程控正弦波小信号放大器.docx

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程控正弦波小信号放大器

电子线路课程设计报告

一、课题名称：

程控正弦波小信号放大器

设计一个正弦波小信号放大器，达到一下要求：

基本要求：

信号频率范围10KHz~3MHZ，信号电压峰峰值VPP=20mv，输出信号无明显失真，信号输出电压峰峰值不小于3V。

放大器的电压增益：

20dB（10）、40dB（100）、60dB（1000倍），可通过按键或开关控制。

发挥部分：

当输入信号电压峰峰值在20mv～100mv变化时，输出信号无明显失真，信号输出电压峰峰值在3～4V之间。

二、设计采用方案：

由于晶体三极管放大电路以及场效应管放大电路本身要求较高且比较复杂，电路的参数也较难计算，而集成电路的电路用一定的工艺将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容以及他们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成了一个完整的具有一定功能的器件。

它具有高放大倍数，高输入电阻，低输出电阻等多方面的优良性能，且其参数比较容易计算，所以此次设计的放大电路用的均为集成运算放大器。

三、设计基本原理:

放大器是应用广泛的基本模拟电路，主要用于小信号的放大，基本性能指标有增益系数、输入电阻、输出电阻、通频带等，依据不同的性能要求选用不同的集成运放作为放大器件，不同的集成运放其增益带宽积为不同的常数，输入电阻决定于第一级，输出电阻决定于最后一级。

由于单管的放大电路很难满足上述性能的要求，因此此次设计采用多级放大电路。

另外，如果放大级数过多的话，会使其通频带变窄，放大电路的级数越多，频带越窄，所以设计采用三到四级放大电路。

对于自动控制部分，此次设计采用以多个电磁继电器为核心控制器件，电压比较电路为辅助电路，通过放大电路输出的电压大小，来驱动不同的继电器工作，从而带动相连的电阻来调节放大倍数，基本达到自动控制要求。

由于继电器所连电阻为定值，所以电路不能实时的来根据要求自动调节，进而造成了此次自动控制部分的局限性。

对于元器件选材方面，经过一系列仿真测试，选定集成运放OP37为放大器电路部分的核心器件，集成运发LM393为电压计较器部分的核心器件，选用电磁继电器的型号为JRC-21F（DC12V）。

四、放大器设计基本电路：

第一级取输入信号为50mV，1MHz并选用LF353作为电压缓冲级，且为反向放大电路，放大倍数为1，仿真如图：

第二级为电压放大电路，放大10倍，基本无失真，仿真如图：

第三级为电压放大电路，放大5倍，有失真，仿真如图：

第四级为电压放大电路，放大2到3倍，从而达到输出在3V到4V之间，有失真，仿真如图：

五、自动控制部分整体电路原理图：

电路说明：

由于输入信号的不同，输出信号经过三级放大电路所得到的电压也不相同。

由最后一级引出输出电压并接入桥式整流和滤波电路中，可以得到近乎于直流的较稳定电压。

将此直流信号接入LM393比较电路的信号输入端，另外两端分别接入基准比较电压3V和4V。

当输入端电压小于3V时，LM393只有其中一个输出端导通并输出高电平，并使三极管饱和导通驱动电磁继电器K1工作闭合，电阻R20和R3并联，使得最后一级输出电压放大倍数提高，使其峰峰值在3V到4V之间。

当输入端电压大于4V时，LM393另一个输出端导通并输出高电平，使得三极管驱动电磁继电器K2工作闭合，电阻R19和R7并联，使得最后一级输出电压的放大倍数降低，使其峰峰值在3V到4V之间。

其他情况下，比较电路均不工作，最后一级输出端电压可以直接达到峰峰值在3V到4V之间，从而实现自动增益控制要求。

（1）整流滤波电路仿真如图：

当在桥式整流输入端接入峰值4.5V的交流信号时，经过整流滤波电路稳定后可以获得4.5V较稳定的直流信号。

（2）电压比较电路仿真如图：

当LM393输入信号端输入经过整流后的4.5V直流信号，与4V基准电压相比较后，可以使得三极管驱动继电器闭合工作，使得测试灯点亮。

（3）当输入为30mV，300KHz的正弦波信号时，整体仿真如图：

六、电路调试结果：

放大器电路部分：

输入37mV的正弦波信号时：

第一级信号缓冲（如下图）：

第二级放大电路（如下图）：

信号放大7倍峰峰值可达300mv左右，基本无失真。

第三级放大电路（如下图）：

信号继续放大7倍，输出峰峰值可达2V左右。

第四级放大电路（如下图）：

信号放大调节范围较广，可调至3V到4V之间。

数据记录：

当放大10倍时，如下表可知，输出随输入呈线性变化，且波形基本无失真。

20mv

30mv

40mv

50mv

60mv

70mv

80mv

90mv

100mv

30khz

200mv

300mv

400mv

500mv

600mv

700mv

800mv

900mv

1V

300khz

200mv

300mv

400mv

500mv

600mv

700mv

800mv

900mv

1V

1Mhz

200mv

300mv

400mv

500mv

600mv

700mv

800mv

900mv

1V

2.5Mhz

200mv

300mv

400mv

500mv

600mv

700mv

800mv

900mv

1V

当放大100倍时，如下表可知，1MHz以下可以稳定的放大，当达到2.5MHz以上时产生较大失真。

20mv

30mv

40mv

50mv

60mv

70mv

80mv

90mv

100mv

30khz

2V

3V

4V

5V

6V

7V

8V

9V

10V

300khz

2V

3V

4V

5V

6V

7V

8V

9V

10V

1Mhz

2V

3V

4V

5V

6V

6V

6V

6V

6V

2.5Mhz

800mv

800mv

800mv

900mv

900mv

900mv

900mv

900mv

1V

七、体会与心得：

当刚开始拿到选题的时候，觉得题目很简单，但又有无从下手的感觉。

在前期着手准备方面存在很多不足的地方，对于模拟电路的基本知识点不熟练，不能很快思考出题目的出发点，在之前知识点的复习上花费了一定的时间。

而且我们每个人的积极性刚开始并不是很高，所以小组的整个执行力很不足。

在查阅很多资料后，确定了基础部分的电路，仿真过程中的一个大问题就是对于满足题目3MHz要求的芯片的选取，先后选取了LF353、OPA4650等芯片，由于材料无法买到，最后在老师和书籍资料的帮助下确定了选用集成运放OP37为放大电路的主要部分。

着手开始焊接电路的过程中，由于缺少课程设计经验，对于各个元器件的布局很少考虑，使得焊接的电路板很不美观，而且为后期的调试造成了很大的障碍。

另外，在焊接的过程中，其他组员仍然在思考提高部分的电路，在放大部分焊接完成后又要临时转入提高部分的设计，这也是前期计划不足造成。

使得放大电路、整流滤波电路、驱动继电器控制电路有拼凑的感觉，系统的整体性和流畅性不足，导致了最后达到题目要求的可能性降低。

在后期调试方面，电路存在一下几个问题：

1、焊接方面存在短路、断路现象，使得波形存在很大失真，通过对线路的仔细排查基本得到解决；2、在测试中，波形存在顶部和底部的一定程度的毛刺现象，一方面由于信号发生器因为输入信号较小而产生的失真，另一方面由于电路中电线、管脚、电阻之间存在较大信号噪声而产生了失真。

我们采用给正负反馈电阻并联一个适当的电容，从而使得毛刺现象基本消失；3、整流滤波电路部分，因为调试过程将信号源升至过大，导致二极管烧毁，整流失效。

重新更换二极管后，基本可以达到整流滤波效果。

此次课程设计没有能完全达到题目要求，特别是提高部分没有完成是此次设计的最大遗憾。

除了上述提到的原因外，最大的原因在于我们自身时间和精力的投入问题，前期准备不足，中期没得抓紧时间，后期追赶进度，没能完成最后要求。

通过此次课程设计，仍然收获良多，从一开始的一无所知、无从下手，到现在的熟练掌握整个电路，学会了按照要求选择元器件，查阅并看懂各种资料从中取舍，而不是一味的抄袭。

学会了调试电路的基本技巧和应该具有的心态，使得我们在今后设计电路方面有了一个实质性的提高，并对电子行业有了进一步的了解，加深了我们对本专业的兴趣。

最后，感谢张丹老师的细心指导和其他同学的热心帮助，希望我们在今后的电路设计能取得更进一步的提高。