图3-15-2 可控放大器原理图
3.15.1 差动放大器
放大器采用差动输入时能有效地抑制共模信号,并可通过按键控制放大倍数，可用于各类传感器的信号放大部分。差动放大器适合于放大（微伏级）弱信号，如果采用单端输入的运放、往往无法抑制高频噪声干扰。本设计采用了三运放构成的仪用差分放大电路，如图3-15-3所示。
图3-15-3
前级运放Ul和U2构成同相差动式高阻测量放大器，要求两运放的性能一致。这样，线路除具有差模、共模输入阻抗大的特点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也能相互抵消。后级U3的作用是割断共模信号的传递，并将双端输出转变为单端输出，以适应接地负载的需要。为保证差动电路的对称应选择Rl=R2,R3=R4,R5=R6,并精确调节Rl1,使 Rl1+R10=R7，以保证电阻匹配。
增益的分配一般前级取高值，后级取低值，即 (Rl/R9)>(R7/R3)。根据运放的虚短、虚断特性，可以计算输出电压Uout为:
Uout=R7/R3(Uo2 – Uo1)=R7/R3(1+2×R1/R9)(U1+ - U1-)
该电路的主要功能是滤除共模干扰、抑制高频 声，其总增益约37倍。共模抑制比KCMR可达2×1e+5～2×1e＋6，输入电阻Ri>100M，输出电阻Ro≤l?。
3.15.2 粗调倍率放大电路
粗调倍率放大电路可将输入信号放大1、10、100、1000倍。其实现方法很灵活，本设计采用同相比例放大器实现，如图3-15-4所示。同相比例放大器的增益由反馈回路分压比确定，可通过电阻的不同接入来设定放大器的增益。例如，当要求增益A=l0时，可采用90k与10k电阻分压。同理，经计算可得到图3-15-4中R2～R5的值。图中Rl和VDl、VD2为输入保护电路。采用输入偏置电流小的场效应管FET输入型运放LF356。对于高增益的直流放大器、需要失调调整电路，设定最大增益后用RP进行调零。当设定增益较高、如100倍时，将会导致频率特性变坏，且运放输出易饱和。反馈电阻的选择可通过单刀四掷开关实现，也可以使用四路模拟开关CD4052控制。
图3-15-4
3.15.3 细调增益放大电路
细调增益放大电路如图3-15-5所示，该电路可将输入信号放大1～15倍。那么，为实现细调增益的16档位控制，是不是必须选择16个电阻呢?假如您对放大电路熟悉的话，就能设计出较简单的电路——只需要4个电阻即可实现该功能。
图3-15-5
本设计基于反相比例放大器实现，先选定反馈电阻R=80k，要实现增益为1、需输入电阻R=80k；而要实现增益为2、则需输入电阻R=40k；要实现增益为3，需要输入电阻为80//40=26.7k就可以满足要求。因此，可以将具有1、1/2、1/4、1/8的加权电阻相应并联，即可获得1～15倍增益所需的合成电阻。为了实现这四个加权电阻的任意组合接人，必须在每条支路设置开关进行控制。假如采用机械开关，操作起来不但复杂而且不直观，还很难正
确设定放大倍数。因此，本设计选用了模拟电子开关控制加权电阻的接入，使倍率选择简便灵活。
模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平、决定输人与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入电平如何，输出端都呈高阻状态。模拟开关在电子设备中主要起接通或断开信号的作用，与传统机械开关相比，模拟开关具有功耗 低、抖动小、工作可靠、速度快、无机械触点、体积小和寿命长等特点。可广泛应用于电子电路的通断控制、多路切换等领域。常用的模拟开关集成电路的型号、名称及特性如表1所示。
表1常用的模拟开关
类别 型号 名称 特点 模拟开关 CD4066 四双向模拟开关 四组独立开关，双向传输
CD4051 8选1模拟开关 电平位移双向传输，地址选择
CD4052 双4选1模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择 CD4053 三路2组双向模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择 多路模拟 CD4067 单16通道模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择 开关 CD4097 双8通道电路模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择 CD4529 双四路或单八路模拟开关 电平位移，双向传输，地址选择 虽然从逻辑功能上讲，4路模拟开关CD4066能够满足本设计的需求，但读者须注意它并不具有电平位移功能。也就是说，它只能完成正信号的开关控制，而对于负信号则无能为力，很多初学者向CD4066输入 电压信号，结果导致电流过大、甚至电路烧毁。因此，本设计采用了两片CD4053实现4路加权电阻的选通 制，读者也可选择4接点模拟开关DG201CJ芯片进行 选通控制。
3.16 定时小吊扇
介绍了一款简单易做的定时器加装到小吊扇 上，可以对小吊扇进行15～60min的定时。
工作原理
电路原理图3-16-1所示，虚线左边是微型吊扇原有电路，右边是新增定时器电路。
图3-16-1 定时器电路图
在吊扇手动开关SA断开的条件下，按一下按钮开关SB，220V交流市电经吊扇马达M、桥式整流二极管VDl-VD4、隔离二极管VD5后，对电容器C充电，充电电压实测≤23V。
与此同时，单向晶闸管VS经限流电阻R和电位器RP获得合适触发电流导通，吊扇电机Bl通电而动转。人手松开SB后，C通过电阻R和电位器RP放电，维持晶闸管VS继续导通。经过一段时间(延时时间) ，电容C两端放电电压下降到l0V以下，晶闸管VS因得不到足够的触发电流而在交流电过零时关断，电机Bl电源被切断，吊扇停止运转。此时，电路本身不耗电。
电路中，VDl-VD4组成的桥式整流电路能使晶闸管VS导通后，电机Bl两端获得全波交流电压。VD5为隔离二极管，其主要作用是防止电容C所充电荷在晶闸管VS导通后逆向释放掉。吊扇延时停转的时间长短，主要由电容C和RP参数大小确定，此外还与晶闸管VS最低触发电
流大小有关。
3.16 用单片机制作机器人声音模仿器
3.16.1 硬件组成
电路(如图3-16-1所示)通过一个驻极体话筒MIC1对声音进行采集，声音转变成电信号后由一个前置放大器(由IC2构成)进行预放大，其70倍的增益基本满足声音信号的放大。电阻Rl和预留接口Kl可以用来向驻极体话筒MIC1提供适当的偏压。
图3-16-1 系统电路图
前置放大器将放大之后的信号输入到单片机ATtiny45的A/D变换输人端PB3，单片机可将输入的模拟信号进行数字化后进行处理。由于系统对于单片机的时钟信号要求并不很精确，所以使用内部RC振荡器来产生所需的时钟信号，它产生的8MHz频率由内部的锁相环倍频至16MHz。使用内部时钟的方法可以节省出单片机的PBO和PB2管脚用来连接电位器P1和P2，这两个电位器进行机器人声音的设置。
PBO和PB2是另外两个A/D变换的输入通道，它们读取电位器P1和P2的值，这意味着声音的输入会被单片机内部的选择器在读取这两个值而打断，这就有可能损害声音采集的质量。这可以通过一个外部电容的充电时间进行选通来改善。
系统的软件以10kHz的采样率对声音进行采集。根据采样定理，采样率应大于或等于信号最高频率的2倍(人的声音最大频率为5kHz，一般人的声音达不到这么高的频率)。单片机以10kHz的采样率完成声音的采集后，算法则对声音进行处理进而得到机器人的声音后送至单片机的PWM输出，单片机的PB4管脚最终输出一个占空比变化的矩形波信号，信号经RC滤波器(R14、R15、 R16、C15、C16、C18构成)后重现。
声音信号最后输入到放大器IC4中进行功率放大，跳线K2可以选择是否对信号进行功率放大，以满足后继电路对信号的要求，比如声音信号直接输出到计算机的多媒体音箱，则可将跳线K2的下面两个端子短路，信号直接输出而不进行功率放大。
3.16.2 软件说明
系统的软件需要完成一些任务。最主要的是控制采集一处理－输出，同时需要读取两个电位器的值号在单片机内部A/D进行“专心地”采集声音信号时，一个内部的计数器和比较