如果忽略电容c1的存在,一眼就可以看出来这是典型的比例放大器,输出与输入信号的等式关系是:vo=-(r2/r1)*vi,当r2>r1时,输入信号将得到放大。
理想运算放大器的工作原理是“虚短”与“虚断”:
“虚短”--> v-=v+=0v,计算得到流经r1的电流为:i1=(vi-v-)/r1=vi/r1。
“虚断”意味着没有电流流入运放,流经r1的电流全部流到r2,到达运放输出vo。i1=i2; vi/r1=(0-vo)/r2 ==>vo=-(r2/r1)*vi。
这时,如果把c1与r2并联。根据电容c1“隔直通交”的特性,当输入信号为直流信号时,可以忽略电容c1的存在,输出信号依旧是输入信号一定比例的放大;
当输入信号的频率逐渐增加时,电容的阻抗越来越低,意味着一定频率的信号会通过电容c1直接到达输出端,并没有得到放大。换句话说,超过一定频率的输入信号将会被衰减(屏蔽了比例放大电路的放大作用),所以这是一款低通滤波器,因为运放工作必须被供电,所以也称之为一阶低通有源滤波器。
运算放大器电路是集成电路,内部是三极管放大电路的集合。因为集成运放放大电路的便利性,我们直接使用三极管作为放大电路的场合已经越来越少。不过,在实际产品里,简易的直流电源里三极管还有一定的用武之地。
上图就是一个简易的直流电源电路,输入电压为8v,输出电压为5v,应用的场合为负载电流较小的场合(数十毫安以下)的低成本直流电源电路,选择齐纳管可获得任意的输出电压(vo=vz1-vbe=5.6-0.6=5v)。c1的作用是消除齐纳二极管z1的噪声,c2用于降低输出阻抗,增强电源的带载能力。
把上面的直流电源电路改进一下,就会得到带载能力增加的电路,如下图:
因为引入了负反馈的机制。运放的特性是“虚短”,所以它始终有动力维持v+=v-,亦即vout=vr。
再做进一步的变化,得到下图输出电压可以通过r1和r2配置的简易直流电源电路。实际上,这便是集成的线性稳压器的基本模型。
叁
振荡电路
接着上图继续折腾,得到了数控的直流电源电路,如下图:
pwm信号经过由r3和c1组成的一阶低通滤波器,可以得到平稳的参考电平vr。参考电平的幅度与pmw信号的占空比(ton/t)成正比,所以只要改变pwm信号的占空比便可以获得不同的参考电平vr,继而得到不同的输出电压vout。
大家对pwm应该都不陌生了,使用单片机,只要简单的编程便可获得pwm信号。下图是基于单片机的数控直流电源电路,其中pwm由单片机直接产生。
基于上图,只要稍加改动便可以应用于电机控制:
上图增加了一个电机的速度反馈信号,这个速度反馈信号可以通过霍尔感应器或者通过光码盘获取。单片机实时读取电机当前的转速,然后调整电机的输入电压,维持电机的速度稳定。
肆
时钟电路
在讲最后一个时钟电路之前,先把今天所学的内容做一个简单的总结,下面这个图就是三个电路的汇总:
这个图可以用做基于单片机的简易的电机速度控制电路,发现了没,我们上面所讲的三种电路就是这个控制电路的基石,有了他们,可以做出很多不同功能的电路。
在上图中,单片机也要工作,那么时钟电路就如同人的心脏,这是单片机得以工作的基础。一般,时钟电路由晶体振荡器、负载电容以及晶振控制电路组成,控制电路一般内置于单片机)。
在设计时钟电路时,我们一般要注意哪些呢?
q1是晶振,全称是石英晶体振荡器,是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来,可以生成频率和峰值稳定的正弦波。而单片机在运行的时候,需要一个脉冲信号,做为自己执行指令的触发信号,可以简单的想象为:单片机收到一个脉冲,就执行一次或多次指令。
在内部方式时钟电路中,在单片机的xtal1和xtal2引脚两端跨接晶振和两个微调电容构成振荡电路,通常c1和c2一般取30pf,晶振的频率取值在1.2mhz~12mhz之间。对于外接时钟电路,要求xtal1接地,xtal2脚接外部时钟,对于外部时钟信号并无特殊要求,只要保证一定的脉冲宽度,时钟频率低于12mhz即可。
硬件设计的基础包含了许多电路,由于时间关系,视频只讲了其中最基础的四种。更多的电路,大家可以在实际项目中学习。
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