增益自动切换电压放大电路设计.docx

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增益自动切换电压放大电路设计

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：

电子电路实践

第二次实验

实验名称：

增益自动切换电压放大电路的设计

院（系）：

吴健雄学院专业：

电类强化

姓名：

杨阳学号：

********

实验室:

101实验组别：

同组人员：

实验时间：

2013年4月1日

评定成绩：

审阅教师：

实验二增益自动切换电压放大电路的设计

一、实验内容及要求

用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。

电路应实现的功能与技术指标如下：

1.基本要求

1）放大器能够具有0.1、1、10三档不同增益，并能够以数字方式切换增益。

2）输入一个幅度为0.1～10V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.5～5V范围内，设计电路根据输入信号的情况自动切换调整增益倍率。

3）放大器输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。

2.提高要求

1）输入一个交流信号，频率10kHz，幅值范围为0.1～10V（峰峰值Vpp），要求输出信号电压控制0.5～5V（峰峰值Vpp）的范围内。

2）能显示不同的增益值。

3.创新要求

1）利用数字系统综合设计中FPGA构建AD采集模块，来实现程控增益放大器的设计。

分析项目的功能与性能指标：

1、项目功能

（1）、当输入为直流信号时，电路能够根据其直流电压大小，自动选择合适的増益，将输出电压控制在0.5V-5V之间，具体如下：

当Ui为0.1~0.5V时，增益为10倍；当Ui为0.5~5V时，增益为1倍；当Ui为5~10V时，增益为0.1倍。

（2）、当输入为交流信号时，首先通过一个整流滤波电路提取出峰峰值,峰峰值为直流电压，可以根据峰峰值判断出所需要的电压増益，再将交流信号送入相应的电压放大电路中进行信号的放大。

（3）、用3个led灯显示增益值。

2、性能指标

（1）、増益自动切换的临界值应尽量接近0.5和5，误差不能太大。

（2）、输入信号在各个范围内的増益约为10、1和0.1，误差不能太大。

（3）、输出信号范围在0.5V-5V之间。

二、电路设计（预习要求）

（1）电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述）：

基本要求：

通过分压电路从15V电源电压中分出参考电压0.5V和5V，用741运放作为比较器将输入的直流电压与参考电压进行比较，将两个运放输出的高低电平作为模拟开关4052的地址选择不同的増益值。

在设计电压放大电路时，考虑到实验要求输入阻抗不小于100kΩ，选择采用同相比例放大电路。

提高要求：

采用整流滤波电路提取出直流信号的峰峰值，送入比较电路进行比较选择合适的

増益值，再将交流信号送入电压放大电路进行信号的放大。

对于led灯的显示，由于

4052开关包含两个四选一开关，故一个四选一用来选择Rf而另一个则可以用来实

现增益的led显示。

（2）电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出）：

基本要求：

提高要求：

交流信号

（3）电路原理图（各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明）：

比较电路:

1、通过分压电路将15V电源电压分压产生0.5V和5V的参考电压，接入741运放的反相输入端。

分压电路用100kΩ、45kΩ、5kΩ电阻串联实现。

2、将直流信号接入741运放的正向输入端，对于一个运放来说，若正向输入电压大于反向输入电压，则输出高电平；若正向电压小于反向电压，则输出低电平。

増益选择及放大电路：

由于multisim元件库中没有模拟开关4052，故选择另一种双四选一开关ADG409

代替，模拟开关可根据运放的比较结果选择不同的Rf从而实现不同的増益。

考虑到硬

件中不容易实现増益为0.1的电压放大，选择先将信号接入一个分压电路将信号缩小为

原来的十分之一，再用缩小后的信号实现100倍、10倍、1倍的増益。

由于实验要求输

入阻抗大于100kΩ，故选择输入阻抗为无穷大的同相比例放大电路。

整流滤波电路：

选择采用全波精密整流电路。

由于输入的交流信号可能会小于0.5V，此时若采用

普通的二极管-电容滤波电路会带来相对较大的误差，因此采用如上图所示的精密整流

电路。

由于此处需要得到的直流电压为输入正弦信号的峰峰值，因此需要通过调节R16

的大小来实现不同的増益，并且在R16上并联一个电容来滤波。

将整流之后的信号进行

傅里叶级数展开：

此处我们只需要直流分量

，所以要将R16调至原先的

倍。

故选择R12=R13=R14=10kΩ，R15=20kΩ，R16=63kΩ。

（4）列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出，提高要求、创新要求多用到的器件请注明）：

元件

数量

UA741运放

5

3kΩ电阻

2

27kΩ电阻

3

270kΩ电阻

1

100kΩ电阻

1

5kΩ电阻

1

100nF电容

1

CD4052模拟开关

1

1N4007

2

10kΩ电阻（提高）

3

20kΩ电阻（提高）

1

63kΩ电阻（提高）

1

10nF电容（提高）

1

LED灯

3

（5）电路的仿真结果（请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出）：

基本要求：

（输入为10V的正弦信号）

输入0.3V的直流信号：

（増益约为10）

输入2V的直流信号：

（増益约为1）

输入6V的直流信号：

（増益约为0.1）

提高要求：

1、输入峰峰值为0.2V的交流信号时，输出的交流信号峰峰值约为2V，増益约为

10。

2、输入峰峰值为4V的交流信号时，输出信号大致与输入信号重合，増益约为1。

3、输入峰峰值为10V的交流信号，输出的交流信号峰峰值约为1V，増益约为0.1。

三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析

（1）硬件实物图（照片形式）：

已拆，忘记拍照了。

（2）制定实验测量方案：

基础部分：

用电位器和电源构成电阻分压电路，调节电位器输入0.1V~10V的直流信号（注

意电位器应选择较大阻值，否则很难调到0.1~0.5V之间的电压）；用万用表测増益

分别为10，1，0.1的各临界值（即测0.1V，0.5V，5V，10V附近的电压増益变化）。

提高部分：

首先将输入信号、输出信号分别接入示波器CH1、CH2通道，用函数发生器输

入频率为10KHz的0.1Vpp~10Vpp正弦交流信号。

主要观察输入正弦信号峰峰值为

0.1V，0.5V，5V，10V附近的电压増益。

（3）使用的主要仪器和仪表：

稳压电源：

提供电源及直流输入信号。

函数发生器：

提供不同峰峰值的交流信号。

万用表：

测量直流输出电压，查找故障。

示波器：

观察交流信号的输入输出波形。

（4）调试电路的方法和技巧：

首先用万用表测量各芯片的引脚输入电压是否符合要求，即正负电源的电压是

否正常，应该接地的是否正常接地等。

然后进行分模块调试，对于模拟开关，将地址端直接接高低电平选通制定的开

关进行检测；将信号输入比较器，检查比较器逻辑是否正确；然后看増益放大电

路，手动将选择不同的Rf，看是否能实现相应的増益；再单独调试整流滤波电路，

因为电阻并不是十分精确，因此需要通过电位器调节増益，使得滤出来的直流信

号与峰峰值十分接近。

（5）测试的数据和波形并与设计结果比较分析：

0.1倍増益

1倍増益

10倍増益

输入下限（V）

输出下限（V）

输入下限（V）

输出下限（V）

输入下限（V）

输出下限（V）

5.1

0.51

0.52

0.52

0.14

1.3

输入上限（V）

输出上限（V）

输入上限（V）

输出上限（V）

输入上限（V）

输出上限（V）

10.9

1.11

4.80

4.80

0.47

4.56

基础部分：

（6）调试中出现的故障

提高部分：

（数据记录）

0.1倍増益

1倍増益

10倍増益

输入下限（V）

输出下限（V）

输入下限（V）

输出下限（V）

输入下限（V）

输出下限（V）

5.2

0.528

0.52

0.52

0.112

1.00

输入上限（V）

输出上限（V）

输入上限（V）

输出上限（V）

输入上限（V）

输出上限（V）

10.0

1.04

4.80

4.80

0.496

4.80

（6）、原因及排除方

提高部分：

（波形记录）

1、増益为10时的上限和下限：

由上图可知，Ui=0.114V，Uo=1.00V，Au=8.8，増益及其下限基本与设计相符。

由上图可知，Ui=0.496V，Uo=4.72，Au=9.5，増益及其上限基本与设计相符。

2、増益为1时的上限和下限：

由上图可知，Ui=0.528V，Uo=0.528V，Au=1，増益及其下限基本与设计相符。

由上图可知，Ui=4.96V，Uo=4.96V，Au=1，増益及其上限基本与设计相符。

3、増益为0.1时的上限和下限：

由上图可知，Ui=5.36V，Uo=0.552V，Au=10.3，増益及其下限基本与设计相符。

由上图可知，Ui=10V，Uo=1.04V，Au=9.6，増益及其上限基本与设计相符。

（6） 调试中出现的故障、原因及排除方法

1、故障1：

整流滤波电路输出的直流电压恒定在11V左右，不随输入信号变化

原因：

经过仔细排查，发现芯片的VEE端引脚电压是0V，进而发现负电源的

电源线中间接触不良（貌似导线内部断了）

排除方法：

换了一根接电源的导线，整流滤波电路便输出正确了。

2、故障2：

一开始选用1kΩ的电位器用在电源分压电路中作为直流输入信号，发

现输出电压极不稳定，甚至会突然跳变为负值。

原因：

经过老师解释，我知道了实验箱上的电位器是双极性的，用在电路中极

不稳定。

排除方法：

换用了10kΩ的普通电位器。

四、总结

（1）阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：

问题1：

若是采用同相放大，如何实现増益为0.1？

分析及解决办法：

既然放大器本身采用同相放大时无法实现増益小于1，那么我们

可以在信号进入放大器之前对它做处理，具体方法是采用电阻分压电路先将输入信

号衰减为原来的十分之一，再将它通过増益为1的放大器即可实现放大0.1倍。

问题2：

如何实现増益？

考虑了多种方案：

a、通过与非门，可是由于比较器上拉电压改为15V，若要使用与非门，则需

稳压二极管，显然该方法较为繁琐，直接排除。

b、由于4052中有两个四选一开关，故可以利用另一个四选一开关，只需在一

端接5V，另外三端接led灯。

c、用数码管显示，若译码电路采用与非门，则存在a的问题，可是若方b再

加上FPGA，则很容易实现。

（2）总结设计电路和方案的优缺点：

优点：

采用同相比例放大电路，由于同相比例放大电路输入阻抗为无穷大，满足了

题目中输入阻抗大于100kΩ的要求。

采用了精密整流加滤波电路，精度较高。

缺点：

缺点：

交流信号峰峰值由高变低时，需要电容快速放电，故电容需要较小的；而峰

峰值由低变高时，需要电容快速充电，故电容需要较大的；两者需要达到一个平衡，

参数比较难调。

（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：

增益自动切换的用处是很大的，比如可以将该电路应用于喇叭、音箱中。

听音乐时，即使设定在固定的音量，不同的歌曲本身声音强度是不一样的，不同的电视频道也会有这种现象，不同台切换时，声音有的过强，或者过弱，都需要手动调节，如果增益自动切换可调，那么在声音过强时，增益变小，声音强度自动减小，反之亦然。

（4）实验的收获和体会：

通过此次实验，我认识到对于一个较为复杂的电路的设计与调试，应建立模块化的思想，否则一旦出现问题，整体调试起来很浪费时间，还不容易找到错误点。

并且与数字系统不同的是，模拟电路的搭建，对芯片的选择以及参数的计算要求很高，仿真与硬件实物也有很大的不同，往往仿真完全正确，实际调试会出现各种各样的问题，故在调试时，不同太相信仿真结果，应进一步检查电路设计是否正确。

五、参考文献

1、《电子电路基础》刘京南主编

2、CD4052、1N4007数据手册