P5立體聲調(diào)音控制器的設(shè)計(jì)與制作

1、P5 立體聲調(diào)音控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試P5M1 集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路的測(cè)試學(xué)習(xí)目標(biāo)：能正確測(cè)試集成運(yùn)算放大器的各種應(yīng)用電路的基本特性。理解集成運(yùn)算放大器的各種應(yīng)用電路的功能、電路構(gòu)成、工作原理和電路中各元器件的作用。能對(duì)集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路進(jìn)行分析和計(jì)算。能對(duì)電路中的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷并加以解決。能設(shè)計(jì)和制作立體聲調(diào)音控制器，并能通過(guò)調(diào)試得到正確結(jié)果。工作任務(wù)：集成運(yùn)算放大器基本應(yīng)用電路特性的測(cè)試與結(jié)果的描述。立體聲調(diào)音控制器的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。撰寫設(shè)計(jì)文檔與測(cè)試報(bào)告。一、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之一-比例運(yùn)算電路1. 理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo) 理想集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)有： （1）開環(huán)電

2、壓放大倍數(shù)Aud; （2）輸入電阻rid; （3）輸出電阻rod0。 此外還有:沒有失調(diào),沒有失調(diào)溫漂,共模抑制比趨于無(wú)窮大等。盡管理想運(yùn)放并不存在,但由于集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)都比較接近理想值,在具體分析時(shí)將其理想化是允許的,這種分析所帶來(lái)的誤差一般比較小,可以忽略不計(jì)。 2集成運(yùn)放的傳輸特性 實(shí)際電路中集成運(yùn)放的傳輸特性如圖5.1所示。 3集成運(yùn)放的線性應(yīng)用 集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負(fù)反饋。 當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),輸出電壓在有限值之間變化,而集成運(yùn)放的 Aud,則uid=uod/Aud0,由uid=uu,得 （5.） 上式說(shuō)明,同相端和反相端電壓幾乎相等,所以稱為虛假短路,

3、簡(jiǎn)稱“虛短”。由集成運(yùn)放的輸入電阻rid,得 （5.） 上式說(shuō)明,流入集成運(yùn)放同相端和反相端的電流幾乎為零,所以稱為虛假斷路,簡(jiǎn)稱“虛斷”。(1)反相輸入比例運(yùn)算電路 如圖5.2（a）所示為反相輸入比例運(yùn)算電路。圖5.2 反相輸入比例運(yùn)算電路又因?yàn)?所以 即或輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系,且相位相反。此外,由于反相端和同相端的對(duì)地電壓都接近于零,所以集成運(yùn)放輸入端的共模輸入電壓極小,這就是反相輸入電路的特點(diǎn)。 當(dāng)R1=Rf=R時(shí), ,輸入電壓與輸出電壓大小相等,相位相反,稱為反相器。 由于反相輸入比例運(yùn)算電路引入的是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋,所以，輸入電阻為 輸出電阻為 (2) 同相輸入比例運(yùn)算電路

4、 在圖5.3（a）中,輸入信號(hào)ui經(jīng)過(guò)外接電阻R2接到集成運(yùn)放的同相端,反饋電阻接到其反相端,構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 所以或圖5.3 同相輸入比例運(yùn)算電路 當(dāng)Rf=0或R1時(shí),如圖5.4所示, ,即輸出電壓與輸入電壓大小相等,相位相同,該電路稱為電壓跟隨器。  由于同相輸入比例運(yùn)算電路引入的是深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋,所以，輸入電阻為 rif=（1+AF）rid 輸出電阻為二、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之二-加法電路 如下圖所示。根據(jù)“虛斷”的概念可得:其中 再根據(jù)“虛地”的概念可得則 實(shí)現(xiàn)了各信號(hào)按比例進(jìn)行加法運(yùn)算。如取R1=R2=Rn=Rf則uo=(ui1+ui2+uin),實(shí)現(xiàn)了各輸入信

5、號(hào)的反相相加。三、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之三-減法電路 1.能實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算的電路如圖5.6（a）所示。 圖5.6 減法電路 根據(jù)疊加定理,首先令ui1=0,當(dāng)ui2單獨(dú)作用時(shí),電路 成為反相比例運(yùn)算電路,如圖5.(b)所示,其輸出電壓為再令ui2=0,ui1單獨(dú)作用時(shí),電路成為同相比例運(yùn)算電 路,如圖5.（c）所示,同相端電壓為其輸出電壓為 這樣 當(dāng)R1=R2=R3=Rf=R時(shí),uo=ui1ui2。在理想情況下,它的輸出電壓等于兩個(gè)輸入信號(hào)電壓之差,具有很好的抑制共模信號(hào)的能力。但是,該電路作為差動(dòng)放大器有輸入電阻低和增益調(diào)節(jié)困難兩大缺點(diǎn)。因此,為了滿足輸入阻抗和增益可調(diào)的要求,在工程上常采

6、用多級(jí)運(yùn)放組成的差動(dòng)放大器來(lái)完成對(duì)差模信號(hào)的放大。四、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之四-積分電路 圖5.8(a)所示為積分(運(yùn)算)電路圖5.8 積分運(yùn)算電路 上式表明,輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分,且相位相反。 積分電路的波形變換作用如圖5.8(b)所示,可將矩形波變成三角波輸出。積分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用以延緩過(guò)渡過(guò)程的沖擊,使被控制的電動(dòng)機(jī)外加電壓緩慢上升,避免其機(jī)械轉(zhuǎn)矩猛增,造成傳動(dòng)機(jī)械的損壞。積分電路還常用來(lái)做顯示器的掃描電路,以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算等。 五、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之五-微分電路 將積分電路中的和互換,就可得到微分(運(yùn)算)電路,如圖5.9(a)所示。在這個(gè)電路中

7、,點(diǎn)同樣為“虛地”,即uA0,再根據(jù)“虛斷”的概念,i0,則iRiC。假設(shè)電容的初始電壓為零,那么則輸出電壓 上式表明,輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分,且相位相反。圖5.9 微分運(yùn)算電路微分電路的波形變換作用如圖6.9(b)所示,可將矩形波變成尖脈沖輸出。微分電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可用作加速環(huán)節(jié),例如電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路故障時(shí),起加速保護(hù)作用,迅速降低其供電電壓。六、 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用電路之六- 有源濾波電路  1.濾波電路的分類及幅頻特性 所謂濾波,就是保留信號(hào)中所需頻段的成分,抑制其它頻段信號(hào)的過(guò)程。 根據(jù)輸出信號(hào)中所保留的頻率段的不同,可將濾波分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾

8、波等四類。它們的幅頻特性如圖5.14所示,被保留的頻率段稱為“通帶”,被抑制的頻率段稱為“阻帶”。Au為各頻率的增益,Aum為通帶的最大增益。圖濾波電路的幅頻特性(a)低通濾波；(b)高通濾波；(c)帶通濾波；(d)帶阻濾波濾波電路的理想特性是: (1)通帶范圍內(nèi)信號(hào)無(wú)衰減地通過(guò)，阻帶范圍內(nèi)無(wú)信號(hào)輸出; (2)通帶與阻帶之間的過(guò)渡帶為零。.無(wú)源濾波電路 圖所示的R、C網(wǎng)絡(luò)為無(wú)源濾波電路。 (1)由于R及C上有信號(hào)壓降,使輸出信號(hào)幅值下降; (2)帶負(fù)載能力差,當(dāng)RL變化時(shí),輸出信號(hào)的幅值將隨之改變,濾波特性也隨之變化; (3)過(guò)渡帶較寬,幅頻特性不理想。圖6.15 無(wú)源濾波電路.有源濾波電路

9、為了克服無(wú)源濾波電路的缺點(diǎn),可將RC無(wú)源濾波電路接到集成運(yùn)放的同相輸入端。因?yàn)榧蛇\(yùn)放為有源元件,故稱這種電路為有源濾波電路。 1)有源低通濾波電路 圖6.16(a)為一階有源低通濾波電路圖有源低通濾波電路(a)一階；(b)二階R和C為無(wú)源低通濾波器,運(yùn)算放大器接成同相比例 放大組態(tài),對(duì)輸入信號(hào)中各頻率分量均有如下的關(guān)系:由上式可看出,輸入信號(hào)頻率越高,相應(yīng)的輸出信號(hào)越小,而低頻信號(hào)則可得到有效的放大,故稱為低通濾波器。 令則當(dāng)0時(shí),|u|=0.707(1+Rf/R1),其中(1+Rf/R1)是此電路的最大增益um。2）有源高通濾波電路 圖6.16(a)中R和C的位置調(diào)換,就成為有源高通濾波電

10、路,如圖所示。在圖中,濾波電容接在集成運(yùn)放輸入端,它將阻隔、衰減低頻信號(hào),而讓高頻信號(hào)順利通過(guò)。 同低通濾波電路的分析類似,我們可以得出有源高通濾波電路的下限截止頻率為f0=1/(2RC),對(duì)于低于截止頻率的低頻信號(hào),|u|<0.707|um|。圖6.18 有源高通濾波電路6.4 電壓比較器 電壓比較器的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬量的大小,并由輸出端的高、低電平來(lái)表示比較結(jié)果。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用的典型電路,它可分為單門限電壓比較器和滯回電壓比較器兩類。6.4.1 單門限電壓比較器 單門限電壓比較器的基本電路如圖6.21(a)所示 圖6.21 單門限電壓比較電路若希望當(dāng)ui&

11、gt;uREF時(shí),uo=Uom,只需將ui與REF調(diào)換即可,如圖（c）所示,其傳輸特性如圖（d）所示。圖6.22 過(guò)零電壓比較器的波形轉(zhuǎn)換作用6.4.2 遲滯電壓比較器   以上介紹的比較器其狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的門限電壓是在某一個(gè)固定值上。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),如果實(shí)際測(cè)得的信號(hào)存在外界干擾,即在正弦波上疊加了高頻干擾,過(guò)零電壓比較器就容易出現(xiàn)多次誤翻轉(zhuǎn),如圖所示。 解決辦法是采用遲滯電壓比較器。遲滯電壓比較器的組成如圖（a）所示。圖6.23 外界干擾的影響1電路特點(diǎn) 當(dāng)輸出為正向飽和電壓om時(shí),將集成運(yùn)放的同相端電壓稱為上門限電平,用UTH1表示,則有當(dāng)輸出為負(fù)向飽和電壓om時(shí),將集成運(yùn)放的同 相端

12、電壓稱為下門限電平,用UTH2表示,則有通過(guò)式1和2可以看出,上門限電平UTH1的值比下門限電平UTH2的值大。2傳輸特性和回差電壓UTH 遲滯比較器的傳輸特性如圖（b）所示 。 我們把上門限電壓UTH1與下門限電壓UTH2之差稱為回差電壓,用  回差電壓的存在,大大提高了電路的抗干擾能力。只要干擾信號(hào)的峰值小于半個(gè)回差電壓,比較器就不會(huì)因?yàn)楦蓴_而誤動(dòng)作。圖6.24 遲滯電壓比較器項(xiàng)目一:加法電路的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái),030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái),雙綜示波器1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊.測(cè)試電路:如圖所

13、示加法電路,電路中R1,R2和Rf均為1k,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序： 接好如圖所示加法電路，并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。 保持步驟，接入us1為0.1V，5kHZ的正弦波信號(hào)，不接us2。保持步驟，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出各波形并記錄：輸出電壓幅值與輸入電壓幅值 （基本相等/相差很大），即電壓放大倍數(shù)與Rf/R1值 （基本相等/相差很大），且輸出電壓與輸入電壓相位 （相等/相反）保持步驟，將Rf改為2 k，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出各波形并記錄：輸出電壓幅值基本等于輸入電壓幅值的 （0.5倍/1倍/2倍），即電壓放大倍數(shù)與Rf/R1

14、值 （基本相等/相差很大）。保持步驟，將Rf改為1k。保持步驟，接入us1 和us2均為0.1V，5kHZ的正弦波信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出電壓和輸入電壓us2的波形，畫出各波形并記錄：該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)輸入電壓相加【uo=-( us1 +us2)】,且輸出電壓相對(duì)于輸入電壓是 （正極性的/負(fù)極性的）。保持步驟，改接us2為1V，500HZ的方波信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出電壓和輸入電壓us2的波形，并記錄各波形。項(xiàng)目二：減法電路（一）的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái),雙綜示波器1臺(tái),低頻毫伏表1

15、臺(tái)，030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示減法電路,電路中R1,R2和Rf均為1k,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：接好如圖所示減法電路，并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。保持步驟，接入us1 和us2均為0.1V，5kHZ的正弦波信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出各波形并記錄：輸出電壓幅值與輸入電壓幅值相比 （基本為0/基本相等/要大得多），即該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)輸入電壓相減（uo= us1 -us2）。保持步驟，改接us2為1V，500HZ的方波信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出電壓和輸入電壓us2的波形，并記錄各波形。項(xiàng)目三：減法電路（二）

16、的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái),雙綜示波器1臺(tái),低頻毫伏表1臺(tái)，030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示減法電路,電路中R1,R2，R3和Rf均為1k,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：接好如圖所示減法電路，并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。保持步驟，接入us1 和us2均為0.1V，5kHZ的正弦波信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出各波形并記錄：輸出電壓幅值與輸入電壓幅值相比 （基本為0/基本相等/要大得多），即該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)輸入電壓相減（uo= us1 -

17、us2）。項(xiàng)目四：積分電路的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái),雙綜示波器1臺(tái),低頻毫伏表1臺(tái)，030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示積分電路,電路中R為1kF,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：接好如圖所示積分電路，并在C兩端并接一個(gè)100 k的電阻（引入負(fù)反饋并啟動(dòng)電路，該電阻取值應(yīng)盡可能大，但也不宜過(guò)大），并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。保持步驟，接入us為1V，1kHZ的方波（雙極性）信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出各波形并記錄：輸入電壓波形為 （正弦波/方波/

18、三角波），而輸出電壓波形為 （正弦波/方波/三角波），因此該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。項(xiàng)目五：微分電路的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái),函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái),雙綜示波器1臺(tái),低頻毫伏表1臺(tái)，030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示微分電路,電路中R為1kF,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：接好如圖所示微分電路，并在電容C支路中串接入一個(gè)51的電阻（防止產(chǎn)生過(guò)沖響應(yīng)），并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。保持步驟，接入us為1V，1kHZ的三角波（雙極性）信號(hào)，用示波器DC輸入端觀察輸出、輸入電壓波形，畫出

19、各波形并記錄：輸入電壓波形為 （正弦波/方波/三角波），而輸出電壓波形為 （正弦波/方波/三角波），因此該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算。項(xiàng)目六：簡(jiǎn)單電壓比較器的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái), 030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示積分電路,電路中運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：接好如圖所示電路，兩輸入端分別串接入一個(gè)1k的電阻，并接入Vcc=15V，-Vcc=-15V。保持步驟，接入uREF2V（用數(shù)字萬(wàn)用表精確測(cè)量）的直流電壓。保持步驟，接入ui=3V，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出直流電壓的大小，并記錄：uo= V,

20、(輸出高電平uOH/輸出低電平uOL)。 保持步驟，接入ui=1V，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出直流電壓的大小，并記錄：uo= V, (輸出高電平uOH/輸出低電平uOL)。保持步驟，微調(diào)ui ，使ui在1V至3V之間變化，用萬(wàn)用表測(cè)量并觀察輸出直流電壓的變化情況，并記錄：恰好出現(xiàn)高電平向低電平翻轉(zhuǎn)或低電平向高電平翻轉(zhuǎn)時(shí)的ui V(精確測(cè)量)，此值與uREF值 （很接近/有很大差距）。結(jié)論：該電路 （能/不能）實(shí)現(xiàn)電壓比較的作用。項(xiàng)目七：遲滯電壓比較器的測(cè)試任務(wù)要求:按測(cè)試程序要求完成所有測(cè)試內(nèi)容,并撰寫測(cè)試報(bào)告測(cè)試設(shè)備:模擬電路綜合測(cè)試臺(tái)1臺(tái), 030V直流穩(wěn)壓電源1臺(tái),數(shù)字萬(wàn)用表1塊。測(cè)試電路:如圖所示積分電路,電路中R1，R2為1k，R3，R4為330,VDZ為IN4740（UZ10V）,運(yùn)放為MC4558。測(cè)試程序：