集成运放电路应用：模拟电量显示电路的实现

◇教学目标◇

◇任务描述◇

模拟电量显示电路常应用在一些电动车、汽车或充电器等的电量显示场合，通过发光二极管的亮灭来显示相应电量。图4-1是一个模拟电量显示电路图，通电后，可以通过调整RW1来依次点亮发光二极管，从而模拟电量的显示效果。

图4-1 模拟电量显示电路图

◇任务要求◇

（1）4个发光二极管的安装位置设计成一个列，这样点亮效果较明显。

（2）根据电路图设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（3）单面PCB板的设计和安装，面积小于 10 cm×10 cm。

（4）发光二极管高度一致，集成电路采用插座安装，电位器安装在方便调节的位置。

◇相关知识◇

一、集成运算放大器LM324

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，LM324原理图如图4-2所示，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4-2所示的符号来表示。LM324引脚图如图4-3所示，它有5个引出脚，其中+、-为两个信号的输入端，V+、V-为正、负电源端，VO为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。

图4-2 原理图

图4-3 引脚图

LM324四运放电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可作单电源使用、价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

当去掉运放的反馈电阻时，或者反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态），理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大，如LM324运放开环放大倍数为100 dB，既10万倍）。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

图4-4中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R 1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R'2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui<U2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会被点亮。

图4-4 上下限比较器

若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出［U2，U1］区间时，LED被点亮，这便是一个电压双限指示器。

若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间时，LED被点亮，这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

二、三极管

9013是一种NPN型小功率三极管。三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区。三极管的排列方式有PNP和NPN两种。S9013 NPN三极管主要用途：作为音频放大和收音机1W推挽输出以及开关等。

对于S9014、S9013、S9015、S9012、S9018系列的晶体小功率三极管，把显示文字平面朝自己，从左向右依次为发射极E、基极B、集电极C；对于中小功率塑料三极管，按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为发射极E、基极B、集电极C，S8050，S8550，C2078 也是和这个一样的。S9013的管脚图如图4-5表示。

图4-5 管脚图

三极管管脚识别方法：

（1）判定基极。用万用表R×100挡或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。先用一根表笔接某一电极，再用另一根表笔先后接触另外两个电极，如果均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极B。要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极B，黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极B，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管，如S9013、S9014、S9018。

（2）判定三极管集电极c和发射极e（以PNP型三极管为例）。将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Proteus，从元件库中选择集成运算放大器LM324、三极管、发光二极管、电阻等，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好仿真原理图，如图4-6所示。

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图4-6 模拟电量显示电路仿真原理图

二、仿真调试

电路原理图绘制完成后，调节电位器RW1开关置于“↓”位置，单击“仿真工具栏”按钮，电路开始运行测试电路。按下电位器RW1的“↑”位置，观察发光二极管的显示情况。

图4-7 D4点亮

图4-8 D3、D4点亮

图4-9 D2、D3、D4点亮

图4-10 D1、D2、D3、D4均点亮

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，查看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，看是否连接正确。

（3）元件清单（表4-1）。

表4-1 元件清单

二、电路的测试与调整

（1）工作原理分析。

本电路主要由三部分组成：取样电路、电压比较电路和显示电路。电压比较器的同相输入端连接在一起，作为模拟电量的输入端；反相输入端分别连接到R1～R5组成的取样电路上，取样电压为1～4 V。通过调节电位器RW1，来改变输入电压，从而与反相输入端的电压进行比较，输出相应的电平来驱动LED发光二极管发光。

（2）电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试。按表4-2的要求调试、测量数据，并将测量数据填入表中。

表4-2 模拟电量显示电路调试数据

续表

三、总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表4-3中，有利于提升自己的技能水平。

表4-3 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

本电路每个发光二极管只能显示25%的电量，显示效果单一，显示精度有限。若需要更精确的显示，效果更明显一点，电路能否升级改造？为了提高显示精度，小组成员发挥团队协助精神，设计总体方案，讨论决策，制定计划实施。

◇任务评价◇

表4-4 模拟电量显示装调评价表