB、UE，再间接算出 UBE 的方法？ 4. 怎样测量 RB2 阻值？ 5.当调节偏置电阻 RB2，使放大器输出波形出现饱和 或截止失真时，晶体管的管压降 UCE 怎样变化？ 6.改变静态工作点对放大器的 输入电阻 Ri 有否影响？改变外接电阻 RL 对输出电阻 RO 有否影响？ 7.在测试 AV， 和 RO 时怎样选择输入信号的大小和频率？ 为什么信号频率一般选 1KHz， Ri 而不选 100KHz 或更高？ 8.测试中，如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波 器中任一仪器的二个测试端子接线换位（即各仪器的接地端不再连在一起），将 会出现什么问题？ 实验三 负反馈放大器一、实验目的加深理解放大电路中引 入负反馈的方法和负反馈对放大器各项性能指标的影响。二、实验原理负反馈在 电子电路中有着非常广泛的应用,虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多方 面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性 失真和展宽通频带等。因此，几乎所有的实用放大器都带有负反馈。 负反馈 放大器有四种组态，即电压串联，电压并联，电流串联，电流并联。本实验以电 压串联负反馈为例，分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。 1.图 3-1 为带 有负反馈的两级阻容耦合放大电路， 在电路中通过 Rf 把输出电压 uo 引回到输入 端，加在晶体管 T1 的发射极上，在发射极电阻 RF1 上形成反馈电压 uf。根据反 馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈。 主要性能指标如下 1) 闭环电压放 大倍数 其中 AV＝UO／Ui — 基本放大器（无反馈）的电压放大倍数，即 开环电压放大倍数。 1＋AVFV — 反馈深度，它的大小决定了负反馈对放 大器性能改善的程度。 图 3-1 带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器反馈 系数 3) 输入电阻 Rif＝(1＋AVFV )Ri Ri — 基本放大器的输 入电阻 4) 输出电阻 RO — 基本放大器的输出电阻 AVO — 基本&&&&放大器 RL＝∞时的电压放大倍数 2.本实验还需要测量基本放大器的动态 参数， 怎样实现无反馈而得到基本放大器呢？不能简单地断开反馈支路，而是要 去掉反馈作用，但又要把反馈网络的影响（负载效应）考虑到基本放大器中去。 为此: 1) 在画基本放大器的输入回路时，因为是电压负反馈，所以可将负反 馈放大器的输出端交流短路， 即令 uO＝0， 此时 Rf 相当于并联在 RF1 上。 2） 在画基本放大器的输出回路时， 由于输入端是串联负反馈，因此需将反馈放大器 的输入端（T1 管的射极）开路，此时（Rf＋RF1）相当于并接在输出端。可近似 认为 Rf 并接在输出端。 根据上述规律，就可得到所要求的如图 3-2 所示的 基本放大器。 图 3-2 基本放大器 三、实验设备与器件 1.＋12V 直流电源 2.函数信号发生器 3.双踪示波器 4.频率计 5.交流毫伏 表 6.直流电压表 7.晶体三极管 3DG6×2(β ＝50～100)或 9011×2 电阻器、 电容器若干。 四、 实验内容 1.测量静态工作点 按图 3-1 连接实验电路，取 UCC＝＋12V，Ui＝0，用直流电压表分别测量第一级、第二级 的静态工作点，记入表 3-1。 表 3－1 测量静态工作点 UB（V） UE（V） UC （V） IC（mA） 第一级 第二级 2.测试基本放大器的各项性能指标 将实验 电路按图 3-2 改接， 即把 Rf 断开后分别并在 RF1 和 RL 上， 其它连线不动。 1) 测量中频电压放大倍数 AV，输入电阻 Ri 和输出电阻 RO。 ① 以 f＝1KHZ，US 约 5mV 正弦信号输入放大器， 用示波器监视输出波形 uO，在 uO 不失真的情况 下，用交流毫伏表测量 US、Ui、UL，记入表 3－2。 ②保持 US 不变，断开负载 电阻 RL（注意，Rf 不要断开），测量空载时的输出电压 UO，记入表 3－2。表 3-2 基本放大器的各项性能指标 基本放大器 US(mv) Ui(mv) UL(V) UO(V) AV Ri(KΩ ) RO(KΩ ) 负反馈放大器 US(mv) Ui(mv) UL(V) UO(V) AVf Rif(KΩ ) ROf(KΩ ) 2) 测量通频带 接上 RL，保持 1)中的 US 不变，然后增加和减小 输入信号的频率，找出上、下限频率 fh 和 fl，记入表 3－3。 3.测试负反馈放 大器的各项性能指标 将实验电路恢复为图 3-1 的负反馈放大电路。 适当加大 US（约 10mV），在输出波形不失真的条件下，测量负反馈放大器的 AVf、Rif 和 ROf， 记入表 3－2；测量 fhf 和 fLf，记入表 3－3。表 3－3 测量通频带 基本 放大器 fL(KHz) fH(KHz) △f(KHz) 负反馈放大器 fLf(KHz) fHf(KHz) △ff(KHz) *4.观察负反馈对非线性失真的改善 1)实验电路改接成基本放大器形式， 在输入 端加入 f＝1KHz 的正弦信号，输出端接示波器，逐渐增大输入信号的幅度，使 输出波形开始出现失真，记下此时的波形和输出电压的幅度。 2)再将实验电路 改接成负反馈放大器形式，增大输入信号幅度，使输出电压幅度的大小与 1)相 同，比较有负反馈时，输出波形的变化。 五、实验总结 1.将基本放大器和 负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较。 2.根据实验 结果，总结电压串联负反馈对放大器性能的影响。 六、预习要求 1.复习教 材中有关负反馈放大器的内容。 2.按实验电路 3.1 估算放大器的静态工作 点（取 β 1＝β 2＝100）。 3.怎样把负反馈放大器改接成基本放大器？为 什么要把 Rf 并接在输入和输出端？ 4.估算基本放大器的 AV，Ri 和 RO；估 算负反馈放大器的 AVf、Rif 和 ROf，并验算它们之间的关系。 5.如按深负 反馈估算，则闭环电压放大倍数 AVf＝？ 和测量值是否一致？为什么？ 6. 如输入信号存在失真，能否用负反馈来改善？ 实验四 集成运算放大器的基本 应用 — 模拟运算电路 — 一、 实验目的 1.研究由集成运算放大器组成的比 例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2.了解运算放大器在实际 应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电&&&&压放大倍数的直接耦合多级放大电路。 当外部接入不同的线性或非线性元器件组 成输入和负反馈电路时， 可以灵活地实现各种特定的函数关系。 在线性应用方面， 可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大 器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理 想化， 满足下列条件的运算放大器称为理想运放。 开环电压增益 Aud=∞ 输入 阻抗 ri=∞ 输出阻抗 ro=0 带宽 few=∞ 失调与漂移均为零等。 理 想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压 UO 与输入电压之间满足 关系式 UO＝Aud（U+－U－） 由于 Aud=∞，而 UO 为有限值，因此，U+－U－≈0。 即 U+≈U－，称为“虚短”。 （2）由于 ri=∞，故流进运放两个输入端的 电流可视为零，即 IIB＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。基 本运算电路 1) 反相比例运算电路电路如图 4-1 所示。对于理想运放， 该 电路的输出电压与输入电压之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算 误差， 在同相输入端应接入电阻 R2＝R1 // RF。 2) 反相加法电路 电路如图 4-2 所示，输出电压与输入电压之间的关系为 R3＝R1 // R2 // RF 图 4-1 反相比 例运算电路 图 4-2 反相加法运算电路 3) 同相比例运算电路 图 4-3(a)是同 相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 R2＝R1 // RF 当 R1→∞时，UO＝Ui，即得到如图 4-3(b)所示的电压跟随器。图中 R2＝RF，用以 减小漂移和起保护作用。一般 RF 取 10KΩ ， RF 太小起不到保护作用，太大则影 响跟随性。 (a) 同相比例运算电路 (b) 电压跟随器 图 4-3 同相比例运算电路 4) 差动放大电路（减法器） 对于图 4-4 所示的减法运算电路，当 R1＝R2， R3＝RF 时， 有如下关系式 5) 积分运算电路反相积分电路如图 4-5 所示。在理想化条件下，输出电压 uO 等于 式中 uC(o)是 t＝0 时刻电容 C 两端的电压值，即初始值。 如果 ui(t)是幅值为 E 的阶跃电压，并 设 uc(o)＝0，则 即输出电压 uO(t)随时间增长而线性下降。显然 RC 的数值越 大，达到给定的 UO 值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值受集 成运放最大输出范围的限值。 图 4-4 减法运算电路 图 4-5 积分运算电路 在进行积分运算之前，首先应对运放调零。为了便于调节，将图中 K1 闭合，即 通过电阻 R2 的负反馈作用帮助实现调零。但在完成调零后，应将 K1 打开，以免 因 R2 的接入造成积分误差。K2 的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可 实现积分电容初始电压 uC(o)＝0，另一方面，可控制积分起始点，即在加入信 号 ui 后， 只要 K2 一打开， 电容就将被恒流充电， 电路也就开始进行积分运算。 三、实验设备与器件 1.±12V 直流电源 2.函数信号发生器 3.交流 毫伏表 4.直流电压表 5.集成运算放大器 μ A741×1 电阻器、电容器若 干。 四、实验内容 实验前要看清运放组件各管脚的位置；切忌正、负电源 极性接反和输出端短路， 否则将会损坏集成块。 1.反相比例运算电路 1) 按图 4-1 连接实验电路，接通±12V 电源，输入端对地短路，进行调零和消振。 2) 输入 f＝100Hz，Ui＝0.5V 的正弦交流信号，测量相应的 UO，并用示波器观 察 uO 和 ui 的相位关系， 记入表 4-1。 4-1 反相比例运算电路测量 （Ui＝0.5V， 表 f＝100Hz） Ui（V） U0（V） ui 波形 uO 波形 AV 实测值 计算值 2.同相 比例运算电路 1) 按图 4-3(a)连接实验电路。实验步骤同内容 1，将结果记 入表 4－2。 2) 将图 4-3(a)中的 R1 断开，得图 4-3(b)电路重复内容 1)。表 4 －2 同相比例运算电路测量 （Ui＝0.5V f＝100Hz） Ui （V） UO(V) ui 波形 uO 波形 AV 实测值 计算值 3. 反相加法运算电路 按图 4.2 连接实验电路。 调&&&&零和消振。 2) 输入信号采用直流信号，图 4-6 所示电路为简易直流信号源，由 实验者自行完成。 实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在 线性区。 用直流电压表测量输入电压 Ui1、 Ui2 及输出电压 UO， 记入表 4－3。 图 4-6 简易可调直流信号源 表 4-3 反相加法运算电路测量 Ui1(V) Ui2(V) UO(V) 4.减法运算电路 1) 按图 4-4 连接实验电路。调零和消振。 2) 采用直流输 入信号，实验步骤同内容 3，记入表 4－4。 表 4－4 减法运算电路测量 Ui1(V) Ui2(V) UO(V) 5.积分运算电路 实验电路如图 4-5 所示。 1) 打 开 K2，闭合 K1，对运放输出进行调零。 2) 调零完成后，再打开 K1，闭合 K2， 使 uC(o)＝0。 3) 预先调好直流输入电压 Ui＝0.5V，接入实验电路，再打开 K2，然后用直流电压表测量输出电压 UO，每隔 5 秒读一次 UO，记入表 4-5，直 到 UO 不继续明显增大为止。 表 4－5 积分运算电路测量 t(s) 0 5 10 15 20 25 30 ?? U0(V) 五、实验总结 1.整理实验数据，画出波形图（注意波形间的 相位关系）。 2.将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。 3.分析讨论实验中出现的现象和问题。 六、预习要求 1.复习集成运放线性 应用部分内容，并根据实验电路参数计算各电路输出电压的理论值。 2.在反相 加法器中，如 Ui1 和 Ui2 均采用直流信号，并选定 Ui2＝－1V，当考虑到运算 放大器的最大输出幅度(±12V)时，｜Ui1｜的大小不应超过多少伏？ 3.在 积分电路中，如 R1＝100KΩ ， C＝4.7μ F，求时间常数。 假设 Ui＝0.5V，问要 使输出电压 UO 达到 5V，需多长时间（设 uC(o)＝0）？ 4.为了不损坏集成块， 实验中应注意什么问题？ 实验五 低频功率放大电路一、实验目的 1.加深理解 功率放大电路的工作原理。 2.掌握功率放大电路的调试及主要性能指标的测试 方法。二、实验原理 1.OTL 功率放大电路原理图 5-1 是一个 OTL 低频功率放大 电路。其中 T1 管组成推动级（即前置放大级），T2（NPN）和 T3（PNP）为对管， 组成互补推挽 OTL 功率放大电路。T1 管工作在甲类放大状态，集电极电流 IC1 可通过电位器 Rw2 来调整。IC1 在 Rw2 和二极管 D 上的压降提供了 T2 和 T3 管的 偏置电压， 调节 Rw2 可以使 T2 和 T3 管得到合适的静态电流，从而 T2 和 T3 管工 作在甲乙类状态，以避免输出出现交越失真。静态时要求输出端 A 点的电位 UA=0.5VCC，可以通过调节电位器 Rw1 来实现。又由于 Rw1 的一端连接在 A 点， 形成交、直流电压并联负反馈，从而稳定了放大电路的静态工作点，又改善了输 出的非线性失真。 图 5-1 OTL 低频功率放大电路当正弦信号 ui 输入时，在信号 ui 的负半周经 T1 管放大后加到 T2 和 T3 管的基极，使 T3 管截止，T2 管导通， 有电流通过负载 RL，同时向电容 Co 充电，形成输出电压 uo 的正半周波形；在 信号 ui 的正半周经 T1 管放大后，使 T2 管截止，T3 管导通，则已充电的电容 Co 起着电源的作用，通过 T3 管和 RL 放电，形成输出电压 uo 的负半周波形。因此， 对于每个周期的输入信号，T2 和 T3 管交替工作，负载 RL 上输出完整的正弦波。 电路中，电阻 R 和电容 C2 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以 得到较大的动态范围。当 ui=0 时，UA=VCC/2，U B=VCC-IRR，电容 C2 两端电压 UC2=UB-UA= VCC/2-IRR。当 RC2 的乘积足够大时，可以认为 C2 两端电压基本上 为常数，不随 ui 而改变。这样，当 ui 为负半周时，经 T1 反相，T2 管导通，uA 由 VCC/2 向更高的电压变化，由于 B 点电位 uB= UC2+uA，随着 A 点电位升高， 因此 B 点电位也自动升高。因此，即使输出电压 uo 幅度升得很高，也有足够的 电流流过 T2 基极，使 T2 充分导电。这种工作方式称为“自举”。若 R 短路、C2 断开，当 ui 为负半周时，T2 导电，由于 R3 的压降和 UBE2 的存在，当 A 点电位 向 VCC 接近时，T2 管的基流将受限制，故当最大输出电位向 VCC 接近时，T2 管&&&&的基流将受限制，使最大输出电压幅度远小于 VCC/2。 2.功放电路性能指标的 测量方法 （1） 测量最大不失真输出功率 Po(max) 输入端接 1kHz 的正弦信号 ui， 输出端用示波器观察输出电压 uo 的波形。逐渐增大 ui，使输出电压 uo 达到最 大不失真输出，用毫伏表测出负载 RL 上的电压有效值 Uo，则。（2）测量效率 η 当输出电压达到最大不失真输出时，读出直流毫安表的电流值 IE，则 IE 为 直流电源提供的平均电流，由此可得 PE=VCCIE，从而可求得该功放电路在最大 不失真输出时的效率。 （3）测量输入灵敏度 输入灵敏度是指电路达到最大不失 真输出时输入信号 ui 的值。只要测出输出功率 Po=Po(max)时的输入电压值 ui， 即可得到输入灵敏度。在测量以上各指标时应注意：（1）在整个测试过程中， 功放电路都不应有自激现象。（2）在调整电位器 Rw2 时，要注意旋转方向，不 要调得过大，更不能开路。否则将损坏功放管。（3）功放管静态电流调好后， 如无特殊情况，不要随意调整 Rw2 的位置。三、实验设备与器件 1.直流稳压电 源 2.直流电压表 3.函数信号发生器 4.直流毫安表 5.双踪示波器 6.交流毫伏 表 7.频率计 8.晶体三极管 9.晶体二极管 10.8? 喇叭 1 只 11.电阻器、 电容器 若干四、实验内容 1.调试并测量 OTL 功率放大电路的静态工作点。调节 Rw2 使 T2 和 T3 管的静态电流 IC2=IC3=5~10mA（由于 IC1 较小，直流毫安表的电流值 IE 近似认为等于 IC2=IC3）。测量各级静态工作点记入表 5－1。表 5－1 测量功 率放大电路静态工作点 （IC2=IC3= mA UA=） T1 T2 T3 UB(v) UC(v) UE(v) 2. 测量 OTL 功率放大电路的最大不失真输出功率 Po(max)、效率 η 及输入灵敏度。 3.测量 OTL 功率放大电路的上限频率 fH 和下限频率 fL。 f0(1KHZ)为中心频率， 以 安一定的频率间隔分别向高、低两个方向变化，测量 Uo(V)填入表 5－2，确定上 限频率 fH 和下限频率 fL。 4.观察 S 断开、 合上两种情况下电路输出电压波形 S 的区别。表 5－2 测量 OTL 功率放大电路的上限频率 fH 和下限频率 fL （Ui= mV） f0(1KHZ) Uo(V)= Au= 五、实验总结 1.列表整理实验数据，并与理论估算值相 比较，分析产生差异的原因。 2.分析实验中遇到的现象，并简述实验体会。 3. 问题讨论：（1）在图 5-1 电路中，当 S 断开时，T2、T3 管工作在哪一类放大状 态？（2）在图 5-1 电路中，当 S 闭合，且无输入信号时，T2、T3 管的管耗是多 少？ 六、预习要求 1.复习教材中有关功率放大电路结构和原理的内容。 2.估 算实验电路在理想情况下的最大输出功率 Po(max)、管耗 PT、直流电源供给的功 率 PE 和效率 η 。 3.拟定实验步骤和所需的数据表格。 实验六 直流稳压电源 一、 实验目的 1.了解线性稳压电源的工作原理； 2.学习直流稳压电源主要技术 指标的测试方法。二、实验原理 电路图如图 6-1。其中 220v 交流电经变压器 Tr 降压后，得到 12V 左右的交流电压 U2，U2 再经整流电路后便可得到脉动的直流 电压 U3。当整流电路为桥式嬉流电路时，U3≈0.9U2，输出电压的脉动较大。整 流电路后己为滤波电容。 滤波电路的作用是将整流输出中的交流分及转换成直流 分量，使输出变得比较平滑，脉动大大减少，直流电压 U4 有所增加。在桥 图 6-1 直流稳压电源式整流电容滤波电路中，U4≈1.2U2。上述分析是在交流电网 电压不变和负载不变的前提下进行的。实际上交流电网电压是不稳定的，因此变 压整流滤波后输出的直流电压也会随之变化;同时，由于变压整流滤波电路具有 内阻，当负载变化时，亦会引起输出直流电压的变动，这在对电源要求较高的电 子装置中是不允许的。 为了在交流电压波动和负载变化的情况下仍能维持一个稳 压的直流电压 U５输出，就需要在整流滤波电路后面加一级稳压电路。W7805 为 集成三端式稳压器，能将输入电压变换成十分稳定 5V 电压输出。我们也可用一 个限流电阻和一个稳压二极臂构成稳压管稳压电路代替三端式稳压器， 如稳压二&&&&极管的稳压值为 5V，同样可得到比较稳定的 V 输出。但其稳定性能要比集成三 端式稳压器差。C4 也是滤波电容，能便输出电压更加平滑，RL 为负载电阻。三、 实验设备与器件 1.500 型万用表１台 2.DZX-1 电子学综合实验装置１台 3.TDS1002 型数字存储示波器１台 4.二极管 2cw53(5V 稳压管) 5.桥堆:(50V1A) 6.集成块 7805 7.电阻 200Ω ,300Ω 8.电容 470u，0.1uX2，220? 9.短线路，， 导线。四、实验内容 1.调交流低压电源到 9V。用万用表测输出瑞 U2。记录到下 表上括号内，关电源开关。 2.按步骤 2 组装电路，连接交流低压电源，检查无 误，开电源开关，用万用表 50v 直流电压档测 U3 有，记录到下表。(准备好示波 器)用示波器测 U3p-p，记录到下表。并将 U3p-p 波形记录到下表。关电源开关。 拆电路。 3.按步骤 3 组装电路，其余操作同上。 步骤 2 步骤 3 4.按步骤 4 组 装电路，连接交流低压电源，检查无误，开电源开关，用万用表 50V 直流电压档 分别测 U3 有、U4 有记录到下表。用示波器分别测 U3p-p、U4p-p 记录到下表。 并将 U3p-p、U4p-p 波形记录到下表。关电源开关。拆电路。 步骤 4 5.按步骤 5 组装电路，其余操作向上。 步骤 5 表 6－1 电压测量 （U2=9V 实测为: ) U3 有 U3p-p U3p-p 波形 U4 有 U4p-p U4p-p 波形 步骤 2 步骤 3 步骤 4 步骤 5 五、 实验总结 1.记录、 整理实验数据。 2.步骤 4 的实验结果中总结直流稳压电源各 部分电路的性能。 3.用实验结果说明脉动系披 S 的变化情况。 脉动系数定义: s= 输出电压基波的最大值 Uo1m/输出电压的平均值 U0(AV) 六、预习要求复习教材 中有关稳压电源的内容。 第三章设计性综合实验 实验七 音频功率放大电路的 设计 一、 设计任务 设计一个音频功率放大电路。 二、 设计要求 1.负载电阻 RL = 8 Ω ； 2.额定输出功率 Po = 10 W ； 3.带宽 few ≥ 50 Hz ~ 15kHz ； 4.失真度 r ≤ 1% ； 5.音调控制 低音 （100 Hz） ±12dB， 高音 （10 kHz） ±12dB； 6.输入阻抗 Rib ≥ 500 kΩ ； 7.整机效率 η ≥ 50 % 三、方案讨论 音频功率 放大电路，也即音响系统放大器，用于对音频信号的处理和放大。随着集成电路 技术的快速发展， 音响系统中的放大电路也已经有以集成电路取代分立元件电路 的趋势。当今的功率集成电路，从输出功率几瓦到几百瓦已经形成了系列产品。 各种音响专用集成电路， 其性能价格比明显优于分立元件。由于集成电路工作可 靠、外围电路简单、安装、调试工作量减少等优点，受到专业人员的青睐。因此， 在本实验的总体方案设计中应尽量采用集成电路来实现。 作为音响系统中的放 大设备，它接受的信号源有多种形式，通常有话筒输出、唱机输出、录音输出和 调谐器输出。它们的输出信号差异很大，调谐器的输出电压可达数百毫伏，而有 些话筒输出仅为 1~2mV。对于唱片输出，由于录制工艺要求和减少录制噪声的影 响，所以美国唱片工业协会（RIAA）规定了统一的录制频率特性，故在设计唱片 放大器时， 为使各频段信号回复到原来的面貌，要对放大器的频率特性作相应处 理，即所谓“均衡”，这样的放大器称作均衡放大器。 为了满足听众对频响的 要求和弥补扬声器系统的频率响应不足，设置了音调控制放大器，希望其调节特 性能达到国际通用标准。 为了充分地推动扬声器，通常音响系统中的功率放大器 能输出数十瓦以上功率，而高级音响系统的功放最大输出功率可达几百瓦以上。 对功率放大器的要求是输出足够大功率、效率高、非线性失真少、输出与负载相 匹配等。集成功率放大器通常有 OTL 和 OCL 两种电路结构形式。OTL 功放的优点 是只需单电源供电，缺点是输出要通过大电容与负载耦合，因此低频响应较差； OCL 功放的优点是输出与负载可直接耦合， 频响特性较好， 但需要用双电源供电。 根据教学内容及其设计要求，本实验将不包括话筒放大器和均衡放大器等内容， 而只涉及音调控制放大与功率放大，如图 7-1 所示。 图 7-1 音频功率放大电路&&&&框图 四、单元电路分析 1.音调控制放大器 音调控制放大器的作用是实现对低 音和高音的提升和衰减， 以弥补扬声器等因素造成的频率响应不足。技术指标通 常为：低音（100 Hz）±12dB，高音（10 kHz）±12dB。由此可画出音调控制放 大器的控制特性如图 7-2 所示。 目前的高级音响设备大多已采用“多频段频率均 衡”电路来达到更好地校正频响效果。 图 7-2 音调控制放大器的控制特性常用 的音调控制电路有衰减式音调控制电路和反馈式音调控制电路两类， 由于后者失 真较小，所以应用较广。本系统采用反馈式音调控制电路，如图 7-3 所示。 图 7-3 反馈式音调控制放大电路反馈式音调控制放大电路是由一个音调控制网络 和运算放大器 A 所组成的负反馈放大器， 其中 RW1 和 RW2 是分别调节低音和高音 的两个电位器， 调节这两个电位器可以调整该电路的负反馈系数，从而改变放大 器的幅频特性，以达到音调控制的效果。 为了叙述方便，若选取 R1 = R2 = R3 = R，RW1 = RW2 = 9R，RW2 && R4 ，C1 = C2 ，C3 = C4 且 C1 &&C3 。则可获 得如图 7-4 所示的全频段高低音提升和衰减曲线。当低 图 7-4 全频段高低音提 升和衰减曲线 音调节电位器 RW1 滑向 A 点时，实现低音提升，当 RW1 滑向 B 点 时，实现低音衰减。其中 低音最大提升量： 低音最大衰减量： 当高音调节电 位器 RW2 滑向 C 点时，实现高音提升。当 RW2 滑向 D 点时，实现高音衰减。其中 高音最大提升量： 高音最大衰减量： 在 fL1~ fL2 和 fH1~ fH2 之间，曲线是按 ±6dB/oct 斜率变化，假设给出低频段处和高频段处的提升量，且，，则有： 有 关上述公式的推导， 请参阅相关参考资料。 2.功率放大电路 对于功率放大电路， 除了输出功率应满足技术指标外，还要求电路的效率高、非线性失真小，以及输 入端与音调控制放大器相匹配， 输出端与音箱负载相匹配，否则将会影响放音效 果。与负载匹配主要指三个方面，即阻抗匹配、功率匹配和阻尼系数匹配。功放 电路的选用和设计也是很有讲究的， 例如应尽量采用无瞬态互调失真的晶体管放 大电路或集成电路；最好采用全对称型的互补电路并且有良好的开环技术指标； 补偿电路不宜采用过大的滞后电容；大环路的反馈量不应太大；以及一些必要的 保护电路。当前的集成功放电路已经几乎把这些要求都考虑在内了。 目前各大 公司的音响系统集成功率放大电路芯片，都已形成了自己的系列产品，输出功率 从零点几瓦到 100 瓦以上。频带宽度一般在 40 Hz ~ 15 kHz ，谐波失真小于 1% ~ 0.3%，内部具有完善的保护电路，开环增益为 50 dB ~ 90 dB。这些产品的外 围电路大多已定型， 只有少量元件参数通过电路调试确定，这样可大大简化电路 设计。 根据本实验的任务和要求，完全可采用集成芯片来实现功率的放大。例 如常用的功率放大器集成芯片 TDA2030，其主要技术参数如下： 电源电压 ±6 V ~ ±18 V 负载阻抗 4Ω ，8Ω 输出功率 18 W，9 W 频带宽度 40 Hz ~ 15 kHz 谐 波失真 12 W 时 0.2 %，8 W 时 0.1 % 开环增益 90 dB 因为本设计任务要求负载 阻抗为 8Ω ，输出额定功率为 10 W。通常为保证工作可靠，可选用集成芯片的额 定输出功率比实际要求功率大一些，例如一倍左右。因此，上述的 TDA2030 是比 较合适的。 常用功率放大的电路形式有 OTL 和 OCL 两种，为提高效率，一般工 作于接近乙类。由于 OTL 电路可用单电源供电，因此为了供电方便，采用单电源 供电的 OTL 电路，其电路如图 7-5 所示。由图可知，电路采用了同相输入方式。 由于 TDA2030 芯片的开环增益一般为 90dB，因此，在深度负反馈的工作条件下， 其中频增益近似为。 图中 D1、 的作用是防止输出端的瞬时过电压损坏集成芯 D2 片， 一般采用开关二极管。 此外， 由于扬声器的音圈是线圈， 具有一定的电感量， 因此采用 C5，R7 组成 图 7-5 单电源 OTL 功率放大电路一补偿网络，其作用是把 扬声器的电感性负载补偿成接近纯电阻性。 此网络在小功率放大电路中也可不用&&&&或只用一个电容近似补偿， 但在大功率电路中必须采用，以防止扬声器音圈的反 电势击穿输出管， 并有抑制高频自激作用。 一般取 R7 ≈ RL ， 可取为 0.01μ F C5 ~ 0.1μ F。五、参考资料 图 7-6 TDA2030 结构与原理框图 TDA2030 功率集成电 路具有转换速率高、失真小、输出功率大、外围电路简单等特点，采用 5 脚塑料 封装结构，如图 7-6（a）所示。其中 1 脚为同相输入端；2 脚为反相输入端；3 脚为负电源；4 脚为输出端；5 脚为正电源。它的内部电路包含由恒流源差动放 大电路构成的输入级、 中间电压放大级， 复合互补对称式 OCL 电路构成的输出级； 启动和偏置电路以及短路、过热保护电路等。其结构框图如图 7-6（b）所示。 TDA2030 的电源电压为±6V ~ ±18V，静态电流为 45mA（典型值）；1 脚的输入 阻抗为 5 MΩ（典型值） 当电压增益为 30dB， ， RL=4Ω ,Po=12W 时， 频带宽为 10Hz～ 14kHz。当电源为±14V、负载电阻为 4Ω 时，输出功率达 18W。 六、制作与调 试 1.制作电路底板； 2.根据上述电路图及设计计算的参数选购元、 器件， 焊接、 安装电路； 3.测量、调试各个单元电路； 4.整体电路统调； 5.撰写实验报告。 参考文献：何小艇主编，电子系统设计（第三版），浙江大学出版社，2004.8 实 验八 低频函数信号发生器的设计一、设计任务设计一个低频函数信号发生器。 二、 设计要求 1.同时输出三种波形： 方波、 三角波、 正弦波 2.频率范围： Hz 10 ~10 kHz； 3.频率稳定度：； 4.频率控制方式：（a）通过改变 RC 时间常数控 制频率（手控方式）； （b）通过改变控制电压 U1 实现压控频率（即 VCF）， 常用于自控方式。即（U1=1~10V），为确保良好的控制特性，可分三段控制： ① 10 Hz ~100 Hz ② 100 Hz ~1 kHz ③ 1 kHz ~10 kHz 5.波形精度： ①方波 上 升时间和下降时间均应小于 2【如图 8-1 (a)】； ②三角波 线性度：【如图 8-1 (b)】； ③正弦波 谐波失真度：/U1&2%（U1 为基波有效值，Ui 为各次谐波有效 值）。 6.输出方式： （a）作电压源输出时，要求： ① 输出电压幅度连续可 调，最大输出电压（峰峰值）不小于 20V； ② 当 RL=100Ω ~1KΩ 时，输出电压 相对变化率 (即要求)。 （b）作电流源输出时，要求： ① 输出电流连续可调， 最大输出电流（峰峰值）不小于 200 am； ② 当 RL=0~90Ω 时，输出电流相对 变化率(即要求)。 （c）作功率输出时，要求最大输出功率（RL=50Ω 时）。 7. 具有输出过载保护功能 当因 RL 过小而使 IO & 400 mA (峰-峰值)时，输出三极 管自动限流，以免损坏电路元器件。 8.采用数字频率显示方式。 图 8-1 方波、 三角波的技术指标 三、方案讨论 根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般 可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实 现方案等。 数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形， 再用 D/A 转换器进行逐点恢复。 这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的 存储点数、D/A 转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的 高低， 是通过改变 D/A 转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率 较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速 率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数 字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生 高频（如&1MHz）信号。 模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号 波形， 而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用 D/A 转换器与压控电路改变 信号的频率， 用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路 方式。 模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生 电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推 荐采用全模拟电路的实现方案。 对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有&&&&几种电路方式可供选择。 如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器 产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图 8-2 所示。这种电路结构 简单， 并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波 信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着 方波信号频率的改变， 积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波 输出幅度不变， 则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路 参数的要求，实际上是非常困难的。 另一种电路方式是，由三角波、方波发生 器产生三角波和方波信号， 然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波 信号，电路框图如图 8-3 所示。这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角 波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在 后面的单元电路分析中详细介绍。该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方 案。 根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出 级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求 电流输出时，采用电流负反馈。这也将在单元电路分析中进行详细介绍。 由所 选方案及组成电路的形式， 可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和 困难之处。 由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备 进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。因此，在实验的设计、制作及 测试过程中， 应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的 电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方 波信号的上升时间和下降时间， 则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指 标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波、方波发生器和输 出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取。 图 8-2 模拟电路实现方 案 1 图 8-3 模拟电路实现方案 2 四、单元电路分析 1.三角波、方波发生器（1） 比较器＋RC 电路 由运算放大器 A、R0、R1、R2、DZ1 和 DZ1 组成的滞回比较器 与 RC 电路组成的三角波、 方波发生器电路如图 8-4 所示。其输出电压 Uo 和电容 器 C 上的电压 Uc 如图 8-5 所示。 图 8-4 比较器＋RC 电路 图 8-5 比较器＋RC 电路波形 由波形图可以看出，在比较器没有翻转之前，Uo 为一常数（如）。Uo 通过 R 对 C 充电，Uc 由逐渐上升，随着 Uc 的增大，R 两端的电压将逐渐下降， 故充电电流 ic 也将不断减小，使 Uc 上升速度减慢，从而使 Uc 形成了典型的 RC 电路的充放电波形（按指数规律变化）。这样的 Uc 由于线性度非常差，显然不 能当作三角波使用。 改进 Uc 线性度的有效方法，是在充放电过程中保持 ic 的恒 定，即对电容 C 恒流充放电。使恒定的办法有多种，其实质都是利用 BJT 或 FET 的恒流特性，再引入电流负反馈而形成的恒流源电路。 图 8-6 (a)、(b)、(c) 是三种恒流源电路，只要把其中的某个电路取代图 8-4 中的 R，便可获得较为理 想的三角波波形。各个恒流源电路的恒流原理请读者自行分析，这里不再讨论。 图 8-6 三种恒流源电路 （2）比较器＋积分器 由积分器 A1 与滞回比较器 A2 等 组成的三角波、方波发生器电路如图 8-7 所示。在一般使用情况下，U(1 和 U?2 都接地。只有在方波的占空比不为 50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过 改变 U(1 和 U?2 的大小和方向加以调整。 图 8-7 三角波、方波发生器 图 8-7 所示的三角波、方波发生器电路，在 U(1 和 U?2 都接地时的波形如图 8-8 所示。 对称调节点 U(1 和零位调节点 U?2 电压调整原理如下： ① 对称调节点 U(1 图 8-8 三角波、方波发生器波形 稳态时，Uoi 波形可表示成：当时，；而当时，， 故有 当时，；而当时，，故有 所以，当时，，波形的占空比为 50%。 当 V(1 &0 时，T1 &T2 ；V(1&0 时，T1 &T2 ，波形的占空比不为 50%，波形出现不对称。&&&&所以， 由于失调等原因引起波形不对称时， 可通过改变 U(1 的大小进行调整。 ② 零位调节点 V?2 运算放大器 A2 同相输入端的电压，是由 Uo1 和 Uo2 叠加而成， 即有： 当=U?2 时，A2 翻转。故 A2 翻转时 Uo1 的电压为： 当 U?2 = 0 时，三角 波上下幅度对称，上幅度为，下幅度为，三角波的峰峰值为。 当 U?2 ≠ 0 时， 若 U?2 & 0，则三角波上移；若 U?2 & 0，则三角波下移。其上幅度为，下幅度 为，而三角波的峰—峰值仍然为不变。 由上可知当的比值调好后，三角波的峰 峰值已经确定，调节 U?2 的大小可使三角波上下平移。因此，当由于失调等原因 引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变 V?2 的大小进行调整。 2. 正弦函数转换电路 函数转换是指把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完 成这种转换功能的电子电路就称函数转换电路。如常用的函数转换电路，半波、 全波整流电路， 就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验 需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形的正弦函数转换电路。 从 转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有滤波法、运算法和折 线法等。滤波法的转换原理是，把峰值为 Um 的三角波用傅里叶级数展开： 由上 式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波， 保留基波成份， 正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率变 化范围较大（如本实验的频率变化范围是 1000 倍）， 要设计一个对截止频率具 有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，滤波法只适用于频率变 化范围很小，最好是固定频率的应用场合。 运算法的转换原理是，把展开成幂 级数形式： 由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转换精度的要求）， 可以通过对线性（三角波）变化量的运算来近似表示成，但要求三角波的幅度。 运算转换法由于运算复杂， 用电子电路较难实现。 折线法是一种使用最为普遍、 实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电 压幅度， 不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输 特性， 实现三角函数到正弦函数的逼近，或者是把三角电压波形通过正弦函数转 换电路的逐段校正，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管 等）特性的非理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实 现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。 用折线法实现正 弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指 仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。根据输入三角波电压的幅度，不断增加 （或减少） 二极管通路以改变转换网络的衰减比， 输出近似的正弦电压波形。 有 源正弦函数转换电路，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。也是 根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换电路的放 大倍数，输出近似的正弦电压波形。因此，无论是无源还是有源转换电路，其转 换原理都是类同的。在此，仅以两种形式的有源正弦函数转换电路为例，进行较 为详细的介绍和分析。 有源正弦函数转换电路的转换原理如图 8-9 所示。 8-9 图 中，在 T/2 时间内均匀地设置了六个断点，以作为七段逼近或校正，每段按时间 均匀分布为 T/14。 若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即 则有 图 8-9 正弦函数转换原理 由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：UO1 、 UO2 和 UO3 （设 Uim =5V，所以，，，），如图中所示。 （1）正弦函数转换电 路方案 1 电路如图 8-10 所示，它的基本结构是比例放大器。只是按照图 8-9 的 要求， 使运放 A 在不同的时间区段 （或输出电平区段） 内， 具有不同的比例系数。 对不同区段内比例系数的切换， 是通过二极管网络来实现的。如输出信号的正半 周内由 D1 ~ D3 控制切换；负半周内由 D4 ~ D6 控制切换。电阻 Rb1 ~ Rb3 与&&&&Ra1 ~ Ra3 分别组成分压器， 控制着各二极管的动作电平。 例如： ①在 0 ~ T/14 区段内，要求 D1 ~ D6 均不导通，此时，UO 与 Ui 的比例关系应为： ，由 UO1 = 1.38 V，Uim = 5 V 可得： 图 8-10 正弦函数转换电路方案 1 若取 R i =10 kΩ ， 则 R F = 9.7 kΩ （可选 10 kΩ ）。 ②在 T/14 ~ T/ 7 区段，要求 D1 导通， D2 ~ D6 均截止。此时，UO 与 Vi 的比例关系应为： ，由 VO2 – VO1 = 2.49 – 1.38 = 1.11 V 和 Vim = 5 V 可得： 由此可计算出 R a1 =35.5 kΩ（可选 35 kΩ ） ， 。 同时，为控制 D 1 的动作电平，要求 1 点上的电平满足下列关系： 或 设计时， 为避免 Rb1 对放大器比例关系的影响，要求 Rb1 &&Ra1 ，所以，上式又可简化 为：，取则有（选 670 kΩ ）。 对于其它区段内各电阻参数的计算，可以按照 类同的方法进行计算和选取，这里不再赘述。 （2）正弦函数转换电路方案 2 图 8-11 正弦函数转换电路方案 2 正弦函数转换电路方案 2 的原理电路如图 8-11 所示。D1 ~ D6 组成二极管网络，实现逐段校正，运放 A 组成跟随器，作为函数 转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。 按图 8-9 的要求，在输入信 号的正半周内， 应由 D1 ~ D3 实现逐段校正。 考虑到硅二极管的开启电压为 0.5V， 所以 U1 ~U3 应按下列直流电压值设置各二极管的动作电平： 于是 ①在 0 ~ T/14 段内，D1 ~ D6 均不导通，所以 ②在 T/14 ~ T/7 段内，仅 D1 导通，故有 代 入图 8-9 中的具体数据后，得：若选，则。 ③在 T/7 ~ 3T/14 段内，D1 、D2 均 导通，所以有代入数具体数据后，得： 上式代入已知数据后得到，取。 ④在 3T/14 ~ 4T/14 段内，D1 ~ D3 均导通，输出电压被二极管 D3 嵌位，所以 VO = V3 + 0.5 V = 3.1V（对这一段的校正与图 8-9 不同）。 图 8-11 中的 V1 ~ V3 ， 是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影 响各个转折电压，分压器的阻值应选得远小于 R5 和 R6 。显然，-V1 ~ -V3 也 是通过另一个负电压源提供的。 分析和实验结果表明，当输入三角波在 T/2 内 设置六个断点，以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在 1.8 % 以内，若将断点数增加到 12 个时，正弦波的非线性失真度可在 0.8 % 以内（实 测值为 0.42 %）。 利用正弦函数转换电路，可以将三角函数转换成正弦函数。 这里介绍了两种有源正弦函数转换网络。 这两种转换网络的基本设计思想都是将 三角波进行逐段校正， 使之输出逼近正弦波。 3.输出级电路 根据不同负载的要 求，输出级电路可能有三种不同的方式。（1）电压源输出方式 电压源输出方式 下，负载电阻 RL 通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有 一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输 出级电路的输出电阻 Ro 足够小。 例如，当 RL =100Ω ~ 1kΩ 时，若要求，即 意味着要求： 为此，必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻通常为 1kΩ 以下，当引入电压负反馈后，如希望 Ro =1Ω ，则要求： 设运放的，则 F 应大 于 0.1，这是容易满足的。如图 8-12（a）电路的闭环增益，故要求。 图 8-12 （a） 电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的 VCC 和 VEE 分 别为±15V 时，则 Vopp =±(12 ~14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采 用电压扩展电路，如图 8-12（b）所示。 图 8-12 电压源输出方式 图 8-12（b） 所示电路中，VB1 = 15V+VO ，VB2 = UO–15V，所以 VB1–VB2 = 30V。可见对 运放而言，其供电电压（VCC–VEE）仍接近 30V，只是二者随 VO 而浮动。如考 虑到 R2、R3 上的电压至少为 4V，则 VOPP 可达：±（45–15–4）= 26V。当 VO = +26V 时，VB1 = 15+26 = 41V，VB2 = 26–15 = 11V；而当 VO =–26V 时，VB1 = 11V，VB2 = –41V。（2）电流源输出方式 在电流源输出方式下，负载希望得 到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动&&&&时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻 Ro 。 例如，当 RL = 0 ~ 90 Ω 时，若要求，即意味着要求： 为此，需引入电流负反馈。若运放的 输出电阻 Ro = 1 kΩ ，则要求： 设运放 Aod =104，即当 VoP =10 V 时，要求 VId = 1 mV。若 Ro = 1 kΩ ，则输出短路电流 I o s =10V/1 kΩ =10 mA。由此 可以估计出 EMBED Equation.3 ，所以要求 具体计算参见图 8-13。 图 8-13 电 流源输出方式 图 8.13 所示电路中，运放的最大输出电流通常在 10 ~ 20 mA， 如负载要求有更大的输出电流，则必须进行扩流，如图 8-14（a）、（b）所示。 图 8-14 电流源输出的扩流电路 图 8-14（a）为一次扩流电路，T1 和 T2 组成互 补对称输出。运放的输出电流 IA 中的大部分将作为 T1 、T2 的基极电流，所以 IO = β IA 。 值得注意的是，三极管 β 值应在额定电流下测得，它通常要小于 小电流条件下的 β 值。并且，当运放输出电流 IA 增大时，运放的最大输出电压 幅度也随着减小（不再能达到±（12 ~ 14）V）。 图 8-14（b）为二次扩流电 路，用于要求负载电流 IO 较大的场合。复合管 T1、T2 和 T3、T4 组成准互补对 称输出电路。 图 8-14（a）、（b）中，输出三极管发射极上的电阻 R 用来稳定 三极管的工作电流，但它们与输出负载 RL 相串联，应尽可能减小其上的压降。 通常取 R= (0.05 ~ 0.1) RL 。 图 8-14（b）中，R1 和 R3 的数值应远大于 T3、 T4 级的输入电阻 Ri3 和 Ri4 ，以尽可能减少信号分流。大功率管 T3、T4 的 rbe 较小，通常为几十欧。所以常取 R1 = R3 =几百欧。 R2 为平衡电阻，它用来提 高复合管 T2、T4 的输入电阻，以期和复合管 T1、T3 的输入电阻对称，所以取 R2 = R1 // Ri3 (约几十欧)。在调试时，通常还可以进行调整，以使最大输出 电流在正、负向对称。（3）功率输出方式 在功率输出方式下，负载要求得到一 定的信号功率。由于三极管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通 常需配接阻值较小的负载。 电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放 大级，还必须进行扩流。当 RL 较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须 进行输出电压扩展。 图 8-15 为功率放大电路。静态时，运放输出为零，–20V 电源通过下列回路：运放输出端→R1 →DZ →b1 →e1 →–20V 向 T1 提供一定 的偏置电流，R6 、C3 和 R7、C4 组成去耦滤波电路。 图 8-15 功率放大电路 图 8-15 电路中的各个电路参数，大家可按具体要求进行计算。这里着重说明功率 三极管 T4、T5 和互补对称级晶体管 T2、T3 的选用问题。 （a）功率管 T4、T5 的选用 功率管的选用主要考虑三个极限参数： VBR(CEO)、 和 PCM 。 ① T4、 即 ICM T5 在电路中可能承受的反向电压最大值：VCEmax = VCC+Vom≈2VCC= 40V（截止 时）； ② 流过 T4、T5 的最大集电极电流为：ICmax ≈ VCC / (RL+R5)（接近 饱和时）； ③ T4、T5 可能承受的最大功耗，按教材中对乙类功率放大器的分 析，应为： 实际上，静态时，T4、T5 中通常还有几十 mA 的静态工作电流 ICQ 将产生管耗(ICQ· VCC)，选管时应予考虑。 可见，要求所选用的管子 VBR(CEO) &2VCC，ICM&VCC/(RL+R5) 和，且两只三极管的 β 值应尽量对称（特 别是在最大电流 ICmax 时）。 （b）互补对称三极管 T2、T3 的选用 ① T2、T3 的耐压仍应按 VBR(CEO)&2VCC 选择； ② 考虑到 T2、T3 管集电极电流在 R2 、 R3 上的分流作用，它们的最大值可近似估计为：； ③ T2、T3 的最大功耗通常 也按下列公式估计：。 T1 为小功率管，但其耐压也应按 2VCC 选用，R3 为其集 电极负载，最好用一恒流源取代。C5 为消振电容，其电容值通常为 100pF 左右。 调节电位器 RW 可改变输出晶体管 T2~T5 的静态工作电流，以克服交越失真。T1 管的静态工作电流通常设置在 5mA 左右，以适应 T2 级拉电流负载（VC1 升高时， T2、T4 工作）和 T3 级灌电流负载（VC1 降低时，T3、T5 工作）的需要，由此便&&&&可确定 R5 的大小：（取）。 （4）输出级的限流保护 由于功率放大器的输出电 阻很小， 因而容易因过载而烧坏功率管， 这里介绍两种限流保护电路， 如图 8-16 （a）和（b）所示。 图 8-16 功放电路输出级的限流保护电路 图 8-16（a）是 一种简单的二极管限流保护电路，当发生过流（I o 过大）时，R3 、R4 上的压 降增大到足以使 D3 、 导通， R4 从而使流向 T1 、 基极的电流信号 I1 、 分 T2 I2 流，以限制 I o 的增大，I o 的正向最大值和负向最大值可用下式表示： 显然， 这要求 VD3 、VD4 大于 0.7V。例如，可以用若干只二极管串联。图 8-16（a） 中，采用了二只红色发光二极管，每只二极管的正向电压约 1.6V，既满足了 、 大于 0.7V 的要求，又可以作过载指示。 图 8-16（b）是另一种限流保护电路， T3 、T4 是限流管`。当 I o 过大，R5 、R6 上的压降超过 0.6V 时，T3 、T4 导 通而防止了 T1 、T2 基极信号电流的进一步增大。I o 的最大值为，R3 、R4 用 来保护限流管 T3 、T4 。 五、制作与调试 1.制作电路底板； 2.根据上述电路 图及设计计算的参数选购元、器件，焊接、安装电路； 3.测量、调试各个单元 电路； 4.整体电路统调； 5.撰写实验报告。 实验九 低频数字频率计的设计一、 设计任务 设计一个简易的低频数字频率计。 二、 设计要求 1.测频范围：10.0 Hz ～ 9.99 KHz； 2.输入波形：函数信号发生器输出的方波，幅度为 5V； 3. 频率测量误差小于等于 1%； 4.频率测量响应时间不大于 15 秒； 5.具有超量程 指示功能。 为了保证信号频率的测量精度，要求把频率测量范围分成三个频段， 其最大显示数分别为：99.9 Hz、999. Hz 和 9.99 kHz。测量结果用三位半导体 数码管显示，要求显示数码稳定清晰。为此，需要控制频率显示的小数点位置， 及频率显示单位 Hz 或 kHz，具体要求如表 9－1 所示。当信号频率超过规定频段 的上限频率时，希望具有超量程指示。表 9－1 频率计的显示要求 频率范围 小 数点位置 单 位 响应时间 10 Hz ≤ ? ＜100 Hz ××. × Hz ≤12 秒 100 Hz ≤ ? ＜1 kHz ×××. Hz ≤2 秒 1 kHz ≤ ? ＜10 kHz ×.×× kHz ≤2 秒 三、 方案讨论 1.频率测量原理与方法 对周期信号的频率测量方法， 常用的下述几种 方法。 （1）测频法（M 法） 对频率为的周期信号，测频法的实现方法，用一 标准闸门信号（闸门信号为 TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结 果为 N1 时，其信号频率为：，式中 TG 为标准闸门宽度（s），N1 是由计数器计 出的脉冲个数（重复周期数），如图 9-1 所示。 图 9-1 测频法测量原理设在 TG 期间，计数器的精确计数值应为 N，根据计数器的计数特性可知，N1 的绝对误差 是或，N1 的相对误差为 由 N1 的相对误差可知，N（或 N1）的数值愈大，相对误 差愈小，成反比关系。因此，在 ? 已确定的条件下，为减小 N1 的相对误差，可 通过增大 TG 的方法来降低测量误差。但是，增大 TG 会使频率测量的响应时间变 长。 当 TG 为某确定值时，通常取 TG = 1 s，则有，而，故有的相对误差： 从 上式可知，的相对误差与成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率 越低，则测量误差越大。因此，M 法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量 精度也越高。（2）测周法（T 法） 首先把被测信号通过二分频，获得一个高电 平时间或低电平时间都是一个信号周期 T 的方波信号； 然后用一个已知周期 TOSC 的高频方波信号作为计数脉冲， 在一个信号周期 T 的时间内对信号进行计数，如 图 9-2 所示。 图 9-2 测周法测量原理 若在 T 时间内的计数值为 N2，则有 N2 的绝对误差为（或）。 N2 的相对误差为 T2 的相对误差为 从 T2 的相对误差可 以看出， 周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反 比。当为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。 （3）T/M 法 T/M 法测量是采用两个计数器，分别对被测信号和高频标准计数信号进行计&&&&数，T/M 法的测量原理如图 9-3 所示。 图 9-3 T/M 法测量原理 在确定的检测时 间内，若对被测信号的计数值为 N1，而对高频信号的计数值为