综合应用型题选

时间：2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：设计者可根据课题任务和指标要求选择合适器件，并设计合理的接口和外围电路。其中的延时与隔离及控制电路可选择RC延时、集成运放构成的电压跟随器隔离。延时电路广泛应用在各种自动控制设备和日常生活中。电路能自动调节加热器进行升温加热或不加热，使温度保持在设定的温度范围内；②加热器的电流最大值为1A；③＊根据电路设计恒温控制电路所需要的直流电源电路。

6.4.2　综合应用型题选

下面给出的设计课题实现难度相对较大，综合应用性更强，涉及的知识面也较宽。

课题1　实用低频功率放大器电路设计

1）简述

功率放大器是很多电子系统的输出电路，它承担着对弱信号放大和对指定负载提供所要求的功率的任务。

2）设计任务，技术指标及要求

设计一个低频功率放大器电路。在正弦信号输入电压幅度为5～700mV，等效负载RL＝8Ω条件下，应满足下列具体技术指标:①额定输出功率P_o≥10W；②带宽BW≥50－10 000Hz；③在P_o和BW内非线性失真系数γ≤3%；④在P_o下效率η≥55%；⑤在前置放大级输入端交流短接时，R_L上的交流声功率≤10mW。⑥设计低频功率放大器电路供电电源电路。

3）设计说明与指导

低频功率放大器参考功能框图如图6.4.17所示。

由于目前专用的低频前置集成放大器和低频集成功率放大器很多，而且性能优越，因此应根据课题任务和指标要求在集成器件中进行选择。表6.4.1列出了5种低频前置集成放大器；表6.4.2列出了3种集成功率放大器的主要参数。设计者可根据课题任务和指标要求选择合适器件，并设计合理的接口和外围电路。

图6.4.17　低频功率放大器功能框图

表6.4.1　ASIC前置放大器

表6.4.2　集成功率放大器

图6.4.18为μPC1188H和HA1397的应用电路。

图6.4.18

也可以选用BJT功率管、MOSFET功率管组成OCL或OTL功放，前面再加电压驱动电路构成低频功率放大器。MOSFET功率管具有激励功率小、输出功率大、工作频率高、偏置简单、安全可靠无需加保护措施、漏极电流具有负温度系数等特点，因此用MOSFET管构成OCL功放电路，再用集成运放组成电压驱动电路，可以设计出性能优良的低频功率放大器。如图6.3.6所示为用低噪声优质运放NE5534和大功率MOSFET管TN9NP10为主要器件组成的低频功放电路，其最大输出功率可达25W，BW范围为20Hz～200kHz，失真度γ≤0.2%，效率可达65%。

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①ASIC前置集成放大器、集成功率放大器，或BJT功率管、MOSFET功率管；②宽带集成运放；③电阻、电容、电位器若干，扬声器等。

（2）测量仪表

①示波器；②万用表；③频率计；④交流电压表；⑤函数发生器；⑥失真度仪。

5）思考题

如果要求测试低频功率放大器的时间响应，需设计一个方波发生电路。该电路在外供正弦信号经变换电路产生正、负极性对称的方波，频率为1 000Hz，上升和下降时间≤1μs、峰－峰值电压为200mV。在上述方波输入时，放大器负载R_L＝8Ω条件下，放大器应满足:①额定输出功率P_o≥10W；②在P_o下输出波形的上升和下降时间≤12μs；③在P_o下输出波形顶部倾斜≤2%；④在P_o下输出波形过冲量≤5%。

课题2　变调门铃电路设计

1）简述

门铃是人们日常生活中必不可少的家用小电器，门铃电路多种多样。设计一个声音悦耳的门铃电路，既能检验你的电子技术设计能力，又是一个有实用意义的有趣的工作过程。

2）设计任务、技术指标及要求

设计一个变调门铃电路，要求在按下电源开关后，门铃先发出频率为f₁的音频声，过时间Ts后，门铃声的频率自动变化为f₂的音频声。具体技术要求如下:①时间T约为2s；②门铃输出信号为正弦波，频率f₁约为800Hz；f₂约为1 000Hz；③门铃输出信号功率P_o≥0.5W（在8Ω扬声器上）。

3）设计说明与提示

变调门铃电路参考功能框图如图6.4.19所示。其中的延时与隔离及控制电路可选择RC延时、集成运放构成的电压跟随器隔离。正弦信号发生电路可选择文氏桥RC振荡电路，根据其振荡频率表达式为RC选频网络元件），设计RC选频网路元件参数变化控制电路。

图6.4.19　变调门铃电路功能框图

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①集成运放F007（μA741）；②集成功率放大器LA4100或TDA2822；③电阻、电容若干，扬声器等。

（2）测量仪表

①直流稳压电源；②示波器；③万用表；④频率计；⑤交流电压表。

5）思考题

（1）除了上述选用的元器件外，你能否提供更合适的元器件？

（2）你所选择设计的方案有何优缺点？

课题3　楼道灯延时开关电路设计

1）简述

延时电路广泛应用在各种自动控制设备和日常生活中。在城市的居民楼道中，存在不少长明灯，这既浪费了大量能源也大大缩短了灯泡的寿命，本课题就是为了解决这一实际问题而设计的。

2）设计任务、技术指标要求

要求设计一个延时节能开关电路，按一下开关，灯亮，等人们通过楼梯和楼道后，灯会自动熄灭。技术指标如下:①延时时间:2min左右；②灯泡未亮时，有发光二极管发亮指示，灯泡亮时发光二极管不亮；③电源电压:220V，50Hz；④灯泡功率≤100W。

3）设计说明与提示

（1）楼道灯延时电路参考功能框图如图6.4.20所示。

图6.4.20　楼道灯延时电路功能框图

（2）晶闸管又叫硅可控整流器（SCR），是目前工业中实现大容量功率变换和控制的常用电力半导体器件。其符号、结构和等效电路模型如图6.4.21所示。它是一种开关器件，导通条件有两个，缺一不可，分别为:①阳极加一定的正向电压（阳极电位高于阴极电位）；②加适当的正向门极电压（门极电位高于阴极电位）。晶闸管导通后的管压降不到1V。晶闸管导通后，门极就失去了控制作用，所以门极控制信号常采用正向脉冲电压，被称为触发电压或触发脉冲。

要使导通的晶闸管关断，也有两个必要条件:①去除触发电压；②使阳极电流减小到晶闸管的维持电流以下（能保持晶闸管导通的最小电流叫做晶闸管的维持电流）。

图6.4.21　晶闸管

（3）发光二极管的工作电压约为2V，工作电流约10～20mA。

（4）稳压管可选择7V稳压值。

（5）延时电路可选择RC电路。

（6）门控电路可利用二只BJT管构成开关电路，在延时电路的作用下产生晶闸管门极控制脉冲信号。

设计者根据上述提示选择元器件并进行参数设计。

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①三极管2N1304；整流二极管IN4004；②可控硅用MCR100—6或CR02AM；③电阻、电容若干，灯泡。

（2）测量仪表:万用表。

5）思考题

（1）可控硅的工作原理是什么？

（2）若用声控节能开关或红外节能开关，该如何设计电路？

课题4　声光报警电路设计

1）简述

在防盗报警装置中经常用到声光报警电路。因此，该课题的设计也有一定实用价值。

2）设计任务、技术指标要求

设计一个能够在有情况时同时发出光和声音的报警电路。其技术指标要求为:①指示灯闪光频率为1～2Hz；②扬声器（8Ω）发出与指示灯闪光频率同步的断续音响，音响频率为1 000Hz；③扬声器（8Ω）发出音响的功率不小于0.5W。

3）设计说明与提示

声光报警电路参考功能框图如图6.4.22所示。因为要求扬声器需发出与指示灯闪光频率同步的断续音响，所以1Hz振荡电路的输出除了控制指示灯的闪光外，还需控制音频振荡电路的通断。

图6.4.22　声光报警电路功能框图

4）选用器材及测量仪表

（1）建议选用元器件:①集成运放F007（μA741）；②指示灯可用发光二极管；③输出电路可选用集成功率放大器LA4100、LM386或TDA2822等；④电阻、电容若干。

（2）测量仪表:万用表。

5）思考题

（1）该课题还有哪些更好的设计方案？

（2）你所设计的电路是否有可改进之处？

课题5　简易温度调节器

1）简述

在工业生产、科学研究和日常生活过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。

设计一个温度调节装置是在实际生活中经常会遇到的课题。

2）设计任务、技术指标及要求

①设计一个温度调节电路，要求温度的控制设定在一个范围之内，例如24℃±2℃。电路能自动调节加热器进行升温加热或不加热，使温度保持在设定的温度范围内；②加热器的电流最大值为1A；③^＊根据电路设计恒温控制电路所需要的直流电源电路。

3）设计说明与提示

简易温度调节装置的参考电路原理图如图6.4.23所示。

图6.4.23　简易温度调节器参考电路原理图

（1）热电（温度）传感器的种类很多，接触式热电传感器有热电耦、金属测温电阻器和半导体热敏电阻器、温敏二极管等。图6.4.23中的VD_T就是一个温敏二极管。调节R_W1使流过VD_T的电流保持在50μA左右。

（2）集成运放μA741组成的电压比较器作温度检测电路用，对参考电压U_τ和R_W1、VD、VT₁等组成的温度传感分压网络输出的U_x进行比较，参考电压U_τ可根据所需要调节的温度用R_W2来调节；

（3）比较器的输出驱动VT₂、VT₃构成的电流控制器对加热器进行加热控制。要根据加热器的最大电流选择VT₂、VT₃的型号。

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①集成运放F007（μA741）；②三极管、温敏二极管、稳压二极管（型号自定）等；③电阻、电位器等；

（2）测量仪表

①万用表；②直流稳压电源。

5）思考题

（1）除了上述选用的元器件外，你能否提供更合适的元器件？

（2）电路中还有哪些地方需要改进？怎样改进？

课题6　恒温控制装置设计

1）简述

电子科学技术发展迅猛，各种仪器仪表及智能化设备得到广泛应用，对温度的要求也越来越高，特别是在生物、医疗、微电子及农村中的培育、饲养等领域尤其重要。

设计一个恒温装置是在实际生活中经常会遇到的课题。

2）设计任务、技术指标及要求

①设计一个恒温控制电路，要求温度的控制设定在一个范围之内，例如28±3℃。温度低于设定温度时，电路能自动接通电加热器进行升温；温度高于设定温度时，电路应发出超温报警信号，同时电路将断开电加热器，使温度保持在设定的温度范围内。②^＊设计恒温控制电路所需要的直流电源电路。

3）设计说明与提示

恒温控制装置的电路参考功能框图如图6.4.24所示。

（1）可以用一个热敏电阻器作为温度传感器进行温度取样。按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻值增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。热敏电阻按外形结构分类，有盘形、薄片型、表面贴装式、玻璃珠型和玻璃封装等类型热敏电阻。

需要说明的是，热敏电阻器是温度传感器中最简单的传感器，一般采用负温度系数（NTC）器件，它在常温下有不同的阻值，使用时应注意选择。

另外，还有集成的温度传感器可供选择，如TC620/TC621就是温度控制系列的集成电路，不同的型号有不同的封装形式和温控范围，它有如下特点:①温控的上限温度和下限温度可由用户设定；②控制精度较高，为设定温度±3℃；③在低于下限温度或高于上限温度时，其输出端有相应的逻辑电平。

（2）温度检测电路可以用集成运放组成的电压比较器，对基准温度电压和电阻器、电位器及热敏电阻器组成的分压网络进行比较。

（3）继电器可采用小型中功率电磁继电器（DC6V），其触点容量为1～3A，同时要注意对电磁继电器线圈加电磁感应的保护装置。

（4）超温报警可以用发光二极管。

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①集成运放F007（μA741）；②电磁继电器；③三极管、二极管、发光二极管等；④电阻、电容、电位器、热敏电阻器、开关等；

（2）测量仪表

①万用表；②^＊直流稳压电源。

5）思考题

（1）在该课题中要求用继电器作为控制电炉加热的器件，它有何优点？

（2）电路中还有哪些地方需要改进？怎样改进？

图6.4.24　恒温控制装置电路功能框图

课题7　自动绕线设备电路的设计

1）简述

在变压器的制作、电动机的生产过程中，线圈的绕制往往采用自动绕线设备。这样的设备需要提供实时的线圈匝数，具有自动停机功能等，以达到实时监控和及时调整等目的。

2）设计任务、技术指标及要求

①可以预先设置绕线机所应转的圈数，要求最高圈数为10 000，并进行数字显示，到时自动停机。②能实时地将绕线机（电机）所转过的圈数取样出来，同时进行显示。

3）设计说明与提示

自动绕线设备控制电路参考功能框图如图6.4.25所示。

图6.4.25　自动绕线设备控制电路功能框图

（1）可以用一个数字式的霍尔传感器对绕线机转过的圈数进行取样。霍尔传感器是在霍尔效应的基础上开发出来的一种电磁转换的传感器。所谓的霍尔效应是将一块导电板放在垂直于它的磁场中，当有电流流过它时，在导电板的A、B两侧会产生一个电位差UAB，这种现象叫做霍尔现象，如图6.4.26所示。实验表明，在磁场不太强的时候，电位差U与电流强度I和磁感应强度B成正比，即

U_AB＝KIB/d

式中，比例系数K叫做霍尔系数。

图6.4.26　霍尔效应示意图

霍尔传感器就是利用上述原理制成的。它是一种非接触型传感器，它在垂直于磁场和电流的方向上产生一个电压，当它工作在恒压状态时，磁场大约为1 000高斯，在传感器的有效距离之内，传感器输出一个大约几十至几百毫伏的电压，由于该电压较低，波形也不是理想的矩形波，还需加以放大、整形，再驱动后面的计数电路。

（2）可以用4片集成十进制计数器（例如74160）构成计数电路。

（3）可以用8421码拨盘开关对计数器进行预置。

（4）显示电路可以用译码器驱动数码管显示。

4）选用器材及测量仪表

（1）选用元器件

①IC电路；②霍尔传感器；③8421码拨盘开关、数码管等；④电阻、电容、电位器等。

（2）测量仪表

①直流稳压电源；②示波器；③万用表；④频率计；⑤函数信号发生器。

5）思考题

（1）除了上述选用的元器件外，你能否提供更合适的元器件？

（4）你有无更好的设计方案？

课题8　数控直流稳压电源电路设计

1）简述

该课题的难点是要求稳压电源输出电压实现数字控制可调。

2）设计任务、技术指标及要求

设计一个输出电压可调的数控电压源电路。具体技术要求如下:①输出电源电压为＋（2～20）V，调节单位为0.1V；②输出电流1A；③电压稳定度ΔUO/UO≤0.2%（输入电压～220V，变化±10%，满载）；纹波电压≤10mV（输入电压～220V，满载）；④输出电压由数码管显示，并由＋、－键分别控制输出电压步进增减。

3）设计说明与提示

（1）最简单的程控电源可用DAC实现，DAC的数字量可用拨盘开关设定或用单片机来控制，如图6.4.27所示，但该电路的输出功率较小，应再加上功率放大级。

（2）也可选择三端可调集成稳压器实现可调功能，例如CW117（原理可参阅LM317）的输出电流可达1.5A，输出电压的调节范围为1.2～37V，再加上单片机数控电路和显示电路也可以实现课题的技术要求。参考功能框图如图6.4.28所示