11.3 读图举例

本文详细分析了四种电路。低频功率放大电路最大输出功率7W,有过流保护;火灾报警电路通过温度传感器差值报警;自动增益控制电路能使输出电压幅值基本不变;电容测量电路利用容抗法测电容,各电容挡转换系数最大数值相等,限制了A/D转换输入电压。

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一、低频功率放大电路

图11.3.1所示为实用低频功率放大电路,最大输出功率为 7 W7\,\textrm W7W。其中 A\textrm AA 的型号为 LF356N,T1T_1T1T3T_3T3 的型号为 2SC1815,T4T_4T4 的型号为 2SD525,T2T_2T2T5T_5T5 的型号为 2SA1015,T6T_6T6 的型号为 2SB595。T4T_4T4T6T_6T6 需安装散热器。

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1、化整为零

对于分立元件电路,应根据信号的传递方向,分解电路。
R2R_2R2 将电路的输出端与 A\textrm AA 的反相输入端连接起来,因而电路引入了反馈。由于图11.3.1所示电路为放大电路,可以推测它引入的应为负反馈,进一步的分析还需在弄清电路的基本组成之后。
C1C_1C1 为耦合电容。输入电压 UiU_iUi 作用于 A\textrm AA 的反相输入端,A\textrm AA 的输出又作用于 T3T_3T3T5T_5T5 的基极,故集成运放 A\textrm AA 为前置放大电路,且 T3T_3T3T5T_5T5 为下一级的放大管;T3T_3T3T4T_4T4T5T_5T5T6T_6T6 分别组成复合管,前者等效为 NPN\textrm{NPN}NPN 型管,后者等效为 PNP\textrm{PNP}PNP 型管,A\textrm AA 的输出作用于两个复合管的基极,而且两个复合管的发射极作为输出端,故第二级为互补输出级;因此可以判断出电路是两级电路。
因为 T1T_1T1T2T_2T2 的基极和发射极分别接 R7R_7R7R8R_8R8 的两端,而 R7R_7R7R8R_8R8 上的电流等于输出电流 IOI_OIO;可以推测,当 IOI_OIO 增大到一定数值,T1T_1T1T2T_2T2 才导通,可以为功放管分流,所以 T1T_1T1T2T_2T2R7R_7R7R8R_8R8 构成过流保护电路。
利用反馈的判断方法可以得出,图11.3.1所示电路引入的是电压并联负反馈。

2、分析功能

对于功率放大电路,通常均应分析其最大输出功率和效率。在图11.3.1所示电路中,由于电流采样电阻 R7R_7R7R8R_8R8 的存在,负载上可能获得的最大输出电压幅值为Uomax=RLR8+RL⋅(VCC−UCES)(11.3.1)U_{omax}=\frac{R_L}{R_8+R_L}\cdot(V_{CC}-U_{CES})\kern 25pt(11.3.1)Uomax=R8+RLRL(VCCUCES)(11.3.1)式中 UCESU_{CES}UCEST4T_4T4 管的饱和管压降。最大输出功率为Pom=(Uomax2)2RL=Uomax22RL(11.3.2)P_{om}=\frac{\Big(\displaystyle\frac{U_{omax}}{\sqrt2}\Big)^2}{R_L}=\frac{U^2_{omax}}{2R_L}\kern 25pt(11.3.2)Pom=RL(2Uomax)2=2RLUomax2(11.3.2)
在忽略静态损耗的情况下,效率为η=π4⋅UomaxVCC(11.3.3)\eta=\frac{\pi}{4}\cdot\frac{U_{omax}}{V_{CC}}\kern 35pt(11.3.3)η=4πVCCUomax(11.3.3)可见电流采样电阻使负载上的最大不失真电压减小,从而使最大输出功率减小,效率降低。
设功放管饱和管压降的数值为 3 V3\,\textrm V3V,负载为 10 Ω10\,Ω10Ω,则最大不失真输出电压的幅值为Uomax=RLR8+RL⋅(VCC−UCES)≈11.43 VU_{omax}=\frac{R_L}{R_8+R_L}\cdot(V_{CC}-U_{CES})\approx11.43\,\textrm VUomax=R8+RLRL(VCCUCES)11.43V最大输出效率为Pom=Uomax22RL≈6.53 WP_{om}=\frac{U^2_{omax}}{2R_L}\approx6.53\,\textrm WPom=2RLUomax26.53W效率η=π4⋅UomaxVCC≈59.8%\eta=\frac{\pi}{4}\cdot\frac{U_{omax}}{V_{CC}}\approx59.8\%η=4πVCCUomax59.8%一旦输出电流过流,T1T_1T1T2T_2T2 管将导通,为功放管分流,保护电流的数值为iomax=UonR7≈0.70.5A=1.4 Ai_{omax}=\frac{U_{\textrm{on}}}{R_7}\approx\frac{0.7}{0.5}\textrm A=1.4\,\textrm Aiomax=R7Uon0.50.7A=1.4A

3、统观整体

综上所述,图11.3.1所示电路的方框图如图11.3.2(a)所示。若仅研究反馈,则可将电路简化为图(b)所示电路。

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根据图(b)所示电路,可以求得深度负反馈条件下的电压放大倍数为Auf≈−R2R1=−10A_{uf}\approx-\frac{R_2}{R_1}=-10AufR1R2=10从而获得在输出功率最大时所需要的输入电压有效值为Ui=∣Uomax2Auf∣(11.3.4)U_i=\Big|\frac{U_{omax}}{\sqrt2A_{uf}}\Big|\kern 40pt(11.3.4)Ui=2AufUomax(11.3.4)其它器件作用如下:
(1)C2C_2C2 为相位补偿电容,它改变了频率响应,可以消除自激振荡。
(2)R3R_3R3D1D_1D1D2D_2D2D3D_3D3RwR_wRwR4R_4R4 构成偏置电路,使输出级消除交越失真。
(3)C3C_3C3C4C_4C4 为旁路电容,使 T3T_3T3T5T_5T5 的基极动态电位相等,以减少有用信号的损失。
(4)R5R_5R5R6R_6R6泄漏电阻,用于减小 T4T_4T4T6T_6T6 的穿透电流。其值不可过小,否则将使有用信号损失过大。

二、火灾报警电路

图11.3.3所示为火灾报警电路,uI1u_{\scriptscriptstyle I1}uI1uI2u_{\scriptscriptstyle I2}uI2 分别来源于两个温度传感器,它们安装在室内同一处。但是,一个安装在金属板上,产生 uI1u_{\scriptscriptstyle I1}uI1;而另一个安装在塑料壳体内部,产生 uI2u_{\scriptscriptstyle I2}uI2

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1、了解用途

正常情况下,即无火情时,两个温度传感器所产生的电压相等,uI1=uI2u_{\scriptscriptstyle I1}=u_{\scriptscriptstyle I2}uI1=uI2,发光二极管不亮,蜂鸣器不响。有火情时,安装在金属板上的温度传感器因金属板导热快而温度升高较快,而安装在塑料壳体内的温度传感器温度上升得较慢,使 uI1u_{\scriptscriptstyle I1}uI1uI2u_{\scriptscriptstyle I2}uI2 产生差值电压。差值电压增大到一定数值时,发光二极管发光、蜂鸣器鸣叫,同时报警。

2、化整为零

分析由单个集成运放所组成应用电路的功能时,可根据其有无引入反馈以及反馈的极性,来判断集成运放的工作状态和电路输出与输入的关系。
根据信号的流通,图11.3.3所示电路可分为三部分。A1\textrm A_1A1 引入了负反馈,故构成运算电路;A2\textrm A_2A2 没有引入反馈,工作在开环状态,故组成电压比较器;后面分立元件电路是声光报警及其驱动电路。

3、分析功能

输入级参数具有对称性,是双端输入的比例运算电路,也可实现差分放大,输出电压 uO1u_{\scriptscriptstyle O1}uO1uO1=R2R1(uI1−uI2)(11.3.5)u_{\scriptscriptstyle O1}=\frac{R_2}{R_1}(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})\kern 25pt(11.3.5)uO1=R1R2(uI1uI2)(11.3.5)第二级电路的阈值电压 UTU_TUTUT=R4R3+R4⋅VCC(11.3.6)U_T=\frac{R_4}{R_3+R_4}\cdot V_{CC}\kern 25pt(11.3.6)UT=R3+R4R4VCC(11.3.6)uO1<UTu_{\scriptscriptstyle O1}<U_TuO1<UT 时,uO2=UOLu_{\scriptscriptstyle O2}=U_{OL}uO2=UOL;当 uO1>UTu_{\scriptscriptstyle O1}>U_TuO1>UT 时,uO2=UOHu_{\scriptscriptstyle O2}=U_{OH}uO2=UOH;电路只有一个阈值电压,故为单限比较器。uO2u_{\scriptscriptstyle O2}uO2 的高、低电平决定于集成运放输出电压的最小值和最大值。电压传输特性如图11.3.4所示。

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uO2u_{\scriptscriptstyle O2}uO2 为高电平时,发光二极管因导通而发光,与此同时晶体管 TTT 导通,蜂鸣器鸣叫。发光二极管的电流为ID=UOH−UDR5(11.3.7)I_D=\frac{U_{OH}-U_D}{R_5}\kern 30pt(11.3.7)ID=R5UOHUD(11.3.7)晶体管的基极电流为IB=UOH−UBER6(11.3.8)I_B=\frac{U_{OH}-U_{BE}}{R_6}\kern 25pt(11.3.8)IB=R6UOHUBE(11.3.8)集电极电流,即蜂鸣器的电流为IC=βIB(11.3.9)I_C=\beta I_B\kern 50pt(11.3.9)IC=βIB(11.3.9)若参数选择的结果是晶体管在导通时处于饱和状态,则IC=VCC−UCESRL≤βIB(11.3.10)I_C=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{R_L}\leq\beta I_B\kern 20pt(11.3.10)IC=RLVCCUCESβIB(11.3.10)式中 UCESU_{CES}UCES 为管子的饱和管压降,RLR_LRL 是蜂鸣器等效电阻。

4、统观整体

根据上述分析,图11.3.3所示电路的方框图如图11.3.5所示。

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在没有火情时,(uI1−uI2)(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})(uI1uI2) 数值很小,uO1<UTu_{\scriptscriptstyle O1}<U_TuO1<UTuO2=UOLu_{\scriptscriptstyle O2}=U_{OL}uO2=UOL,发光二极管和晶体管均截止。
当有火情时,uI1>uI2u_{\scriptscriptstyle I1}>u_{\scriptscriptstyle I2}uI1>uI2(uI1−uI2)(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})(uI1uI2) 增大到一定程度,uO1>UTu_{\scriptscriptstyle O1}>U_TuO1>UTuO2u_{\scriptscriptstyle O2}uO2 从低电平跃变为高电平,uO2=UOHu_{\scriptscriptstyle O2}=U_{OH}uO2=UOH,使得发光二极管和晶体管导通,发光二极管和蜂鸣器发出警告。

三、自动增益控制电路

自动增益控制电路如图11.3.6所示,为了便于读懂,作了适当的简化。

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1、了解功能

图11.3.6所示电路用于自动控制系统之中。输入电压为正弦波,当其幅值由与某种原因产生变化时,增益产生相应变化,使得输出电压幅值基本不变。

2、化整为零

以模拟集成电路为核心器件分别图11.3.6所示电路,可以看出,每一部分都是一种基本电路。第一部分是模拟乘法器。第二部分是由 A1A_1A1R1R_1R1R2R_2R2R8R_8R8 构成的同相比例运算电路,其输出为整个电路的输出。第三部分是由 A2A_2A2R3R_3R3R4R_4R4D1D_1D1D2D_2D2 构成的精密整流电路。第四部分是由 A3A_3A3R5R_5R5CCC 构成的有源滤波电路。第五部分是由 A4A_4A4R6R_6R6R7R_7R7 构成的差分放大电路。A4A_4A4 的输出电压 uO4u_{\scriptscriptstyle O4}uO4 作为模拟乘法器的输入,与输入电压 uIu_{\scriptscriptstyle I}uI 相乘,因此电路引入了反馈,是一个闭环系统。

3、功能分析

模拟乘法器的输出电压uO1=kuXuY=kuIuO4(11.3.11)u_{\scriptscriptstyle O1}=ku_{\scriptscriptstyle X}u_{\scriptscriptstyle Y}=ku_{\scriptscriptstyle I}u_{\scriptscriptstyle O4}\kern 20pt(11.3.11)uO1=kuXuY=kuIuO4(11.3.11)同相比例运算电路的输出电压 uOu_{\scriptscriptstyle O}uOuO=(1+R2R1)uO1(11.3.12)u_{\scriptscriptstyle O}=\Big(1+\frac{R_2}{R_1}\Big)u_{\scriptscriptstyle O1}\kern 25pt(11.3.12)uO=(1+R1R2)uO1(11.3.12)R3=R4R_3=R_4R3=R4,则精密整流电路的输出电压 uO2u_{\scriptscriptstyle O2}uO2uO2={0uO>0−uOuO<0(11.3.13)u_{\scriptscriptstyle O2}=\left\{\begin{matrix}0\kern 20ptu_{\scriptscriptstyle O}>0\\-u_{\scriptscriptstyle O}\kern 8ptu_{\scriptscriptstyle O}<0\end{matrix}\right.\kern 20pt(11.3.13)uO2={0uO>0uOuO<0(11.3.13)因此为半波整流电路。
有源滤波电路的电压放大倍数为Au=UO3UO2=11+jffH(f=12πR5C)(11.3.14)A_u=\frac{U_{O3}}{U_{O2}}=\frac{1}{1+j\displaystyle\frac{f}{f_H}}\kern 8pt(f=\frac{1}{2\pi R_5C})\kern 10pt(11.3.14)Au=UO2UO3=1+jfHf1(f=2πR5C1)(11.3.14)可见电路为低通滤波电路。当参数选择合理时,可使输出电压 uO3u_{\scriptscriptstyle O3}uO3 为直流电压 UO3U_{O3}UO3,且 UO3U_{O3}UO3 正比于输出电压 uOu_{\scriptscriptstyle O}uO 的幅值。
在差分放大电路中,输出电压 uO4u_{\scriptscriptstyle O4}uO4uO4=R7R6(UREF−UO3)=Au4(UREF−UO3)(11.3.15)u_{\scriptscriptstyle O4}=\frac{R_7}{R_6}(U_{REF}-U_{O3})=A_{u4}(U_{REF}-U_{O3})\kern 10pt(11.3.15)uO4=R6R7(UREFUO3)=Au4(UREFUO3)(11.3.15)因而 uO4u_{\scriptscriptstyle O4}uO4 正比于基准电压 UREFU_{REF}UREFUO3U_{O3}UO3 的差值。

4、统观整体

根据上述分析,可以得到各部分电路的关系,图11.3.6所示电路的方框图如图11.3.7所示。

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根据式(11.3.11)、(11.3.12)、(11.3.15),输出电压的表达式是为uO=k(1+R2R1)uIuO4=k(1+R2R1)R7R6(UREF−UO3)uI(11.3.16)u_{\scriptscriptstyle O}=k\Big(1+\frac{R_2}{R_1}\Big)u_{\scriptscriptstyle I}u_{\scriptscriptstyle O4}=k\Big(1+\frac{R_2}{R_1}\Big)\frac{R_7}{R_6}(U_{REF}-U_{O3})u_{\scriptscriptstyle I}\kern 12pt(11.3.16)uO=k(1+R1R2)uIuO4=k(1+R1R2)R6R7(UREFUO3)uI(11.3.16)设输入电压 uIu_{\scriptscriptstyle I}uI 幅值增大,则输出电压 uOu_{\scriptscriptstyle O}uO 的幅值随之增大,UO3U_{\scriptscriptstyle O3}UO3UO3U_{O3}UO3正比于输出电压 uOu_{\scriptscriptstyle O}uO)必然增大,导致 (UREF−UO3)(U_{REF}-U_{O3})(UREFUO3) 减小,从而使 uOu_{\scriptscriptstyle O}uO 幅值减小;若 uIu_{\scriptscriptstyle I}uI 幅值减小,则各部分的变化与上述过程相反。在参数选择合适的条件下,在一定的频率范围内,通过电路增益的自动调节,对于不同幅值的正弦波 uIu_{\scriptscriptstyle I}uIuOu_{\scriptscriptstyle O}uO 的幅值可基本不变。

四、电容测量电路

DT890C+\textrm{DT890}\textrm C_{+}DT890C+3123\displaystyle\frac{1}{2}321位多功能数字多用表包括 121212 个组成部分,有 A/D\textrm {A/D}A/D 转换器、小数点及标志符驱动电路、直流电压测量电路、交流电压测量电路、直流电流测量电路、交流电流测量电路、200 Ω∼20 MΩ200\,Ω\sim20\,\textrm{MΩ}200Ω20 电阻测量电路、200 MΩ200\,\textrm{MΩ}200 电阻测量电路、电容测量电路、温度测量电路、晶体管 hFEh_{\scriptscriptstyle \textrm{FE}}hFE 测量电路、二极管及蜂鸣器电路等。电路中共用 666 片集成电路,分别是一片 312A/D3\displaystyle\frac{1}{2}\textrm{A/D}321A/D 转换器(型号为 TSC7106)、一片 CMOS 四与非门(型号为 CC4011)、两片低失调 JEFT 双运放(型号为 TL062)和两片低功耗通用双运放(型号为 LM358)。
图11.3.8所示为五量程电容测量电路,其输出电压通过 AC/DC\textrm{AC/DC}AC/DC(交流/直流)转换器和 A/D\textrm{A/D}A/D(模拟/数字)转换器,驱动液晶显示器,即获得测量值,方框图如图11.3.9所示。其中 AC/DC\textrm{AC/DC}AC/DC 转换器、A/D\textrm{A/D}A/D 转换器和液晶显示器是 DT890C+\textrm{DT890}\textrm C_+DT890C+ 型数字多用表中的公共电路。下面仅对图11.3.8所示电路加以分析。

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1、了解功能

DT890C+\textrm{DT890}\textrm C_+DT890C+ 型多功能数字多用表中,是利用容抗法测量电容量的。其基本设计思想是:将 400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 的正弦波信号作用于被测电容 CXC_XCX,利用所产生的容抗 XCX_CXC 实现 C/ACV\textrm{C/ACV}C/ACV 转换,将 XCX_CXC 转换为交流电压;再通过测量交流电压来获得 CXC_XCX 的电容量。
测量范围分为 2 nF2\,\textrm{nF}2nF20 nF20\,\textrm{nF}20nF200 nF200\,\textrm{nF}200nF2 μF2\,\textrm{μF}2μF20 μF20\,\textrm{μF}20μF 五档,测量准确度为 ±2.5%±2.5\%±2.5%。分辨率取决于 A/D\textrm{A/D}A/D 转换器的位数,当采用 TSC7106 时,最高分辨率为 1 pF1\,\textrm{pF}1pF
图11.3.8所示电路中 A1\textrm A_1A1A2\textrm A_2A2 是一片 TL062,A3\textrm A_3A3A4\textrm A_4A4 是一片 LM358。

2、化整为零

观察图11.3.8所示电路,以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分。A1\textrm A_1A1C8C_8C8C9C_9C9R11R_{11}R11R12R_{12}R12R14R_{14}R14 组成文氏桥振荡电路;A2\textrm A_2A2R65R_{65}R65R15R_{15}R15Rw1R_{w1}Rw1 组成反相比例运算电路;A2\textrm A_2A2 的输出电压在被测电容 CXC_XCX 上产生电流,通过 A3\textrm A_3A3 及其有关元件组成的电路将电容量转换成交流电压,故组成 C/ACV\textrm{C/ACV}C/ACV 电路;A4\textrm A_4A4R17R_{17}R17R18R_{18}R18R19R_{19}R19C10C_{10}C10C11C_{11}C11 组成有源滤波电路,根据整个电路的功能,该滤波电路应只允许 400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 正弦波信号通过,而滤掉其它频率的干扰,故为带通滤波电路。

3、功能分析

(1)文氏桥振荡电路
振荡频率的表达式为f0=12πR11R12C8C9(10.3.17)f_0=\frac{1}{2π\sqrt{R_{11}R_{12}C_8C_9}}\kern 30pt(10.3.17)f0=2πR11R12C8C91(10.3.17)因为 R11=R12=39.2 kΩR_{11}=R_{12}=39.2\,\textrm{kΩ}R11=R12=39.2C8=C9=0.01 μFC_8=C_9=0.01\,\textrm{μF}C8=C9=0.01μF,所以f0=12πR11C8≈400 Hzf_0=\frac{1}{2\pi R_{11}C_8}\approx400\,\textrm{Hz}f0=2πR11C81400Hz
(2)反相比例运算电路
比例系数为Au=−R15+Rw1R65(10.3.18)A_u=-\frac{R_{15}+R_{w1}}{R_{65}}\kern 30pt(10.3.18)Au=R65R15+Rw1(10.3.18)式中 Rw1R_{w1}Rw1 为电容档的校准电位器,调节 Rw1R_{w1}Rw1 可以改变比例系数。该电路还起缓冲作用,隔离振荡电路和被测电容。

(3)C/ACV 转换电路
电路的输入电抗为被测电容的容抗,即XCX=1jωCX=1j2πfCX(10.3.19)X_{C_X}=\frac{1}{j\omega C_X}=\frac{1}{j2πfC_X}\kern 25pt(10.3.19)XCX=CX1=j2πfCX1(10.3.19)当电容量程不同时,电路的反馈电阻 RfR_fRf 将不同(如表1所示),转换关系也将不同。表1  不同量程时 C/ACV转换电路的反馈电阻 Rf表1\,\,不同量程时\,\textrm{C/ACV} 转换电路的反馈电阻\,R_f1不同量程时C/ACV转换电路的反馈电阻Rf

电容量程RfR_fRf 的表达式RfR_fRf 的数值
20 μFR16R_{16}R16100 Ω
2 μFR16+R30R_{16}+R_{30}R16+R301 kΩ
200 nFR16+R30+R29R_{16}+R_{30}+R_{29}R16+R30+R2910 kΩ
20 nFR16+R30+R29+R28R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28}R16+R30+R29+R28100 kΩ
2000 pFR16+R30+R29+R28+R27R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28}+R_{27}R16+R30+R29+R28+R271 MΩ

转换系数为A˙u3=U˙o3U˙o2=−RfXCX=−Rf1/(2πjfCX)=−2πjfRfCX\dot A_{u3}=\frac{\dot U_{o3}}{\dot U_{o2}}=-\frac{R_f}{X_{C_X}}=-\frac{R_f}{1/(2πjfC_X)}=-2πjfR_fC_XA˙u3=U˙o2U˙o3=XCXRf=1/(2πjfCX)Rf=2πjfRfCX其模为∣A˙u3∣=2πfRfCX(10.3.20)|\dot A_{u3}|=2πfR_fC_X\kern 30pt(10.3.20)A˙u3=2πfRfCX(10.3.20)式中 f=400 Hzf=400\,\textrm{Hz}f=400Hz,若在 200 nF200\,\textrm{nF}200nF 挡,从表1中可知 Rf=10 kΩR_f=10\,\textrm{kΩ}Rf=10,则∣A˙u3∣=2πfRfCX=8π×106×CX|\dot A_{u3}|=2πfR_fC_X=8π\times10^6\times C_XA˙u3=2πfRfCX=8π×106×CX其最大值为∣A˙u3∣max=8π×106×CX≈5.03|\dot A_{u3}|_{max}=8π\times10^6\times C_X\approx5.03A˙u3max=8π×106×CX5.03从表1中可以看出,电容量没增大 10 倍,反馈电阻阻值减小 10 倍。因此,在各电容挡,电路的转换系数的最大数值均相等。这样,可以保证对于各电容挡输出电压最大幅值均相等,也就限制了 A/D\textrm{A/D}A/D 转换电路的最大输入电压。
输出电压有效值为Uo3=∣A˙u3∣Uo2=2πfRfCXUo2(10.3.21)U_{o3}=|\dot A_{u3}|U_{o2}=2πfR_fC_XU_{o2}\kern 20pt(10.3.21)Uo3=A˙u3Uo2=2πfRfCXUo2(10.3.21)400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 正弦波信号 Uo2U_{o2}Uo2 幅值一定时,电容挡确定,RfR_fRf 也就随之确定,因而 Uo3U_{o3}Uo3 与被测电容容量 CXC_XCX 成正比。

(4)有源滤波电路
从测量的需要出发,该电路应为带通滤波电路。为了便于识别电路,首先将电路变为习惯画法,如图11.3.10所示,这是一个多路反馈无限增益电路。

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经推导可得中心频率为f0=12πC101R18(1R17+1R19)(10.3.22)f_0=\frac{1}{2πC_{10}}\sqrt{\frac{1}{R_{18}}\Big(\frac{1}{R_{17}}+\frac{1}{R_{19}}\Big)}\kern 20pt(10.3.22)f0=2πC101R181(R171+R191)(10.3.22)C10=0.01 μFC_{10}=0.01\,\textrm{μF}C10=0.01μFR18=168 kΩR_{18}=168\,\textrm{kΩ}R18=168R17=76.8 kΩR_{17}=76.8\,\textrm{kΩ}R17=76.8R19=11 kΩR_{19}=11\,\textrm{kΩ}R19=11 代入上式,得出 f0≈400 Hzf_0\approx400\,\textrm{Hz}f0400Hz。因此,有源滤波电路只允许 uO3u_{\scriptscriptstyle {O3}}uO3400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 信号通过,而滤去其它频率的干扰。
可见,输出电压 uO4u_{\scriptscriptstyle O4}uO4 是幅值与被测电容 CXC_XCX 容量成正比关系的 400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 交流电压。

4、统观整体

根据上述四部分的关系,可得图11.3.8所示电路的方框图如图11.3.11所示。

在这里插入图片描述
综上所述,在测量电容量时,文氏桥振荡电路产生 400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 正弦波电压,经过反相比例运算电路作为缓冲电路,作用于被测电容 CXC_XCX;通过 C/ACV\textrm{C/ACV}C/ACV 转换电路将 CXC_XCX 转换为交流电压信号,再经二阶带通滤波电路滤掉其它频率的干扰,输出是幅值与 CXC_XCX 成正比的 400 Hz400\,\textrm{Hz}400Hz 正弦波电压。
电容测量电路的输出电压作为 AC/DC\textrm{AC/DC}AC/DC 转换电路的输入信号,转换为直流电压;再由 A/D\textrm{A/D}A/D 转换电路转换成数字信号,并驱动液晶显示器,显示出被测电容的容量值。
电路有如下特点:
(1)在 C/ACV\textrm{C/ACV}C/ACV 转换电路中,电容挡愈大,反馈电阻阻值愈小,使得各挡转换系数的最大数值均相等,从而限制了整个电路的最大输出电压幅值,也就限制了 A/D\textrm{A/D}A/D 转换电路的最大输入电压,其值为 200 mV200\,\textrm{mV}200mV
(2)电路中所有集成运放的输入均为交流信号,因而其温漂不会影响电路的测量精度,也就不需要对电容挡手动调零。电路中仅有一个电位器 Rw1R_{w1}Rw1 用于校准电容挡,一般一经调好就不再变动。
(3)二极管 D9D_9D9D10D_{10}D10 用于 A2\textrm A_2A2 输出电压的限幅,二极管 D11D_{11}D11D12D_{12}D12 用于限制 A3\textrm A_3A3 净输入电压幅值,以保护运放。此外,尽管电容挡不允许带点测量,但是若发生误操作,则二极管可为被测电容提供放电回路,从而在一定程度上保护了测量电路。

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