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1、模拟电子系统设计方法模拟电子系统设计方法n由于模拟电子电路种类繁多，设计由于模拟电子电路种类繁多，设计方法和步骤也有所差异。在实际设方法和步骤也有所差异。在实际设计中主要有以下几步：计中主要有以下几步：总体方案设计总体方案设计单元电路设计单元电路设计参数计算参数计算元器件的选择元器件的选择1设计电路框图设计电路框图信号放大数据处理显示信号输入信号输入2TCL7135的主要性能特点n1、输入阻抗达、输入阻抗达109以上，对被测电路几乎以上，对被测电路几乎没有影响；没有影响；n2、自动校零；、自动校零；n3、有精确的差分输入电路；、有精确的差分输入电路；n4、自动判别信号极性；、自动判别信号极性；
2、n5、有超、欠压输出信号；、有超、欠压输出信号；n6、采用位扫描与、采用位扫描与BCD码输出。码输出。34开关系列：开关系列：n一、机械开关：一、机械开关：n1、常用钮子电路开关。单刀开关、单刀双掷开关，双刀开关，双刀双掷开关。多刀多掷开关。即波段开关。n特点：单刀开关，有两个接线端。一进一出。n单刀双掷开关，有三两个接线端。一进两出。或两进一出。n双刀开关，相当于单刀开关并联。n双刀双掷开关。相当于单刀双掷开关并联。n波段开关属于立体开关，一个旋钮控制多组开关。n用途：单刀开关完成通断功能。各种小功率电源开关。n单刀双掷开关还能完成通断转换。大小功率转换或两处单控。n波段开关完成多组通断功能
3、转换。功能或范围选择控制。万用表的应用。n防爆开关，防尘、防水、防静电、防易燃等开关。5n2、位置开关、位置开关n行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。n行程开关符号n行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。n1：推杆2：弹簧3：压缩弹簧4：动断触点5：动合触点6n3、水银开关、水银开关 水银开关内有一定量的水银，和两个金属触点，是利用水银开关内有一定量的水银，和两个金属触点，是利用水银的导电性工作。当开关处于一个水平位置时，两个金水银的导电性工作。当开关处于一个水平位置时，两个金属触被水银浸泡，触点间连通，开关倾斜或倒置时，水银属触被水银浸泡，触
4、点间连通，开关倾斜或倒置时，水银流动，两个金属触点未被水银浸泡，触点间断开。流动，两个金属触点未被水银浸泡，触点间断开。n4、干簧管开关。、干簧管开关。 干干簧管簧管(磁簧管、舌簧管磁簧管、舌簧管)是一种磁敏的特殊开关。它的是一种磁敏的特殊开关。它的两个触点由特殊材料制成，被封装在真空两个触点由特殊材料制成，被封装在真空 的玻璃管里。只的玻璃管里。只要用磁铁接近它，干簧管两个节点就会吸合在一起，使电要用磁铁接近它，干簧管两个节点就会吸合在一起，使电路导通。因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。路导通。因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。n5、继电器：、继电器：7 电磁式继电器一般由铁
5、芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。在继电器线圈两端加上额定的电压，线圈中就会流过电流，衔铁在继电器线圈两端加上额定的电压，线圈中就会流过电流，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。触点闭合与断开在电路中接通带动衔铁的动触点与静触点吸合。触点闭合与断开在电路中接通和断开电路，起到控制作用。和断开电路，起到控制作用。n6、接触器。、接触器。 交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。交流接触器利用主交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。交
6、流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。n7、断路器、断路器 低压断路器又称自动开关，俗称低压断路器又称自动开关，俗称“空气开关空气开关”也是指低压断也是指低压断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。过载、和短路
7、保护的电器。 高压断路器又称高压开关，它不仅可以切断或闭合高压电路高压断路器又称高压开关，它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流。它具有相当完保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流。它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。善的灭弧结构和足够的断流能力。8二、电子开关二、电子开关n1、接近开关、接近开关接近开关又称无触点接近开关又称无触点行程开关行程开关，n性能特点性能特点 在各类开关中，有一种对接近它物件有在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知感知”能
8、力能力的元件的元件位移传感器位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。n功能：功能：主要用于位移、速度、加速度的测量和控制主要用于位移、速度、加速度的测量和控制n种类种类9 因为位移传感器可以根据不同的因为位移传感器可以根据不同的原理原理和不同的方法做和不同的方法做 成，而不同的位移传感器对物体的成，而不同的位移传感器对物体的“感知感知”方法也不同，方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：所以常见的接近开关有以下几种：、电容式接近开关、电容式接近开关 这种开关的测量通常
9、是构成这种开关的测量通常是构成电容器电容器的一个极板，而另的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。当有物体移向接近开关时，不论一个极板是开关的外壳。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。可检测导体，绝缘的液体或粉状物等。可检测导体，绝缘的液体或粉状物等。 、霍尔接近开关、霍尔接近开关 霍尔元件是一种霍尔元件
10、是一种磁敏元件磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，。利用霍尔元件做成的开关，叫做叫做霍尔开关霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生上的霍尔元件因产生霍尔效应霍尔效应而使开关内部电路状态发生而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。 10、光电式接近开关、光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫利用光电效应做成的开关叫光电开关光电开关。将发光器件与。将发光器件与光电器
11、件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信信号号输出，由此便可输出，由此便可“感知感知”有物体接近。有物体接近。、热释电式接近开关、热释电式接近开关 用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便
12、可检测出有物体接近。变化，由此便可检测出有物体接近。11n2、模拟电子开关、模拟电子开关 CD4051 CD4051 ：8 8选选1 1模拟开关，模拟开关，CD4052CD4052：双：双4 4选选1 1模拟开关。模拟开关。 特点：速度快，有接触电阻，有几十到几百欧。特点：速度快，有接触电阻，有几十到几百欧。n3、固态继电器、固态继电器用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器 的的输入端用微小的控制输入端用微小的控制信号信号，达到直接驱动大，达到直接驱动大电流电流负载。负载。 固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离固态继电器有三部分组成：
13、输入电路，隔离( (耦合耦合) )和输出电路。和输出电路。n4、可控硅、可控硅 晶闸管在工作过程中，它的阳极晶闸管在工作过程中，它的阳极A A和阴极和阴极K K与电源和负载连接，与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G G和阴极和阴极K K与控制晶闸管的与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。装置连接，组成晶闸管的控制电路。 可控硅分为直流可控硅和双向可控硅。可控硅分为直流可控硅和双向可控硅。 无触点开关，可控硅一个关键用途在于做为无触点开关。无触点开关，可控硅一个关键用途在于做为无触点开关。在自动化设备中在自动化设备中, ,用无触点开关代替通
14、用继电器已被逐步应用。用无触点开关代替通用继电器已被逐步应用。其显著特点是无噪音其显著特点是无噪音, ,寿命长。寿命长。12n5、光电开关、光电开关 光电开关（光电传感器）由于光电开关输出回路和输入回路光电开关（光电传感器）由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。n6、霍尔开关、霍尔开关 霍尔开关的输入端是以磁感应强度霍尔开关的输入端是以磁感应强度B B 来表征的，当来表征的，当B B 值达值达到一定的程度（如到一定的程度（如B1B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔）时，霍尔开关内部的触发器翻
15、转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和和接近开关接近开关类似有类似有NPNNPN、PNPPNP、常开型、常闭型、锁存型（双极、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双性）、双信号信号输出之分。输出之分。 n7、光耦、光耦 光光电电耦耦合合器器就就是是我我们们所所说说的的光光耦耦，它它的的原原理理是是通通过过发发光光二二极极管管照照射射三三极极管管从从而而使使得得三三极极管管导导通通和和关关断断，通通过过调调节节二二极极管管电电压压大大小小调调节节发发光光强强度度，从从而而使使流流过过三三极极管管的的电电流流变变化化
16、，常常常常用光藕是来反馈用。用光藕是来反馈用。 13n门磁开关n门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成,开关部分由磁簧开关经引线连接.定型封装而成;磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内.当两者分开或接近至一定距离后,引起开关的开断从而感应物体位置的变化14n1999年全国大学生电子设计竞赛试题年全国大学生电子设计竞赛试题n题目题目:数字式工频有效值多用表数字式工频有效值多用表设计任务设计任务n设计并制作一个能同时对一路工频交设计并制作一个能同时对一路工频交流电（频率波动范围为流电（频率波动范围为50 1Hz、有失、有失真的正弦波）的电压有效值、电流有真的正弦波）的电压有效值、电流有
17、效值、有功功率、无功功率、功率因效值、有功功率、无功功率、功率因数进行测量的数字式多用表。参见附数进行测量的数字式多用表。参见附图。图。1516n1 基本要求基本要求（1）测量功能及量程范围）测量功能及量程范围a、交流电压：、交流电压：0500V；c、有功功率：、有功功率：025kW；d、无功功率：、无功功率：025kvar；e、功率因数（有功功率、功率因数（有功功率/视在功率）视在功率）01 。为便于本试题的设计与制作，设定待测为便于本试题的设计与制作，设定待测0500V的交流电压、的交流电压、050A的交流电流均的交流电流均已经相应的变换器转换为已经相应的变换器转换为05V的交流电压。的交
18、流电压。17（2 2）准确度）准确度a、显示为、显示为 位（位（0.0004.999），有过量程指示；），有过量程指示；b、交流电压和交流电流：、交流电压和交流电流：（0.8读数读数5个字），例：个字），例：当被测电压为当被测电压为300V时，读数误差应小于时，读数误差应小于（0.8300V0.5V）2.9V ；c、有功功率和无功功率：、有功功率和无功功率：（1.5读数读数8个字）；个字）；d、功率因数：、功率因数：0.01 。（3）功能选择：）功能选择：用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。功率因数的测量与显
19、示。 182发挥部分（1）用按键选择电压基波及总谐波的有）用按键选择电压基波及总谐波的有效值测量与显示。效值测量与显示。（2）具有量程自动转换功能，当变换器）具有量程自动转换功能，当变换器输出的电压值小于输出的电压值小于0.5V时，能自动提高分时，能自动提高分辨力达辨力达0.01V。（3）用按键控制实现交流电压、交流电）用按键控制实现交流电压、交流电流、有功功率、无功功率在测试过程中的流、有功功率、无功功率在测试过程中的最大值、最小值测量。最大值、最小值测量。（4）其它（例如扩展功能，提高性能）。）其它（例如扩展功能，提高性能）。19 说明说明1调试时可用函数发生器输出的正弦信号调试时可用函数
20、发生器输出的正弦信号电压作为一路交流电压信号；再经移相输电压作为一路交流电压信号；再经移相输出代表同一路的电流信号。出代表同一路的电流信号。2检查交流电压、交流电流有效值测量功检查交流电压、交流电流有效值测量功能时，可采用函数发生器输出的对称方波能时，可采用函数发生器输出的对称方波信号。电压基波、谐波的测试可用函数发信号。电压基波、谐波的测试可用函数发生器输出的对称方波作为标准信号，测试生器输出的对称方波作为标准信号，测试结果应与理论值进行比较分析。结果应与理论值进行比较分析。20设计方案设计方案n设计可分为三个模块设计可分为三个模块:n1、数据采集、数据采集n2、数据处理、数据处理n3、数字
21、显示、数字显示电流信号程控放大保持器电压信号程控放大保持器模拟开关转换单片机键盘数码管过零检测锁相倍频系统总体框图21n数据采集：比例放大数据采集：比例放大PGA103；数据保持；数据保持LF398。n数据处理：采用锁相环技术倍频数据处理：采用锁相环技术倍频CD4046；A/D转换转换AD574；软件处理，计算。；软件处理，计算。n数字显示：数码管；数字显示：数码管；n算法：算法：n视在功率：视在功率：UIn有功功率：有功功率：1/Tuidtn无功功率：无功功率：SPn功率因数：功率因数：cos =P/UI22nAD574是一种常用的12位AD变换芯片，也可以实现8位转换。有两个模拟信号输入端
22、，分别为10V输入端和20V输入端，各自都既允许单极性输入，也允许双极性输入。但芯片本身是单路工作，只允许一个模拟信号输入端接入信号。它可以和16位CPU相连接，也可以和8位CPU相连接。只需要适当的改变某些控制引脚的接法。AD574可以通过简单的三态门、锁存器接口与微机的系统总线相连接，也可以通过编程接口与系统总线相连接。采用查询STS状态可判断变换是否完成。23直流电源直流电源质量指标n（1）电压调整率）电压调整率SV 电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表
23、征当输入电压输入电压VI变化时直流稳压电源输出电压变化时直流稳压电源输出电压VO稳定的程稳定的程度，当电网电压作额定变化时，输出电压的相对变化。度，当电网电压作额定变化时，输出电压的相对变化。通常用百分比表示。通常用百分比表示。n（2）电流调整率）电流调整率SI 电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的变化而引起的输出电
24、压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。整率。24n（3）纹波抑制比）纹波抑制比SR 纹波抑制比反映了直流稳压电纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一般用
25、分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。接用两者的比值表示。 n（4）温度稳定性）温度稳定性K 集成直流稳压电源的温度稳定集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范最大变化范围内（围内（TminTiTmax）直流稳压电源输出电压的相对）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。变化的百分比值。n直流电源极限指标直流电源极限指标（1）最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最）最大输入电压是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。大输入电压。 n（2）最大
26、输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最）最大输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。可以并联稳压电源。大输出电流。可以并联稳压电源。25直流稳压电源直流稳压电源n直流稳压电源是一种将直流稳压电源是一种将220V工频交流电转工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。能完成。26n(1)电源变压器：是降压变压器，它将电网电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器并送
27、给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。的副边电压确定。n(2)整流电路：整流电路将交流电压整流电路：整流电路将交流电压Ui变换变换成脉动的直流电压。常用的整流电路有半成脉动的直流电压。常用的整流电路有半波整流、桥式全波整流等。波整流、桥式全波整流等。27n(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容较平滑的直流电压各滤波电容C满足满足RL*C（35）T/2，或中，或中T为输入交流信号周期，为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。为整流滤波电路的
28、等效负载电阻。28n(4)稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有LM317系列，它们的输出电压从系列，它们的输出电压从1.25V37伏可伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保
29、护，最大输出电流为保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如下图，。其典型电路如下图，其中电阻其中电阻R1与电位器与电位器R2组成输出电压调节器，输组成输出电压调节器，输出电压出电压Uo的表达式为：的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）式中式中R1一般取一般取120240欧姆，输出端与调整端的欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。）。29nLM337输出1.5A正电压。LM317输出1.5A负电压nLM338输出5A正电压。LM318输出5A负电压nLM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内
30、含固定频率振荡器（150KHZ），和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供有：3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。303132可调稳压电源电路可调稳压电源电路n连续可调稳压电源电路图连续可调稳压电源电路图,一般的双电源（正负对一般的双电源（正负对称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来不称电源）都没有连续可调的功能，给使用带来不便。本文介绍用一块和一块三便。本文介绍用一块和一块三端稳压器对称连接，即可获得一组正负对称的稳端稳压器对称连接，即可获得一组正负对称的稳压电源，而且输出电压值
31、可各自单独调节，也可压电源，而且输出电压值可各自单独调节，也可同步调节。同步调节。 33大功率可调稳压电源电路图n电子制作都离不开稳压电源，下面介绍一款直流电压从电子制作都离不开稳压电源，下面介绍一款直流电压从3V3V到到15V15V连续可调的稳压电源，最大电流可达连续可调的稳压电源，最大电流可达10A10A，该电路用了具有温度，该电路用了具有温度补偿特性的，高精度的标准电压源集成电路补偿特性的，高精度的标准电压源集成电路TL431TL431，使稳压精度，使稳压精度更高，如果没有特殊要求，基本能满足正常使用，电路见下图。更高，如果没有特殊要求，基本能满足正常使用，电路见下图。 3435363738
