增益自动切换电压放大电路的设计.docx
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增益自动切换电压放大电路的设计.docx
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增益自动切换电压放大电路的设计
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:
电类强化班
姓名:
缪惠宇学号:
61010125
实验室:
实验组别:
同组人员:
实验时间:
2012年4月13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,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、50增益,并能够以数字方式切换增益。
2)输入一个幅度可调的直流信号,要求放大器输出信号电压在0.5~10V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0.5~10V(峰峰值Vpp)的范围内。
2)显示增益值。
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:
功能:
1.判断电压处在哪一个范围内。
2.不同的范围之内,放大不一样的倍数‘
3.对交流信号进行整流,判断其峰峰值处在哪一个范围内。
4.根据交流信号峰峰值的不同进行不同的放大。
性能指标:
1.增益为10、1、0.1,分别在0.5V、5V的时候进行跳变。
2.交流信号的频率为10KHZ,需在电路的通频带中。
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):
基础部分:
对于输入的信号,先对其所在的电压范围进行判断,使用电阻分压的形式,用运算放大器进行比较,再用AD转换的方式,对所输入的信号根据电压大小进行编码,分别为00、01、11,对模拟开关进行控制,控制放大电路,以实现放大倍数的变化。
提高部分:
由于二极管存在一定的导通电压,有一定点输入信号,所以使用精密整流滤波电路来获得与幅值相等的直流信号,整流之后,可以使用与基础部分一样的方法进行电压大小的比较,并对原信号进行放大。
(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):
基础要求:
提高部分:
(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):
基础部分:
比较开关
分压电路
1.参考电压采用分压的放大进行判断,使用1KΩ,9KΩ和20KΩ的电阻,15V的电压,将基准电压定为0.5V和5V,与输入电压进行比较。
利用运算放大器,输出高低电平,进行编码,控制模拟开关的接通与断开。
2.对于模拟开关,输入的信号分别为00、10、11,分别控制放大电路,及分别导通电阻为1MΩ、100kΩ和10kΩ的电路,与运算放大器的100kΩ电阻进行比较,可得分别放大10倍,1倍与0.1倍。
提高部分:
提高部分只需要对输入信号进行整流处理,其他部分与基础部分相同。
使用精密整流电路对输入信号进行处理,因为若使用整流二极管,因为反向输入信号时,仍然存在一定的导通电流,所以所得的结果误差较大,不得实现电压比较的功能,所以使用如图所示的精密整流电路。
(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
元件
数量
电阻100K
9
模拟开关4052
1
电阻1K
1
检波二极管1N4148
2
电阻9K
1
运算放大器
5
电阻10K
3
电阻1M
1
(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):
基础部分:
输入为0.1V此时为10倍增益
输入为3V,此时为1倍增益
输入为11V,此时为0.1倍增益
提高部分:
输入为0.2V的峰峰值,结果为10倍增益。
输入为2V的峰峰值,得到的为1倍增益。
输入为6V的峰峰值,得到的结果为0.1倍增益。
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):
放大电路
基准电压分压
精密整流电路
(2)制定实验测量方案:
直流信号通过15V的电源和试验箱上的电位器分压得到。
交流信号直接由函数发生器产生。
将输入输出信号分别接入示波器的CH1和CH2进行显示。
(3)使用的主要仪器和仪表:
示波器、万用表、函数发生仪,稳压电源
(4)调试电路的方法和技巧:
首先对基准比较电压所得到的结果进行分析和检测,加入基准电压比较正确,再对放大电路各个支路进行检测。
最后基本可以得到实验所需要的结果。
由于试验箱的电位器的电阻较大,所以可能稍微改变可能造成很大的电压改变,所以在基础部分,对输入电压的调节要尽量使用阻值较小的电位器,并慢慢的进行调节。
(5)测试的数据和波形并与设计结果比较分析:
输入的为峰峰值0.3V的电压,输入得到为接近3V的电压,电压增益为10,基本实现所需的功能。
输入的为峰峰值1.3V的电压,输入得到为接近1.3V的电压,电压增益为1,基本实现所需的功能。
输入的为峰峰值10V的电压,输入得到为接近1.V的电压,电压增益为0.1,基本实现所需的功能。
(6)调试中出现的故障、原因及排除方法:
基础部分本实验完成的比较顺利,实验结果在实验误差的允许范围之内,但是在提高部分出现了一些问题。
实验一开始,我所使用的整流电路,直接是使用整流二极管,结果发现,在信号较小的时候误差很大,只能使用由运算放大器所构成的精密整流电路。
但是在使用精密整流电路的调试过程中,在小信号的情况下,误差仍然是十分大,无法实现0.1倍增益的跳变。
用电压表对整流电路进行测量,结果发现,该电路始终存在0.6V的最小电压,且无法更小,结果导致无法实现0.1倍增益的跳变。
最后发现问题是电路中使用的电容过大,导致整流不精确。
改为10nF的电容后,该问题得到了较好的解决,在实验误差的允许范围内,基本能够实现实验所需要的要求。
在精密整流电路的过程中,发现整流所得结果始终为负数,将两个检波二极管的方向全部改变后,输出的电压为正。
四、总结
(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法:
实验设计的时候,刚开始对交流信号进行处理的时候,使用的是二极管跟一个电容。
但是由于二极管存在一定的导通电压,所以当输入信号较小的时候,输出所得的结果就十分的不理想,不能实现较小信号的增益放大。
这时候,我改为精密整流电路。
但是,在实验过程当中,发现当电容较大时,对小信号的增益放大仍然不理想,当把电容改为10nF时,在实验误差允许的范围内,能够实现增益放大。
检波二极管的导通方向对精密整流最后得到的结果的符号有关。
当发现结果的符号为负数时,应该将两个二极管的方向对调。
(2)总结设计电路和方案的优缺点:
电路对较大信号的放大比较理想,但是当信号较小时,低于1V时,所得到的误差较大,当电容过大时,甚至无法实现10倍增益的放大功能,所以需要对实验器材进行进一步的分析。
(3)指出课题的核心及实用价值,提出改进意见和展望:
课题的核心是对电压的比较以及编码。
当信号为交流信号时,对信号的处理,整流显得极为重要。
意见:
对于放大倍数的表示,可以对编码进行进一步处理,使用数码管进行显示,效果更加好.
(4)实验的收获和体会:
实验当中需要对一些微小的细节进行考虑,不能完全理想化,因为实验器材不可能达到理想的要求,此时,就需要对多个方面进行考虑。
最理想的电路是根据实际情况一步步调试出来的。
五、参考文献
1)电子电路基础刘京南主编
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- 关 键 词:
- 增益 自动 切换 电压 放大 电路 设计
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