電冰箱冷藏室溫控器的安裝與調(diào)試目錄學(xué)習(xí)目標(biāo)工作任務(wù)知識(shí)鏈接知識(shí)小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.能正確判斷反饋類(lèi)型及電路連接。2.能利用集成運(yùn)算放大器正確連接各種線(xiàn)性應(yīng)用電路。3.能正確檢測(cè)元器件和調(diào)試電路。知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)了解半導(dǎo)體的基本知識(shí),熟悉二極管、三極管的結(jié)構(gòu)及特性;掌握橋式整流電路的組成,了解集成運(yùn)放的基本構(gòu)成和工作特點(diǎn);了解反饋放大器的基本構(gòu)成及負(fù)反饋放大器對(duì)電路性能的影響;理解虛短、虛斷和虛地的概念;理解反饋及深度負(fù)反饋的概念。熟悉集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用與非線(xiàn)性應(yīng)用;熟悉負(fù)反饋的極性判斷、類(lèi)型,以及4種組態(tài)類(lèi)型。返回素質(zhì)目標(biāo)1.樹(shù)立專(zhuān)業(yè)意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)等職業(yè)素養(yǎng)。2.培養(yǎng)安全意識(shí)、規(guī)范意識(shí)等職業(yè)素養(yǎng)。工作任務(wù)圖4.1電冰箱冷藏室溫控器電路原理圖

（1）了解電冰箱冷藏室溫控器電路的基本結(jié)構(gòu)。

（2）體會(huì)集成運(yùn)放非線(xiàn)性應(yīng)用——的電壓比較器控制電冰箱冷藏室上限溫度和下限溫度的方法。

（3）掌握繼電器與三極管放大器的結(jié)合使用，掌握反饋在電冰箱系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.實(shí)訓(xùn)目標(biāo)

（1）各小組制訂工作計(jì)劃,小組成員按分配任務(wù)開(kāi)展工作。（2）識(shí)別原理圖,明確元器件連接和電路連線(xiàn)。（3）畫(huà)出裝配圖。（4）完成電路所需元器件的購(gòu)買(mǎi)與檢測(cè)。（5）根據(jù)裝配圖,選擇合適的敷銅板焊接、制作電路。（6）自主完成電路功能檢測(cè)和故障排除。（7）各小組討論完成電路的詳細(xì)分析并撰寫(xiě)任務(wù)工單。2.任務(wù)要求（1）作為冷藏室溫度傳感器的熱敏電阻RT，其阻值隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大。（2）電路組成：由電阻R1、R2和R3組成電冰箱溫度下限控制電路，由電阻R4、R5組成電冰箱溫度上限控制電路，由集成運(yùn)放A1、A2和與非門(mén)G1、G2組成電壓比較及轉(zhuǎn)換輸出電路，由繼電器KA和三極管VT組成電冰箱壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制電路。（3）電路工作原理：因某種原因，冷藏室溫度升高，傳感器電阻隨之減小，運(yùn)放A1反相輸入端和運(yùn)放A2同相輸入端電壓隨之增大。3.實(shí)訓(xùn)電路與說(shuō)明4.實(shí)訓(xùn)設(shè)備與元器件

（1）實(shí)訓(xùn)設(shè)備：模擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置1臺(tái)（2）元器件需求明細(xì)表。5.安裝與調(diào)試

安裝。電路可以連接在自制的PCB上,也可以焊接在萬(wàn)能板上,或者通過(guò)面包板插接。調(diào)試。①如果沒(méi)有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF53-502-3950(最小電阻為5kΩ),則實(shí)訓(xùn)時(shí)可用4.7kΩ的電阻表示電冰箱上限溫度時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的電阻,可用100kΩ的電阻表示電冰箱下限溫度時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的電阻。在溫度傳感器處可放置一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)打到一邊接4.7kΩ的電阻,打到另一邊接100kΩ的電阻。分別觀察電路的工作情況。②驗(yàn)證時(shí)可用電燈泡代替壓縮機(jī)觀察工作情況。6.評(píng)價(jià)反饋

評(píng)分表(與項(xiàng)目1任務(wù)工單的評(píng)分表一樣)。4.1.1反饋的概念與判斷1.集成運(yùn)放的基本知識(shí)集成運(yùn)放由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)及偏置電路4部分組成,如圖4.5所示。集成運(yùn)放的電路圖形符號(hào)如圖4.6所示。4.1負(fù)反饋放大器知識(shí)鏈接圖4.5

集成運(yùn)放的組成圖4.6

集成運(yùn)放的電路圖形符號(hào)2.反饋的概念將放大器輸出回路信號(hào)(電壓或電流)的部分或全部,通過(guò)一定形式的電路(稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò))返送到輸入回路,從而影響(增強(qiáng)或削弱)凈輸入信號(hào),這種信號(hào)的返送過(guò)程稱(chēng)為反饋。圖4.7

反饋放大器3.反饋極性的判斷在判斷反饋的類(lèi)型之前,應(yīng)看放大器的輸出端與輸入端之間有無(wú)電路連接,以便由此確定有無(wú)反饋。不同類(lèi)型反饋電路的性質(zhì)是不同的。因此,在分析實(shí)際反饋電路時(shí),必須首先判別其屬于哪種反饋類(lèi)型。若反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)加強(qiáng),則稱(chēng)為正反饋;反之,若反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減弱,則稱(chēng)為負(fù)反饋。當(dāng)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)在不同節(jié)點(diǎn)時(shí),如果兩者極性相同,則為負(fù)反饋;極性相反,則為正反饋。當(dāng)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)在相同節(jié)點(diǎn)時(shí),如果兩者極性相同,則為正反饋;極性相反,則為負(fù)反饋。圖4.8

用瞬時(shí)極性法判斷反饋極性4.直流反饋與交流反饋如果反饋信號(hào)中只有直流成分,即反饋元件只能反映直流量的變化,則稱(chēng)為直流反饋;如果反饋信號(hào)中只有交流部分,即反饋元件只能反映交流量的變化,則稱(chēng)為交流反饋。在有些情況下,反饋信號(hào)中既有直流成分,又有交流成分,稱(chēng)為交直流反饋。5.電壓反饋與電流反饋如果反饋信號(hào)取自輸出電壓,則稱(chēng)為電壓反饋[見(jiàn)圖4.8(a)],其反饋信號(hào)正比于輸出電壓;如果反饋信號(hào)取自輸出電流,則稱(chēng)為電流反饋[見(jiàn)圖4.8(b)],其反饋信號(hào)正比于輸出電流。6.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋如果反饋信號(hào)在放大器輸入端以電壓的形式出現(xiàn),在輸入端必定與輸入電路串聯(lián),這就是串聯(lián)反饋;如果反饋信號(hào)在放大器輸入端以電流的形式出現(xiàn),在輸入端必定與輸入電路并聯(lián),這就是并聯(lián)反饋?？梢酝ㄟ^(guò)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在基本放大器輸入端的連接方式來(lái)判斷串、并聯(lián)反饋。如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串接在基本放大器輸入端的不同節(jié)點(diǎn),則為串聯(lián)反饋;如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并接在基本放大器輸入端的同一節(jié)點(diǎn),則為并聯(lián)反饋。由此可知圖4.5(a)、(b)、(c)、(d)分別為并聯(lián)反饋、串聯(lián)反饋、并聯(lián)反饋、串聯(lián)反饋。1.電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4.9所示為一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。圖中反饋信號(hào)(反饋回反相輸入端)與輸入信號(hào)(從同相輸入端輸入)串接在基本放大器輸入端的不同節(jié)點(diǎn),為串聯(lián)反饋。當(dāng)uo=0時(shí),uf隨之消失,故為電壓反饋。按照瞬時(shí)極性法,設(shè)同相輸入信號(hào)瞬時(shí)極性為⊕,則運(yùn)放輸出信號(hào)為⊕,經(jīng)反饋元件Rf回傳至同相輸入端也為⊕,結(jié)果使運(yùn)放的凈輸入信號(hào)減小,因此這種反饋的極性為負(fù)反饋(當(dāng)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)在不同節(jié)點(diǎn)時(shí),如果兩者極性相同,則為負(fù)反饋)。4.1.2負(fù)反饋的四種組態(tài)3.電流串聯(lián)負(fù)反饋圖4.11

電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器4.電流并聯(lián)負(fù)反饋圖4.12

電流并聯(lián)負(fù)反饋放大器為了實(shí)現(xiàn)反饋,必須有一個(gè)既連接輸出回路又連接輸入回路的中間環(huán)節(jié),稱(chēng)為反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋網(wǎng)絡(luò)一般由電阻、電容組成。反饋放大器可用方框圖加以說(shuō)明,如圖4.13所示。4.1.3反饋放大器的一般表達(dá)式圖4.13

反饋放大器的方框圖反饋放大器的一般表達(dá)式,又稱(chēng)基本關(guān)系式放大器引入負(fù)反饋后,會(huì)減小放大倍數(shù),但其他性能卻可以得到改善,如提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、展寬通頻帶、減小非線(xiàn)性失真、產(chǎn)生對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響等。1.減小放大倍數(shù)2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性4.1.4負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響3.展寬通頻帶由于電路電抗元件及三極管本身結(jié)電容的存在,放大器放大倍數(shù)隨頻率而變化。即中頻段放大倍數(shù)擴(kuò)大,而高頻段和低頻段放大倍數(shù)隨頻率的升高或降低而減小。這樣,放大器的通頻帶就比較窄,如圖4.14fBW所示。4.減小非線(xiàn)性失真非線(xiàn)性失真是由放大器元件的非線(xiàn)性引起的。一個(gè)無(wú)反饋的放大器雖然設(shè)置了合適的靜態(tài)工作點(diǎn),但當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí),也可使輸出信號(hào)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。圖4.15

負(fù)反饋減小非線(xiàn)性失真示意圖5.產(chǎn)生對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響(1)對(duì)輸入電阻的影響。負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響如圖4.16所示。(2)對(duì)輸出電阻的影響。圖4.16

負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響綜合上述,可將負(fù)反饋對(duì)放大器輸入、輸出電阻的影響總結(jié)列于表4.1。集成運(yùn)放早期主要應(yīng)用于信號(hào)的運(yùn)算方面,所以又把它稱(chēng)為運(yùn)算放大器,其內(nèi)部實(shí)質(zhì)是一種性能優(yōu)良的多級(jí)直接耦合放大器。它是一種通用性較強(qiáng)的多功能器件,通過(guò)把一些特定的半導(dǎo)體器件、電阻及連接導(dǎo)線(xiàn)集中制造在一塊半導(dǎo)體基片上,以實(shí)現(xiàn)某種功能。由于其體積小、成本低、工作可靠性高、易組裝調(diào)試,其應(yīng)用已不再局限于信號(hào)的運(yùn)算方面,幾乎在所有的電子技術(shù)領(lǐng)域都有應(yīng)用。4.2集成運(yùn)放知識(shí)鏈接1.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)為了描述集成運(yùn)放的性能,方便正確地選用和使用集成運(yùn)放,必須明確它的主要技術(shù)指標(biāo)的意義。(1)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod。它是指集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)(無(wú)反饋電路)情況下的差模電壓放大倍數(shù)。這個(gè)值越大越好,理想集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大。(2)差模輸入電阻Rid。它是指集成運(yùn)放兩輸入端在輸入差模信號(hào)時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗,其值越大,對(duì)上一級(jí)放大器或信號(hào)源的影響就越小,在理想情況下其值應(yīng)為無(wú)窮大。(3)輸出電阻Rod。集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)工作時(shí),從輸出端對(duì)地看進(jìn)去的等效電阻即輸出電阻,其大小反映了集成運(yùn)放的帶負(fù)載能力,越小帶負(fù)載能力越強(qiáng)。在理想情況下其值應(yīng)為零。(4)共模抑制比KCMR。共模抑制比為開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開(kāi)環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比。通常其比值越大,集成運(yùn)放抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。在理想情況下其值應(yīng)為無(wú)窮大。在分析集成運(yùn)放時(shí),常常將它看作理想集成運(yùn)放,這樣可以簡(jiǎn)化分析過(guò)程,并且計(jì)算產(chǎn)生的誤差也很小。4.2.1集成運(yùn)放的概述2.理想集成運(yùn)放的傳輸特性(1)在深度負(fù)反饋?zhàn)饔孟?集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。在理想情況下,因?yàn)?而uo是一個(gè)有限值,故u+=u-,稱(chēng)為虛短,即兩個(gè)輸入端之間的電壓為零,但不是真正短路;又因?yàn)榧蛇\(yùn)放的輸入阻抗Rid→∞,故i+=i-=0,稱(chēng)為虛斷,即輸入端相當(dāng)于斷路,但不是真正斷路。圖4.17

集成運(yùn)放的電壓傳輸特性(2)在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)下,集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)即飽和區(qū)。輸出電壓是一個(gè)恒定值,可正可負(fù)。若u+>u-,則輸出uo=+uomax;若u+<u-,則輸出uo=-uomax。在非線(xiàn)性區(qū),集成運(yùn)放的差模輸入電壓u+-u-可能較大,即u+≠u(mài)-,此時(shí)虛短不復(fù)存在。在非線(xiàn)性區(qū),雖然集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位不等,但因?yàn)槔硐爰蛇\(yùn)放的Rid→∞,故仍可認(rèn)為理想集成運(yùn)放的輸入電流等于零,即i+=i-=0。此時(shí),虛斷仍然成立。集成運(yùn)放和外接電阻、電容構(gòu)成比例、加法和減法、微分和積分等基本運(yùn)算電路,這些運(yùn)算電路都存在負(fù)反饋電路,因此都工作在線(xiàn)性區(qū)。在分析這些電路時(shí),可利用集成運(yùn)放在線(xiàn)性區(qū)虛短和虛斷的特點(diǎn)進(jìn)行分析,推導(dǎo)出相應(yīng)的運(yùn)算公式。4.2.2集成運(yùn)放的線(xiàn)性應(yīng)用1.反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路又稱(chēng)反相放大器,如圖4.18所示。輸入電壓ui經(jīng)R1加到集成運(yùn)放的反相輸入端,輸出電壓uo經(jīng)Rf反饋至反相輸入端,形成深度的電壓并聯(lián)負(fù)反饋,集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。其同相輸入端經(jīng)電阻R2接地。根據(jù)虛短和虛斷的特點(diǎn),u+=u-且u+=0,故u-=0。這表明集成運(yùn)放反相端與地端等電位,但不是真正接地,稱(chēng)為虛地。圖4.18

反相比例運(yùn)算電路例4.2

在圖4.18中,已知Rf=400Ω,R1=20Ω,求電壓放大倍數(shù)Auf及平衡電阻R2的值。2.同相比例運(yùn)算電路圖4.19所示為同相比例運(yùn)算電路。輸入電壓ui經(jīng)R2加到集成運(yùn)放的同相輸入端,其反相輸入端經(jīng)R1接地。輸出電壓uo經(jīng)Rf和R1分壓后,取R1上的分壓作為反饋信號(hào)加到集成運(yùn)放的反相輸入端,形成負(fù)反饋,集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。圖4.19

同相比例運(yùn)算電路在uo與ui的比例關(guān)系中,是一個(gè)定值,且總大于或等于1,輸出電壓和輸入電壓同相,電壓放大倍數(shù)Auf只取決于Rf和R1,而與集成運(yùn)放內(nèi)部各參數(shù)無(wú)關(guān)。如果在同相比例運(yùn)算電路中,Rf=0或R1=∞(開(kāi)路),uo=ui,就可得到如圖4.20所示的電路,輸出電壓等于輸入電壓,并且相位相同,這種電路稱(chēng)為電壓跟隨器。圖4.20

電壓跟隨器3.加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路如圖4.21所示,電路對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)求和。它在反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上,在反相輸入端增加輸入信號(hào)。圖4.21

加法運(yùn)算電路4.減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路如圖4.22所示,電路所完成的功能是對(duì)反相輸入端和同相輸入端的輸入信號(hào)進(jìn)行比例減法運(yùn)算,分析電路可知,它相當(dāng)于由一個(gè)同相比例放大器和一個(gè)反相比例放大器組合而成。圖4.22

減法運(yùn)算電路例4.3

圖4.23所示為電壓放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)的運(yùn)放電路。已知R1=R2=10kΩ,Rf=20kΩ,RP=20kΩ。求電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍。解:當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)至最上端時(shí),同相輸入端接地,電路成為單一的反相比例運(yùn)算電路,這時(shí)電壓放大倍數(shù)為當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)至最下端時(shí),這時(shí)電路成為減法運(yùn)算電路,這時(shí)電壓放大倍數(shù)為因此,電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍是-2~2。5.積分運(yùn)算電路圖4.24所示為積分運(yùn)算電路,它是在反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上把電阻Rf用電容Cf代替作為負(fù)反饋元件。由虛短u+=u-=0及虛斷i+=i-=0可得輸出電壓uo等于電容兩端的電壓,即R1Cf稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù),用τ表示,其值的大小反映了積分的強(qiáng)弱。圖4.24

積分運(yùn)算電路6.微分運(yùn)算電路將積分運(yùn)算電路的R1和Cf位置互換就構(gòu)成了微分運(yùn)算電路,如圖4.25所示。由虛短和虛斷概念可知圖4.25

微分運(yùn)算電路當(dāng)集成運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí),由于開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高,即使輸入端有一個(gè)非常微小的差值信號(hào),也會(huì)使集成運(yùn)放達(dá)到飽和,所以集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)。電壓比較器是最常見(jiàn)的由工作在非線(xiàn)性區(qū)的集成運(yùn)放組成的應(yīng)用。電壓比較器是將輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果以高電平或低電平的形式輸出,其輸入是連續(xù)變化的模擬信號(hào),而輸出是數(shù)字電壓波形。電壓比較器經(jīng)常應(yīng)用在波形變換、信號(hào)發(fā)生、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等電路中。4.2.3集成運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用——電壓比較器1.基本電壓比較器由理想集成運(yùn)放的非線(xiàn)性區(qū)的特點(diǎn)可知。當(dāng)輸入電壓ui>UREF時(shí),uo=-Uomax;當(dāng)輸入電壓ui<UREF時(shí),uo=Uomax。由此可看出,輸出電壓具有兩個(gè)穩(wěn)定值,同時(shí)可繪制電壓比較器的輸入、輸出電壓關(guān)系曲線(xiàn),也叫作電壓傳輸特性曲線(xiàn),如圖4.26所示。圖4.26

基本電壓比較器的電路和電壓傳輸特性如果把R2左端接地,即UREF=0,這時(shí)電路成為過(guò)零電壓比較器。其電路和電壓傳輸特性如圖4.27所示。過(guò)零電壓比較器能將輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波,如圖4.28所示。有時(shí)為了獲取特定輸出電壓或限制輸出電壓,在輸出端采用穩(wěn)壓管限幅,如圖4.29所示。圖4.27

過(guò)零電壓比較器的電路和電壓傳輸特性圖4.28

過(guò)零電壓比較器波形圖4.29

輸出端采用穩(wěn)壓管限幅當(dāng)輸入電壓ui大于基準(zhǔn)電壓UREF時(shí),UZ正向?qū)?不考慮二極管正向管壓降時(shí),輸出電壓uo=0。當(dāng)輸入電壓ui小于基準(zhǔn)電壓UREF時(shí),UZ反向?qū)ㄏ薹?不考慮二極管正向管壓降時(shí),輸出電壓uo=UZ。因此,輸出電壓被限制在0~UZ。為了保護(hù)集成運(yùn)放,防止因輸入電壓過(guò)高而損壞集成運(yùn)放,在集成運(yùn)放的兩輸入端之間并聯(lián)兩只二極管進(jìn)行限幅,使過(guò)大的電壓或干擾