基于OP07的程控放大器设计Word格式文档下载.docx
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程控放大器;
运算器放大器;
增益
TheDesignandRealizationofProgram-controlledAmplifier
Abstract
Thispaperpresentsanamplifierwithdigitallycontrolledgain.ThecircuitconsistsoftwoOP07CPchipleveltwoinvertingamplifierusingCD4051chipasthegainswitch,changethefeedbackresistancebycontrollingtheswitchtochangethegainofthecircuittoadapttochangesinthescopeoftheanalogsignallevel.Thispaperfirstintroducesthetwosystemschemesindetail,andcomparestheadvantagesanddisadvantages,thensummarizesthedesignprocessandideasofthecircuit,andthenintroducesthedebuggingprocessofthesystemandthesolutionstotheproblemsencounteredintheprocess.Thesystemcanachievethetargetrequirementsverywell,thatis,thegainrangeis10DB-60DB,andthereis40KHZbandwidthat40DB.
Keywords
Program-controlledamplifier;
operationalAmplifier;
gain
1前言
在这个数字电路高速发展的时代,许多模拟电路已被数字化,似乎数字将完全取代模拟,当然,这是不可能实现的,因为事物的本源是数字的,自然界的信息也是连续的模拟的,因此研究模拟电路也是十分有必要的。
而本文介绍的程控增益放大器则巧妙的结合了数字电路和模拟电路,用数字控制模拟对信号进行放大,这大大方便了对该电路的使用,而这也将成为一种趋势。
本文介绍的放大器可以对信号进行大范围放大,而且在中频段的线性性吻合的特别好。
该电路最大限度的利用了OP07的优点。
在这个越来越重视数据的时代,程控增益放大器在数据采集系统、自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用。
2.指标要求
设计和实现一程控放大器,增益在10~60dB之间,以10dB步进可调;
当增益为40dB时,-3dB带宽≥40kHz.电压增益误差≤10%,最大输出电压≤10V。
3.总体方案设计
3.1方案一
图3.1仪表放大器框图
该方案是通过将信号输入由三运放构成的仪表放大器(如图3.2)中,该电路的增益公式为
。
第一级为由两对称同相放大器构成的差分放大器,通过调整两运放间公用的反馈网络电阻Rg的大小,从而达到改变第一级的增益,而第二级用的是一个减法电路。
对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位,从而不会在RG上产生电流。
由于没有电流流过RG(也就无电流流过R1和R2),因此对于公模信号来说放大器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作。
因此,共模信号将以单位增益通过输入缓冲器,而差分电压将按〔1+(2RF/RG)〕的增益系数被放大。
这也就意味着该电路的第一级共模抑制比是〔1+(2RF/RG)〕。
第二级普通减法电路,如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入极高的CMRR但是由于电阻阻值存在误差,而这一电路要求电阻对R4/R6和R3/R5的比值匹配得非常精密,否则,每个输入端的增益会有差异,直接影响共模抑制。
例如,当增益等于1时,所有电阻值必须相等,在这些电阻器中只要有一只电阻值有0.1%失配,其CMRR便下降到66dB(2000:
1)。
同样,如果源阻抗有100Ω的不平衡将使CMRR下降6dB。
因此靠这一级提高CMRR明显是靠不住的。
图3.2
3.2方案二
图3.3两级反相放大器框图
该方案将交流信号经过两级反相放大,可通过改变反馈电阻的阻值来调节放大倍数,其原理图以及增益公式如图3.4所示。
该电路较为简单,其增益公式也比较简单,他的共模抑制必须依靠运放的内部差分放大器,由于经过两次反向,因此其输出的信号将与输入的同相位。
图3.4
3.3方案选择
方案1具有如下优缺点:
优点:
具有极高的CMRR,通过调节RG也足以完成10DB---60DB的增益范围。
缺点:
该电路第一级为同相放大器,放大倍数必须是1以上,而课程设计的放大倍数必须是3.1到1000倍,因此第二级放大倍数不可能超过3.1,这意味着第一级放大器将承受最大为330倍的增益。
而0P07的GBP只有0.6M,说明当放大倍数为100时,第一级将放大33倍,这样的话其最大3DB带宽上限频率只有18.8M,而题目要求达到当增益为40dB时,-3dB带宽≥40kHz.所以这个电路明显达不到这个要求。
方案2具有如下优缺点:
电路结构较为简单,两个输入端电压相等并等于零,故没有共模输入信号,从而对运放的共模抑制没有要求;
且该形式的电路增益调节十分方便,增益可以在0以下,这是同相放大做不到的。
而该系统可以完成所有指标要求,甚至超过。
深度负反馈条件下,输入电阻为R1,输入电阻不能达到理想情况。
这里选择优点更多且更方便调节的方案2。
4.单元模块设计
4.1单元模块功能介绍
4.1.1两级放大
图4.1.1两级放大
放大部分采用了反相放大电路,输入部分串入耦合电容可以除去直流量,它的抗干扰能力强,在输入级正是要有这个特点,能够有效抑制噪声;
通过调节反馈网络的阻值可方便的改变放大倍数,电路结构也很简单。
4.1.2程控部分
图4.1.2程控部分
通过控制拨码开关输入三位的二进制代码,可以使模拟开关选择不同的档位,来选择不同的电阻连接到电路中,如上图所示,其中A1与A2分别与上个模块中的对应A1,A2连接。
4.1.3电源退耦部分
电源退偶,可将电源上的噪声电压引入到地平面,让电源电压保持在一个稳定的值,这样系统才可能稳定工作。
用一个大电容并联一个小电容,并且在布局时尽量将电容放在运放电源引脚旁。
4.2电路参数计算
4.2.1放大参数计算
放大倍数计算表达式:
A=Rf1/R1,选定R1为1
,第二级放大10倍,则根据计算式可得如下表格:
3.162
10
31.62
100
316.2
1000
10dB
20dB
30dB
40dB
50dB
60dB
Rf1
0.3162K
1K
3.162K
10K
31.62K
100K
4.2.2第二级放大参数计算
A=Rf2/R2,选定R2为1
,则Rf2=10
4.2.3元器件的选择
运放
OP07CP
2个
模拟开关
CD4051BE
1个
拨码开关
六脚
电位器(
)
203
204
6个
电阻
1K、10K
各5个
电容
103、104
4.3各单元模块连接
图4.3单元模块连接
第一级放大与程控部分相结合,便为可控增益的反相放大器,其放大倍数可通过程控电阻选择电路,第二级放大倍数定为10倍左右。
5.1硬件调试
5.1.1调试内容
(1)调节第二级放大倍数为10倍;
(2)调第一级各个档次放大倍数使总的放大倍数达到预期目标。
(3)调试40DB处的带宽,如果带宽不够适当调整耦合电容的大小。
5.2.2调试方法
(1)将10KHZ,100mv交流小信号(无偏置)直接输入到二级放大器Vi2处,输出接到示波器,调整二级放大反馈电阻,使输出为1v且不失真;
(2)将拨码开关拨到1档(
=000),输入10KHZ10mv正弦信号,输出接示波器,调整第一级放大反馈电阻,使得输出VPP约为31.62mv;
(3)将拨码开关拨到2档(
=001),调整反馈电阻大小,使得输出VPP为100mv;
(4)将拨码开关拨到3档(
=010),调整反馈电阻,使得使得输出VPP为316.2mv;
(5)将拨码开关拨到4档(
=011),调整第一级放大反馈电阻使得输出VPP为1v;
(6)将拨码开关拨到5档(
=100),调整反馈电阻,使得使得输出VPP为3.16v且不失真;
(7)拨码关拨到第6档(
=101),调整第一级放大反馈电阻,输出应为VPP=10v;
(8)在第4档即100倍处,将频率上升至50KHZ,输出VPP应不低于707mv且波形无失真。
调试完毕。
6.系统功能和指标参数
6.1功能
系统可通过数字信号输入控制放大器的增益大小,实现从10dB到60dB的增益,以10dB步进可调,总共六档切换,且在40DB的增益处有40KHZ以上的带宽。
6.2指标参数测试
6.2.1测试方法
将10mv交流小信号输入到放大器第一级的反相输入端,然后将输出接到示波器,拨动微动开关调到对应档位(1~5档,即
=000~101),观察示波器的波形峰峰值。
6.3实测结果与设计要求的对比
输入正弦信号:
10mv10KHZ
档位
1
2
3
4
5
6
输出
31.6mv
96.8mv
312mv
1.07V
3.16V
9.92V
实际增益
3.16
9.68
31.2
107
316
992
19.72DB
29.88DB
40.55DB
49.99DB
59.93DB
放大倍数
增益误差
1.4%
0.4%
1.37%
0.02%
0.11%
10mv50KHZ
728mv
放大倍数
72.8
37.24DB
分析
该级放大应为40DB,40HZ带宽下最小不能低于37DB即下降范围在3DB以内
6.4波形记录
10DB增益10mv10KHZ输入
20DB增益10mv10KHZ输入
30DB增益10mv10KHZ输入
40DB增益10mv10KHZ输入
40DB增益10mv30KHZ输入
40DB增益10mv50KHZ输入
50DB增益10mv10KHZ输入
60DB增益10mv10KHZ输入
7.设计总结
通过此次课程设计学习,我收获良多。
首先是学会了查看芯片手册,了解了OP07和CD4017的各种参数,并懂得了在调试的时候应时刻注意那些相关的参数,做到心中有数,不至于调试的时候盲目不知所措。
在查看完芯片手册之后,再来看课题要求,并根据要求确定方案,设计出符合条件的电路。
而调试运放也有许多技巧,例如当电路设计完成后,如果给了输入,输出若不正常,那应该要一级一级查错,可以先将两级断开,单看第一级,如果第一级没问题,那再来查第二级,直到问题全部解决。
做该电路最大的难处就是保证10到60DB的增益范围,但是,中间也是有技巧的,只要做到10DB和60DB的放大没问题,那么中间的增益也是不会有太大问题的。
此次的学习最大的收获就是提高了动手能力,对函数发生器和示波器的使用也更熟练了。
对模拟电路的设计也有了初步的了解,虽然中间出了许多问题,但最后都解决了。
【参考文献】
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.[M].第四版.高等教育出版社,2009.
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- 关 键 词:
- 基于 OP07 程控 放大器 设计