电路创意/小组 66a
我们来自计算机系统学院，索非亚技术大学。我们 66 小组分为两个小组，我们组成第一个小组 - 66a。以下是我们成员的姓名
Dafar Shaban, Dilyana Dilova, Irina Hadjieva, Miroslava Hristova, Victor Glavev, Alexandra Georgieva, Danail Dekov, Liliya Bancheva, Elina Lazarova, Mihaela Borisova, Tzvetan Tzvetkov, Hristiana Stancheva, Silviya Nakova, Nataliya Genova, Vasil Tzanov, Ivan Tzvetkov。
2008 年 3 月 18 日星期二，13.45 h
欢迎来到实验室。白板上的图片代表了你们小组65a的同事用于再现真实的欧姆实验的实验室设置。您可以使用他们实验室实验的结果来介绍下一个伟大的理念，称为电压图。它将帮助我们可视化同事沿电阻薄膜测量的电压。
顺便说一下，我们可以从众所周知的液压类比（管道）中推导出这个理念，我们可以在周围环境中随处看到。例如，想象一个装满水的容器，它供应一根长而细的管道；让我们先打开管道。问题是：“管道内的压力是多少？”更确切地说，“沿管道各处的局部压力是多少？”
我们可以通过在管道上等距离钻小孔来了解（如果我们想更精确，我们可以垂直插入薄玻璃管作为局部压力计）。结果是可以预见的：所有水位（相应地，沿管道的所有局部压力）都相等。这张图片显示了沿管道的压力分布；我们可以将其称为“压力图”。
现在打开管道；水将开始流动。现在沿管道的局部压力是多少？在左侧，压力最大；在右侧，压力最小。我们的直觉表明，局部压力将从左到右逐渐降低。
实际上，水柱的高度（相应地，沿管道的局部压力）从左到右逐渐降低。压力图的包络线是一个三角形。
现在让我们应用这个强大的概念来绘制类似的电电压图。这个想法很明显：如果我们将电压看作一种压力，我们可以用局部电压条来表示局部电压，就像我们用局部水条来表示沿管道的局部压力一样！与上面一样，电压条的长度与局部电压相对于地面的大小成正比（我们可以将零电压电平设置为电阻器的高度，然后在电阻器电平之上绘制正电压条，在电阻器电平之下绘制负电压条）。这些电压条的集合构成了整个电压图。为了简化图像，我们可以使用电压图的包络线来代替电压条集合。
基本思想。但是，对于我们人类来说，在电路属性（电压和电阻）变化时绘制所有电压图太难太无聊了。因为这些图不能是静态的、死的图片；它们必须是“动态”的图（动画），根据电路状态进行改变。因此，我们需要一台能够“密切”观察我们对被测电路的操作并根据情况在屏幕上构建“动态”电压图的计算机。然后，让我们构建这样一个基于计算机的系统，让它来做这项苦差事：）。然后，我们只需要观察屏幕上的图片，思考其背后的电路现象！
组件。首先，我们需要一些计算机。它可以足够简陋，只要它有一些图形功能（例如，在 1986 年用于构建 *Microlab* 系统的计算机是著名的 Apple II 的一个版本）。然后，我们只需要连接到 PC 总线几个充当模拟输入的模数转换器 (ADC) 和几个充当模拟输入的模数转换器 (ADC)，我们的基于计算机的系统 *Microlab* 就准备好了！
电源。注意，模数外围设备直接从可怜的计算机中“吸收”能量：）；因此，它不仅充当计算机，也为外围设备供电。那么，我们也可以为电阻对象本身供电吗？我们可以使用 DAC 为被测电阻供电吗？这将使计算机能够控制对象！只是 DAC 的运算放大器输出可以提供最大 10 mA。因此，我们不能为 65a 组的低电阻（10 Ω）导线供电！
电阻器。你还记得来自上一个实验室练习的线性 4.7 kΩ 可变电阻器吗？据我记得，我们当时对其进行了“逆向工程”，将其拆解：) 我们现在要做什么？建议一个解决方案！* 一个学生：是的，我记得...* 显然，这位同事建议使用 DAC 的 10 mA 输出为这样的电阻器供电，没有任何问题（计算最大电流）。因此，我们可以使用它来代替低电阻导线。然后，我们只为电阻器的一个端子供电。现在，让我们使结构变得复杂，使其更加混乱：) 为两个端子供电（我们怀疑这可能很有趣）。好吧，将 AO1 (DAC1) 连接到电阻器的右侧，将 AO2 (DAC2) 连接到电阻器的左侧。
电压表。你认为是否应该连接两个老式但迷人的双极性电压表 V1 和 V2 来观察输入电压？或者只依靠抽象的数字 VOM 和屏幕上的数字测量？我明白了，你可能喜欢古老的仪表，因为它们是“活的”、“移动的”、“几何的”、“空间的”、“真实的”... 人们信任这些真实的东西... 但是，由于这些“古董”具有 20 kΩ 的内部电阻，是否会存在任何问题？
接地。现在，让我们也谈谈接地。但是什么是接地？我们可以在 关于虚拟接地的维基百科文章 中找到一个可能的答案。简而言之，接地是一个参考点，我们相对于它测量电压。我们使用的 PC 电源是所谓的“分体式电源”。它由两个串联连接的 12 V 电源组成（- + >>> - +）。中间点在此配置中充当接地。DAC 的接地内部连接到此接地。我们还需要将电压表的黑色测试端连接到此接地。
软件。二十多年前，我编写了一个程序，它可以将电压图可视化为屏幕上的“动态”动画。为此，该程序使计算机对三个关键点处的局部电压“感兴趣”——左端点、滑块中间点和右端点。然后，让我们通过连接（首先）DAC1 的输出到 ADC1 的输入，以及 DAC2 的输出到 ADC2 的输入来满足它的好奇心：)。
2008 年 4 月 1 日星期二，13:45
2008 年 4 月 15 日星期二，13:45
输入。接地电压源... 什么是 *单端输入*？浮动电压源... 什么是 *差分输入*？为什么要使用差分输入？输入电阻... 输入电流是否流动？非反相输入如何表现？反相输入如何表现？我们可以将差分输入运算放大器用作单端（反相或非反相）输入运算放大器吗？在这些情况下我们该怎么做？
输出。运算放大器输出是如何产生的？互补推挽射极跟随器的原理是什么？输出电阻...
供电。双极性（分体式）供电的原理（此处为 +12 V 和 -12 V）... 为什么需要双极性供电？电流从哪里流动？我们可以想象运算放大器的输出部分由两个部分组成——正极和负极。当其输出电压具有相应的极性时，它们中的每一个都会工作。顺便说一句，是否可以使用单个（例如，正）电压为运算放大器供电，同时获得相反（负）输出电压？运算放大器输出电压是否可以超过供电电压？也许，如果运算放大器内部有电容性或电感性微分电路，这是可能的... 但是（目前）运算放大器只包含电阻性和有源元件：)
增益。典型值为 A > 200000。这似乎太高了。我们能否利用所有这些增益？要使运算放大器保持在有效区域，最大输入电压是多少（假设最大输出电压为 10 V）？我们可以将裸运算放大器用作放大器吗？或者我们可以将其用作具有模拟输入和离散输出的另一种有用设备（在此处写下它的名称）？我们可以得出结论：如果我们将运算放大器用作放大器，则其输入之间的电压差为零。但是，如果我们将它用作 *比较器*，则输入电压可以是任何值。
传递特性。 Microlab 可以帮助我们在屏幕上获得此曲线。此图形表示中没有时间；只有输入和输出量。我们可以从这条曲线上辨别出三个区域：负饱和区（大）、放大区（窄）和正饱和区（大）。
概括。 运算放大器到底做了什么？一个可能的答案是：运算放大器将稳定的电源转换成变化的电压源；它充当电压控制的电压源。
驱动：保持恒定速度、方向、温度、音量...更多负反馈类比：学习、教学、保持室温（体重、心理平衡...）。在所有这些情况下，我们尽一切可能实现目标，朝着目标前进...
因此，最简单的负反馈跟随器仅由三个元件组成：电源（能量）源 E、调节元件 R 和减法器（-）。
这个简单的设备根据一个简单的算法运行：如果 X > Y，则增加 Y；如果 X < Y，则减小 Y；如果 X = Y，则什么也不做。结果，始终 X = Y。所以，这是一个“主动复制”原理，这个设备是一个“主动跟随器”。这个“算法”非常简单，以至于简单的设备（电子管、晶体管、运算放大器...）在没有智力的情况下也能执行它。
为什么我们要用这种奇怪的方式制作跟随器？这种“负反馈”方法有什么优势？
现在，我们只需要将这个强大的想法从现实生活中传递到电子学中。好吧，让我们开始吧。
VIN 将代表我们电跟随器中的 X；相应地，VOUT 将代表 Y。但让我们先说服自己，为什么在构建这样的主动跟随器而不是“无源”跟随器？
最简单的电压跟随器是什么？当然，一段电线可以充当简单的电压跟随器。如果没有任何负载（没有电流流动），它可以完美运行。只是，如果我们在电线末端连接一个大的负载（尤其是如果它是一根细而长的电线），它还是跟随器吗？想象一下，如果负载和电线的电阻发生变化会发生什么...例如，电线长度会发生变化...
无源电压跟随器的另一个讨厌的问题是负载从输入电压源消耗能量；因此，在负载时会下降。
不，裸线并非所有情况下都是完美的跟随器；因此，构建一个主动的负反馈跟随器是值得的...
首先，我们连接一个电源 - 一个电压源 V 代表框图中的电源 E。我们假设一个双极性输入电压；因此，我们获得一个双极性（分隔）电源。然后，我们连接一个充当调节元件 R 的运算放大器 OA。最后，我们需要一个电压减法器，让运算放大器将其输出电压 VOUT 与输入电压 VIN 进行比较。最简单的电压减法器是什么？当然，根据基尔霍夫电压定律（KVL），它就是裸环路（一段电线）。换句话说，我们必须将两个电压源串联起来，并以相反的方向（+ -，- +）遍历环路，以便减去它们的电压。然后，我们必须切断环路，并通过电压差向运算放大器输入供电。
我们是人类，不是电脑...这看起来很奇怪，但为了理解抽象的运算放大器在这个电路中到底做了什么，我们必须将运算放大器视为一个“思维缓慢”的设备，而不是一个快速、无惯性、瞬时的设备...从人类的角度来看，运算放大器不断地将它的输出电压 VOUT 与输入电压 VIN 进行比较，并将 VOUT 更改为正确的方向，以便保持几乎为零的差值 VOUT - VIN = 0。它所做的与我们在上面所有类比中所做的事情完全相同。
在这个电路中电流在何处流动？在两种情况下（正输入电压和负输入电压）用整个环路绘制它们。记住：电流总是从它流出的地方到达该点。另一个提示：在两种情况下（正输入电压和负输入电压），负载电流将流过不同的电源（相应地，流过正电压源和负电压源）。还可以想象运算放大器内部的互补输出射极跟随器：当运算放大器“想要”产生一个正电压时，上方的 n-p-n 晶体管将“吹出”输出电流，而当运算放大器“想要”产生一个负电压时，下方的 p-n-p 晶体管将“吸入”输出电流。
现在让我们用各种干扰“激怒”我们的运算放大器，看看它将如何反应:) 首先，我们可以引入并改变线路电阻。然后，我们可以改变负载电阻。最后，我们可以同时改变这两个电阻。如果我们足够好奇，我们也可以改变电源的电压（一个、另一个和两个）。
输出电阻。 我们可以说我们已经实现了电子工程师的永恒梦想 - 构建一个变化的完美电压源:)吗？我们可以将运算放大器跟随器视为一个（几乎）理想的电压源吗？
结论：在电子学中，我们通过应用负反馈来制造理想的设备。
二极管是双端半导体元件，其特点是在正向电压下允许电流通过，但在反向电压下不允许电流通过。因此，二极管代表阀门的动作，过去就被称为阀门。但是，二极管需要一点（大约 0.5-0.7V）电压推动才能使电流自由流动。结果是微不足道但明显的电压降 - VF。这种电压降是有益还是有害？有时它是有益的；有时它是有害的...
“有用”的例子。当我们制造稳压器时，我们需要这种电压降。在这些情况下，我们会尽一切努力来创造和增加出现在各种二极管组件上的这种有用的电压降：二极管、LED、齐纳二极管、串联连接的多个二极管...
“有害”的例子。在其他情况下，当我们使用二极管作为开关元件时，我们会尽一切努力消除这种有害的电压降... 然后我们需要一个没有正向电压降 VF 的理想二极管...
整流器是一种将交流电转换为直流电的元件。整流器是电子电源和电池充电电路的基础。此外，它们用于信号处理以解调无线电信号，以及在电子电压表中将交流电精确转换为直流电压。但是，请记住二极管允许电流在一个（正）方向流动，但在另一个（负）方向流动，我们可以很容易地使用术语“整流器”来命名二极管。
因此，让我们让二极管充当整流器，从而参与半波整流器电路（电路图显示在左侧）。我们有一个正弦波源（用于实验它为 1V）和一个电阻性负载。
当源电压为正时，二极管处于所谓的正向偏置区域。如果二极管是理想的，源电压将出现在负载两端。但是，我们拥有的二极管不是理想的；所以它会产生一个与二极管的推动电压相等的电压降（大约 0.5 - 0.7V）。因此，在正半波期间，输出电压小于源电压（对于我们的示例，它将为 VL = VS - VF = 1 - 0.7 = 0.3V。结果显示在右侧的图表中。
在正弦电压的负半波期间，二极管处于反向偏置区域，没有电流流过负载。因此，只有正半周导致负载，这使得二极管适合用作整流器。
（在这里描述你日常生活中所有你已经消除所有阻碍你前进的障碍的情况：） Circuit-fantasist (talk) 08:22, 8 May 2008 (UTC)
什么可以充当我们电子电路中的可变电压源？什么可以“帮助”不完美的二极管，通过向输入电压添加与它在二极管上损失的电压一样多的电压来“帮助”它？最后，我们在实验室 3中使用晶体管来达到这个目的；现在，为了改变，让我们使用运算放大器...
现在运算放大器必须将“帮助”电压 VF 插入电路；那么，如何连接它呢？
尤里卡！我们发明了一个（几乎）理想的二极管，没有（任何）正向电压 VF！让我们通过Microlab系统对其进行研究。
首先，让我们回顾一下什么是运算放大器（运算放大器）：它是一种具有差分输入的器件（它可能是电流、电压、机械运动?!?Circuit-fantasist (talk) 18:09, 7 May 2008 (UTC)，等等），输出根据输入而变化，但幅度更大。几乎总是它们与负反馈一起使用（输出信号以与源信号相反的方向返回到输入）。但是，它们也可以与正反馈一起使用（返回的输出信号与输入原始信号相加），但非常少见。对于负反馈电路中的理想 OA，网络将输出的一部分返回到反相输入，从而使差分输入电压趋于零。
那么现在让我们回到我们的实验。我们试图做的是用运算放大器补偿真实二极管上的有害正向电压降。但这难道不是这种尝试的结果吗？
我们有一个源电压 Vin，在名为“1”的点上我们将拥有该电压。但是，如果我们想补偿二极管上的电压降，我们应该使用一个运算放大器，它的输出电压等于源电压加上等于该电压降的附加量。这将是我们将在“2”点处得到的电压。如果这种增加的电压应用于二极管之前，二极管后的电压将与我们的初始源电压相同，这就是我们在“3”点处得到的电压。这正是我们的目的！
奇怪的东西可以放进反馈回路 一个欢快的动画故事（根据 Tom Hayes 的 电子学艺术学生手册）。