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_1T1 和 T3T_3T3 的型号为 2SC1815,T4T_4T4 的型号为 2SD525,T2T_2T2 和 T5T_5T5 的型号为 2SA1015,T6T_6T6 的型号为 2SB595。T4T_4T4 和 T6T_6T6 需安装散热器。
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_3T3 和 T5T_5T5 的基极,故集成运放 A\textrm AA 为前置放大电路,且 T3T_3T3 和 T5T_5T5 为下一级的放大管;T3T_3T3 和 T4T_4T4、T5T_5T5 和 T6T_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_1T1、T2T_2T2 的基极和发射极分别接 R7R_7R7 和 R8R_8R8 的两端,而 R7R_7R7 和 R8R_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_1T1、T2T_2T2 才导通,可以为功放管分流,所以 T1T_1T1、T2T_2T2、R7R_7R7 和 R8R_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_7R7 和 R8R_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⋅(VCC−UCES)(11.3.1)式中 UCESU_{CES}UCES 为 T4T_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=4π⋅VCCUomax(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⋅(VCC−UCES)≈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=2RLUomax2≈6.53W效率η=π4⋅UomaxVCC≈59.8%\eta=\frac{\pi}{4}\cdot\frac{U_{omax}}{V_{CC}}\approx59.8\%η=4π⋅VCCUomax≈59.8%一旦输出电流过流,T1T_1T1 和 T2T_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=R7Uon≈0.50.7A=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。
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}=-10Auf≈−R1R2=−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_3R3、D1D_1D1、D2D_2D2、D3D_3D3、RwR_wRw 和 R4R_4R4 构成偏置电路,使输出级消除交越失真。
(3)C3C_3C3 和 C4C_4C4 为旁路电容,使 T3T_3T3 和 T5T_5T5 的基极动态电位相等,以减少有用信号的损失。
(4)R5R_5R5 和 R6R_6R6 为泄漏电阻,用于减小 T4T_4T4 和 T6T_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}uI1 和 uI2u_{\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。
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}uI1 与 uI2u_{\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}uO1 为uO1=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(uI1−uI2)(11.3.5)第二级电路的阈值电压 UTU_TUT 为UT=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+R4R4⋅VCC(11.3.6)当 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。
当 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=R5UOH−UD(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=R6UOH−UBE(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=RLVCC−UCES≤βIB(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。
在没有火情时,(uI1−uI2)(u_{\scriptscriptstyle I1}-u_{\scriptscriptstyle I2})(uI1−uI2) 数值很小,uO1<UTu_{\scriptscriptstyle O1}<U_TuO1<UT,uO2=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})(uI1−uI2) 增大到一定程度,uO1>UTu_{\scriptscriptstyle O1}>U_TuO1>UT,uO2u_{\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。
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_1A1、R1R_1R1、R2R_2R2 和 R8R_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_2A2、R3R_3R3、R4R_4R4、D1D_1D1 和 D2D_2D2 构成的精密整流电路。第四部分是由 A3A_3A3、R5R_5R5 和 CCC 构成的有源滤波电路。第五部分是由 A4A_4A4、R6R_6R6 和 R7R_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}uO 为uO=(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)设 R3=R4R_3=R_4R3=R4,则精密整流电路的输出电压 uO2u_{\scriptscriptstyle O2}uO2 为uO2={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>0−uOuO<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}uO4 为uO4=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(UREF−UO3)=Au4(UREF−UO3)(11.3.15)因而 uO4u_{\scriptscriptstyle O4}uO4 正比于基准电压 UREFU_{REF}UREF 与 UO3U_{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。
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(UREF−UO3)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}UO3(UO3U_{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})(UREF−UO3) 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}uI,uOu_{\scriptscriptstyle O}uO 的幅值可基本不变。
四、电容测量电路
DT890C+\textrm{DT890}\textrm C_{+}DT890C+ 型 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}200Ω∼20MΩ 电阻测量电路、200 MΩ200\,\textrm{MΩ}200MΩ 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。
1、了解功能
在 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}2nF、20 nF20\,\textrm{nF}20nF、200 nF200\,\textrm{nF}200nF、2 μF2\,\textrm{μF}2μF 和 20 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_1A1 和 A2\textrm A_2A2 是一片 TL062,A3\textrm A_3A3 和 A4\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_1A1 和 C8C_8C8、C9C_9C9、R11R_{11}R11、R12R_{12}R12、R14R_{14}R14 组成文氏桥振荡电路;A2\textrm A_2A2 和 R65R_{65}R65、R15R_{15}R15、Rw1R_{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_4A4 和 R17R_{17}R17、R18R_{18}R18、R19R_{19}R19、C10C_{10}C10、C11C_{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=39.2kΩ,C8=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=2πR11C81≈400Hz
(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=jωCX1=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_f表1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 μF | R16R_{16}R16 | 100 Ω |
2 μF | R16+R30R_{16}+R_{30}R16+R30 | 1 kΩ |
200 nF | R16+R30+R29R_{16}+R_{30}+R_{29}R16+R30+R29 | 10 kΩ |
20 nF | R16+R30+R29+R28R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28}R16+R30+R29+R28 | 100 kΩ |
2000 pF | R16+R30+R29+R28+R27R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28}+R_{27}R16+R30+R29+R28+R27 | 1 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=10kΩ,则∣A˙u3∣=2πfRfCX=8π×106×CX|\dot A_{u3}|=2πfR_fC_X=8π\times10^6\times C_X∣A˙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\approx5.03∣A˙u3∣max=8π×106×CX≈5.03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˙u3∣Uo2=2πfRfCXUo2(10.3.21)当 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。
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)将 C10=0.01 μFC_{10}=0.01\,\textrm{μF}C10=0.01μF、R18=168 kΩR_{18}=168\,\textrm{kΩ}R18=168kΩ、R17=76.8 kΩR_{17}=76.8\,\textrm{kΩ}R17=76.8kΩ、R19=11 kΩR_{19}=11\,\textrm{kΩ}R19=11kΩ 代入上式,得出 f0≈400 Hzf_0\approx400\,\textrm{Hz}f0≈400Hz。因此,有源滤波电路只允许 uO3u_{\scriptscriptstyle {O3}}uO3 中 400 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。
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_9D9 和 D10D_{10}D10 用于 A2\textrm A_2A2 输出电压的限幅,二极管 D11D_{11}D11 和 D12D_{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。