任務三LED電平顯示器的制作與測試技能訓練集成運放電壓比較器的制作與測試知識學習集成運放的非線性應用任務實施LED電平顯示器的制作與測試小結習題項目訓練音調前置放大器的制作與測試常識鏈接放大電路的調整與測試學習情境三

能力目標：

1.能正確分析、使用電壓比較器。

2.能正確分析并測試LED電平顯示器。

知識目標：

1.掌握集成運放工作在非線性區的條件。

2.掌握集成運放構成的電壓比較器的原理。

3.了解非正弦波信號發生器電路的結構及原理。

技能訓練集成運放電壓比較器的制作與測試

1.實訓目的

(1)掌握遲滯電壓比較器的電路構成及特點。

(2)學會測試比較器的方法。

2.實訓儀器與材料

3.實訓內容與步驟

(1)檢測實訓所用的元器件。

(2)按圖3.3.1在萬能板上焊接電路。

(3)檢查電路無誤后，接入正負電源(±15V)，并測試運放引腳的直流電壓。圖3.3.1電壓比較器電路

(4)測試電路。

①接入ui=UREF

=0(直接接地)，用萬用表測量輸出端的直流電壓大小，并記錄Uo=V，為(高電平/低電平)。

②使UREF=0V，ui

接入并微調ui

在±1V之間變化，用萬用表監測輸出直流電壓的大小變化情況，并記錄Uo的變化，是(無變化/產生翻轉)。

③使ui=1V，用萬用表測量輸出電壓的大小，并記錄Uo=V，是(高電平/低電平)。將UREF接入，并微調UREF

使電壓在0~2V之間變化，用萬用表監測輸出直流電壓的大小變化情況，并記錄Uo的變化，是(無變化/產生翻轉)。

④使UREF=2V，微調ui

在1~3V之間變化，用萬用表測量并觀察輸出電壓的變化情況，并記錄：恰好出現高電平向低電平翻轉或低電平向高電平翻轉時ui

=V(精確測量)，此值與UREF

=2V值(很接近/有較大差距)。

4.分析與思考

(1)說明此實訓中的集成運放所組成的電路是否有反饋，如有，是什么反饋?

(2)輸入電壓和參考電壓的大小對輸出電壓有怎樣的影響?

知識學習集成運放的非線性應用

一、電壓比較器在上述技能訓練項目中，當兩個輸入端電壓發生變化時，可以測得它的輸出只有兩種狀態：正向飽和電壓和負向飽和電壓(高電平或低電平)，根據輸出結果可以判斷兩個輸入端電壓ui和UREF的相對大小。像這樣能從輸出端的高、低電平來判斷兩個輸入端模擬電壓大小的電路，稱為電壓比較器。

其中，UREF通常是設定給未知電壓ui

比較的基準，稱為基

準電壓。電壓比較器分為單限電壓比較器和遲滯電壓比較器，實訓中的電路即為遲滯電壓比較器。集成運放組成電壓比較器時，工作在非線性區。

1.單限電壓比較器

圖3.3.2(a)、(c)所示為單限電壓比較器電路。集成運放工作在開環狀態，并工作在非線性區。在圖3.3.2(a)中，當ui>UREF

時，uo=-Uom

；當ui<UREF

時，uo=+Uom

；當ui=UREF

時，輸出電壓發生翻轉(稱此時的輸入電壓為單限電壓或閾值電壓，用UTH表示)。圖3.3.2(b)為它的傳輸特性。

在圖3.3.2(c)中，當ui>UREF

時，uo=+Uom

；當ui

<UREF

時，uo=-Uom

；當ui=UREF時輸出電壓發生翻轉。圖3.3.2(d)為它的傳輸特性。

當UREF=0時，即輸入電壓和零電平進行比較，稱為過零電壓比較器。

有時為了將輸出電壓限制在某一特定值，在比較器的輸出端與“地”之間跨接一個雙向穩壓二極管(稱為限幅穩壓管)，如圖3.3.3(a)所示，圖中R為限流電阻。如忽略穩壓管的正向導通壓降，如果+UCC=-UEE>UZ

，當ui>UR

時，uo=-UZ；當ui<UR時，uo=+UZ

(UZ

為穩壓管的穩定電壓值)。當輸入為正弦波時，輸出為矩形波，如圖3.3.3(b)所示。圖3.3.3帶穩壓二極管的單限電壓比較器及工作波形

2.遲滯電壓比較器

在前述的單限電壓比較器電路中，如果輸入信號的值恰好在轉換電壓附近，則會由于一些干擾使輸出電壓不斷地跳變，而遲滯電壓比較器能夠克服這個缺陷。圖3.3.1所示電

圖3.3.4遲滯電壓比較器的傳輸特性路為遲滯電壓比較器。圖中，輸入電壓從反向端輸入，由于輸出端接入了限幅穩壓管，所以輸出值為±UZ。從輸出端通過電阻R3連接到同相輸入端實現正反饋。這時，運放同相輸入端的轉折電壓值有兩個，分別用UTH1

和UTH2表示。

當輸出電壓為+U

Z

時

當輸出電壓為-U

Z

時，

設某一瞬時uo=+UZ

，當輸入電壓ui

增大到UTH1

時，輸出電壓uo

發生翻轉，轉變為-UZ

，當輸入電壓ui減少到UTH2

時，輸出電壓uo

再次發生翻轉，轉變為+UZ

，其傳輸特性如圖3.3.4所示。UTH1稱為上門限電壓，UTH2

稱為下門限電壓，兩者之差稱為回差電壓，用ΔUTH

表示為

圖3.3.4遲滯電壓比較器的傳輸特性

與單限電壓比較器相比，遲滯電壓比較器存在回差，回差提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號的峰值小于半個回差電壓，比較器就不會因為干擾而誤動作。

由集成運放組成的電壓比較器，其傳輸特性中的線性一般不陡峭，尚不理想。在要求較高的場合，可以采用具有高精度和高靈敏度特點的集成電壓比較器，如LM311(單電壓

比較器)LM339(雙電壓比較器)和LM393(四電壓比較器)等。

注意：集成電壓比較器輸出端一般為OC門，即集電極開路，需外接上拉電阻(參見《數字電路》—OC門電路)。

例3.3.1某同學用光敏電阻LDR制作了如圖3.3.5所示的光控電路來控制負載RL

工作。調試時發現RP

正好調整到一半時，負載RL就開始獲得電壓工作，求此時的光照環境下，光敏電阻LDR的等效電阻。圖3.3.5例3.3.1電路

解圖3.3.5中，集成運放接成了單限電壓比較器電路。

基準電壓：

負載RL

得電工作時，閾值電壓等于基準電壓，即

由此可得RLDR≈26.67kΩ。

二、非正弦信號發生器

1.矩形波發生器

不需要外加輸入信號就能輸出波形電壓的電路稱為信號發生器。用集成運放構成的矩形波發生器電路如圖3.3.6(a)所示。從圖中可以看出，它是在遲滯電壓比較器的基礎上，增加了一個由Rf

和C構成的負反饋電路，集成運放用作遲滯電壓比較器。電路沒有外加輸入電壓，其參考電壓加在同相輸入端，為R2

上的反饋電壓UR

，它是輸出電壓uo

(輸出電壓uo

被穩壓管DZ

限幅，只可能是±UZ

)的一部分，即

加在反相輸入端和UR進行比較的信號為電容C上的電壓uC

。

剛接通電源時，假設uo=+UZ，此時為正值，uC<UR

，uo經Rf向電容C充電，電容上的電壓uC

按指數規律增加。當uC

增加到uC=UR

時，uo

跳變到-UZ

，于是，這時uC>UR

，電容C開始通過Rf放電，而后又反向充電，當充電到uC=-UR

時，uo

又跳變到+UZ

，如此周而復始，在輸出端就得到了矩形波，如圖3.3.6(b)所示。圖3.3.6矩形波發生器電路及其波形

以上分析的電路輸出端得到的波形為高、低電平所占時間相等的波形，稱為方波。而要得到高、低電平所占時間不相等的矩形波，只要適當改變電容正、反向充電時間常數即可。如圖3.3.7所示為一矩形波發生器電路，該電路中，由于二極管的單向導電性，使電容的充放電電阻分別為R

5+R

4

和R

6+R4

，只要選擇R

6≠R

5

，使電容充放電時間常數不相等，即可得到矩形波輸出。圖3.3.7矩形波發生器

2.三角波發生器

應用集成運放還可構成三角波發生器，如圖3.3.8(a)所示，該電路由A1構成的遲滯比較器和A2

構成的反相積分器組成。圖3.3.8三角波發生器電路及其工作波形

運放A1

的反相輸入端電壓uA1-=0，其同相輸入端電壓由疊加定理可得

3.鋸齒波發生器

鋸齒波發生器電路與三角波發生器電路基本相同，只是把積分電路反相輸入端的電阻分為兩路，使積分器的正向積分和反向積分的速率不相同，從而形成鋸齒波。如圖3.3.9所示。圖(a)中RP

為可調電位器，VD1

、RP1

、C組成充電回路，VD2

、RP2

、C組成放電回路，調節RP

使RP1>RP2，則負向積分時間小于正向積分時間，相對應的輸出電壓uo線性上升段比下降段長，其波形如圖3.3.9(b)所示，A1

輸出的是矩形波電壓uo1

，A2

輸出的是鋸齒波電壓uo

。圖3.3.9鋸齒波發生器及其工作波形

任務實施LED電平顯示器的制作與測試

一、實訓目的

(1)掌握單限電壓比較器的結構及特點。

(2)學會使用電壓比較器。

(3)進一步熟練掌握集成運放的線性應用及非線性應用及其調試方法。

二、實訓儀器與材料

三、實訓內容與步驟

(1)檢測實訓所用元器件。

(2)按圖3.3.10所示在萬能板上焊接電路。

圖3.3.10LED電平顯示器

(3)電路測試。

①檢查電路無誤后，接通電源，將電源電壓調到8V左右，測試各集成運放的4腳和11腳電壓是否合適。如不符合要求，重新檢測電路。

②將電源調到8V左右，將撥動開關撥到1位置，將音頻信號送入話筒，調節電位器使發光二極管全部發光。

③將音樂信號送入話筒，觀察并記錄發光二極管的變化，同時將示波器接入A2~A8任一輸出端，觀察并記錄其波形。

④將撥動開關撥到2位置，用函數發生器調節出合適的正弦波，記錄輸入信號幅值與頻率，將其送入到外接輸入端，用示波器測試集成運放A8

的反相輸入端波形和輸出端波形，讀出其幅值，并記錄；同時測試運放A8

同相輸入端的電壓，并記錄。調節電壓和頻率的大小，觀察發光二極管的變化。

四、實訓評價

按附錄一(A)電路制作實訓評分表操作。

五、分析與思考

(1)本項目制作與測試電路中集成運放A1

與其他運放的外電路元件有什么不同?它們的功能又有什么不同?

(2)輸入正弦波后，通過示波器觀察到A8

的輸出波形還是正弦波嗎?為什么?

小結

電壓比較器是集成運放工作在非線性區的典型應用，輸出只有高電平和低電平兩種狀態，在門限電壓處翻轉。單限電壓比較器中運放通常工作在開環狀態，只有一個門限電壓。加有正反饋的比較器稱為遲滯比較器，又稱為施密特觸發器，它有上、下兩個門限電壓，兩者之差稱為回差電壓。電壓比較器可用來對兩個輸入電壓進行比較，并根據比較結果輸出高電平或低電平，廣泛應用于信號產生、信號處理和檢測電路中。

沒有外加輸入信號就能產生輸出信號的電路稱為信號發生器。非正弦波產生電路通常由比較器、積分電路和反饋電路等組成，其狀態的翻轉依靠電路中定時電容能量的變化。

習題

一、填空題

1.單限電壓比較器中的集成運放工作在，當ui>UREF

時，Uo=；當ui<UREF

時，Uo=；當ui=UREF

時，ui的值稱為，輸出電壓發生。

2.過零比較器，若希望ui>0時，輸出負極性電壓，則應將ui

接集成運放的相輸入端；若希望ui>0時，輸出正極性電壓，則應將ui接集成運放的相輸入端。

3.遲滯電壓比較器中，轉折電壓值有和兩個，它們的差稱為。

4.集成運放構成的矩形波發生器是在遲滯電壓比較器的基礎上，增加了由R和C構成的反饋電路。

二、選擇題

5.由集成運放組成的電壓比較器的工作狀態主要是()。

A.開環或正反饋狀態B.深度負反饋狀態

C.放大狀態D.線性工作狀態

6.遲滯電壓比較器的抗干擾能力取決于()。

A.UTH的大小B.UREF的大小

C.ΔUTH的大小D.ui的大小

7.由集成運放組成的矩形波發生電路產生的脈沖寬度由()決定。

A.負反饋電路的充電時間

B.負反饋電路的放電時間

C.ΔUTH的大小

D.負反饋電路的時間常數

三、綜合分析題

8.在圖3.3.11(a)的電路中輸入(b)所示的交流電壓，繪出電路的輸出電壓波形(集成運算放大器的UOH=6V，U

OL=-3V)。

圖3.3.11習題8圖

9.如圖3.3.12所示電路中，集成運算放大器的最大輸出電壓UOm=±12V，雙向穩壓管的值UZ=±6V，輸入信號ui=12sint(V)，在參考電壓UREF

為3V和-3V兩種情況下，試分別畫出輸出電壓波形。

圖3.3.12習題9圖

10.如圖3.3.13所示電路為監控報警裝置，UREF

為參考電壓，ui為被監控量的傳感器送來的監控信號，當ui

超過正常值時，指示燈亮報警。試說明其工作原理及圖中穩壓二極管和電阻R3

的作用。

圖3.3.13習題10圖

11.已知雙運放電壓比較器電路如圖3.3.14所示，UREFH>U

REFL，試分析其工作原理，畫出電壓傳輸特性。

圖3.3.14習題11圖

12.已知遲滯電壓比較器如圖3.3.15(a)所示，UREF

=4V，UZ

=4V，R1=R2

=10kΩ，R3=30kΩ，R4

=1kΩ。

(1)計算其門限電壓；

(2)若輸入電壓波形如圖(b)所示，試定性畫出輸出電壓uo

波形。圖3.3.15習題12圖

項目訓練音調前置放大器的制作與測試

一、實訓目的

(1)熟悉音頻前置放大器制作的基本步驟、注意事項和測試技術要求。

(2)掌握音頻小信號放大電路的靜態和動態指標的測試方法。

二、實訓儀器與材料

三、實訓內容與步驟

(1)按圖3.4.1所示電路在萬能板中進行元件布局排列、連接好電路。經反復檢查無誤后接通電源，輸入端接地，用萬用表檢測集成IC的1、2、3、5、6、7各腳的靜態工作電壓，并判斷是否正常。

圖3.4.1音調前置放大器電路

(2)將信號源調整為1000Hz接輸入端，再用雙蹤示波器同時監測輸入端與輸出端各自的波形，慢慢調節音量電位器RP1

。

①RP1調至最左端(衰減最大，負反饋最大)時，讀出輸入信號幅度為

mV，輸出信號幅度為

mV。

②RP1調至最右端(衰減最小，負反饋最小)時，讀出輸入信號幅度為

mV，輸出信號幅度為

mV(此時若輸出信號有失真，可適當減小R4

的值)。輸出信號的幅度調節范圍為

。

(3)保持音量電位器在最右端。

①把信號源調整為300Hz輸出，調節RP2

從最左到最右端，觀察輸出波形的變化幅度值。

②把信號源調整為12kHz輸出，調節RP3

從最左到最右端，觀察輸出波形的變化幅度值。

③把所得的測試結果與分立負反饋音調電路對比。

(4)將輸出幅度調節在一個合適的值，往下調整信號輸出頻率，在低頻段找出使輸出信號幅度為1000Hz輸出的0.707倍時的頻點為

，再往上調整信號輸出頻率，在高頻段找出使輸出信號幅度為1000Hz輸出的0.707倍時的頻點為，算出本放大電路的通頻帶為

。

(5)音樂試聽。用CD唱機的輸出接輸入端，播放頻帶較寬的樂曲節目，再用耳機接輸出端監聽。調節RP1改變聲音的大小，調節RP2

改變低音的幅度，調節RP3

改變高音的幅度，仔細聆聽有無失真現象，并判斷是否是因放大器性能不良而產生，并提出改進方案。

(6)撰寫實訓報告。

準確描述電路的功能，以及調試過程中的波形、數據分析等。

四、實訓評價

按附錄一(A)電路制作實訓評分表操作。

五、分析與思考

(1)分析本項目電路中A1的反饋。

(2)本項目電路中的音調電路結構與圖3.2.18所示的負反饋音調電路比較有什么區別?

常識鏈接放大電路的調整與測試

新設計制作的放大電路，往往難以一次達到預期的效果。因為在設計時，不可能全面考慮到元器件參數的分散性、寄生參數等各種復雜的因素，并且安裝過程中仍可能存在沒有發現的錯誤。通過對電路板的測試和調整，可發現和糾正設計方案的不足，并查出電路安裝中的錯誤，然后采取措施加以改進，使之達到預定的技術要求。

一、通電前的檢查

電路安裝完畢后，必須在不通電的情況下，對電路板進行認真細致的檢查，以便糾正安裝錯誤。檢查過程中可借助指針式萬用表“R×1”擋或數字式萬用表“Ω”擋的蜂鳴器來測量。測量時應直接測量元器件引腳，這樣可以同時發現接觸不良的地方，同時應特別注意:

(1)元器件引腳之間有無短路；

(2)電源的正、負極性有沒有接反，有沒有短路，電源線、地線是否接觸可靠；

(3)二極管與電解電容極性有沒有接反，三極管、集成電路引腳接線有沒有接錯，集成電路的型號及安插方向對不對，引腳連接處有無接觸不良等。

二、通電調試

調試包括測試和調整，測試是對安裝完成的電路板的參數及工作狀態進行測量，為調整電路提供依據，經過反復的測量和調整，就可使電路性能達到要求。最后還應通過測試

獲得電路的各項主要性能指標，以作為撰寫調試報告的依據。

調試前，應在電路原理圖上標明元器件參數、主要測試點的電位值及相應的波形圖。具體調試步驟如下。

(1)通電靜態觀察、測試與調整方法。

把經過測量的電源(最好接電壓表和電流表)接入電路時，按動開關的手不應急于離開，而應先觀察有無異?，F象，包括電路中有無冒煙、有無異常氣味、元器件是否發燙，以及電源輸出有無短路現象等。如出現異?，F象，則應立即斷電，檢查電路，排除故障，待故障排除后方可重新通電，然后再測各測試點電壓是否滿足要求。

(2)靜態調試。

調整測量放大電路靜態工作狀態的目的，是為了保證放大器能工作在線性狀態，同時，通過直流電位的測量，可發現電路設計、電路安裝以及電路元器件損壞等故障。方法如下:

接通直流電源，并令放大電路輸入端對“地”交流短路，測量電路有關點的直流電位，并與理論估算值相比較。若偏差不大，則可調整電路有關電阻，使電位值達到所需值；若偏差太大或不正常，則應檢查電路有沒有故障，測量有沒有錯誤，以及讀數是否看錯等。進行靜態調試時，若要測量電路中的電流，一般不采用斷開電路串入電流表的方法，而是

用電壓表測量已知電阻上的壓降，然后通過換算得到電流。

(3)動態調試。

放大器的動態調試應在靜態調試已完成的基礎上進行。動態調試的目的是為了使放大電路的增益、輸出電壓動態范圍、波形失真、輸入和輸出電阻等性能達到要求。

在電路的輸入端接入適當頻率和幅度的信號，并循著信號的流向，逐級檢測各有關點的波形，估算電路性能指標，然后進行適當調整，使指標達到要求。經調整初測符合要求后，則可進行電路性能指標的全面測量。

測試過程中，要通過儀器仔細觀察，做到邊測量，邊記錄，邊分析，邊解決問題。

①增益的測量。測量放大電路的電壓增益需要采用信號發生器、電子交流毫伏表、電子示波器以及直流穩電源等儀器設備，其接線如圖3.4.2所示。測量時應注意合理選擇輸入信號的幅度和頻率。輸入信號過小，則不便于觀察，且容易串入干擾;輸入信號過大，會造成失真。輸入信號的頻率應在電路工作頻帶中頻區域內。另外還應注意，由于信號源都有一定的內阻，所以測量ui時，必須在被測電路與信號源連接后進行測量。圖3.4.2放大電路增益測量電路接線圖

②輸入電阻的測量。測量輸入電阻的方法很多，圖3.4.3所示為常用的電流電壓法測量輸入電阻的電路，圖中，

R為外接測試輔助電阻，

R

L為放大器輸出端所接實際負載電

阻。用一個合適的U

i(頻率在頻帶內中頻區域)接入，即可測得U

id(此時的輸出電壓u

o應為不失真的正弦波)。由測得的U

i

和U

id

，即可求得電路的輸入電阻R

i

為圖3.4.3輸入電阻測量電路

測量輔助電阻R的數值應選擇適當，不宜太大或太小。R太大，將使U

id的數值很小，從而加大Ri的測量誤差；R太小，則U

i

與Uid

讀數又十分接近，導致U

i-U

id

的誤差增大，故也使R

i的測量誤差加大。一般選取R

與R

i為同數量級的電阻。

當被測電路輸入電阻很高時，上述測量法將因R和電壓表的接入而在輸入端引起較大的干擾誤差。特別是電壓表內阻不是很高時，將會使u

i

、u

id的測量值偏小。

③輸出電阻的測量。測量電路如圖3.4.4所示。把放大器輸出端口等效為電壓