(精品论文)增益可自动变换的放大器 模电课程设计

模电课程设计 24 电子与信息学院 模拟电子线路基础课程设计报告 增益可自动变换的放大器 专 业 信息工程 班 级 学生姓名 指导教师 提交日期 目 录第一部分 设计任务1.1 设计题目及要求41.2 备选方案设计与比较41.2.1 方案一41.2.2 方案二61.2.3 方案三61.2.4 方案四71.2.5 各方案分析比较7第二部分 设计方案2.1 总体设计方案说明82.2 模块结构与方框图8第三部分 电路设计与器件选择3.1 功能模块一（时钟模块及保持模块）93.1.1 模块电路及参数计算93.1.2 工作原理和功能说明103.1.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）103.2 功能模块二（计数模块）113.2.1 模块电路及参数计算113.2.2 工作原理和功能说明123.2.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）123.3 功能模块三（增益模块）133.3.1 模块电路及参数计算133.3.2 工作原理和功能说明143.3.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等）14第四部分 整机电路4.1 整机电路图（非仿真图）184.2 元件清单19第五部分 安装调试与性能测量5.1 电路安装20（推荐附整机数码照片）5.2 电路调试205.2.1 调试步骤及测量数据205.2.2 故障分析及处理225.3 整机性能指标测量（附数据、波形等）22第六部分课程设计总结 （心得体会）24第一部分 设计任务1.1 设计题目及要求增益可自动变换的放大器设计：设计制作一个增益可自动变换的交流放大器。1、放大器增益可在1倍 2倍 3倍 4倍四档间巡回切换，切换频率为1Hz;2、能够对任意一种增益进行选择和保持（演示：控制某个增益保持时间为4S）。3、电源采用+5V单电源供电。1.2 备选方案设计与比较1.2.1 方案一 原理方框图如图（1）：时钟脉冲电路单稳态触发器反相器计数器模拟开关电阻网络放大器译码器+反相器图（1）方案一电压增益电路原理方框图基本原理或原理图各部分的作用：全部电路由五部分组成：时钟脉冲、增益保持电路、计数电路、模拟开关和电阻网络、电压增益电路。1. 时钟电路：由555和几个电阻电容接成周期为1s的多谐振荡电路，令R1R，则由T=（R1+2*R2）*C*ln2=1s,取C=10uF,可得R1=48k,取两个标称值47k的电阻即可基本满足要求。2. 增益保持电路：通过由555构成的单稳态电路实现。通过开关实现触发，输出和74LS161接计数器的EP控制端相连接。由于单稳态触发器的暂稳态为高电平，而EP=0时计数器保持，所以输出要接一个反相器再接到EP。由Tw=RCln3=4s,取C=80uF，R=47 k。3. 计数电路：由74LS161产生，时钟输入端即由时钟电路输入，输出端只需用到低两位即可控制4个增益的循环转换。计数器真值表如表（1）： 计数顺序电路状态等效十进制进位输出 CQ3Q2Q1Q0000000010001102001020300113040100405010150601106070111708100080910019010101010011101111012110012013110113014111014015111115116100000表（1）计数器真值表4. 模拟开关和电阻网络：由74LS138的CD4066组成。4066接上4个实现不同增益的反馈电阻，其4个选择端通过反相器和74LS138的Y0至Y3输出端连接，通过74LS161输出控制74LS138的输入选择端输入即可控制4个不同电阻的循环转换。5.电压增益电路：由三个电阻和一个运放构成，采用反相运算。功能说明：时钟脉冲电路：产生周期为1s的脉冲，为计数器提供时钟。增益保持电路：产生一个宽度为4的负脉冲，使计数器输出保持不变。计数电路: EP=1时计数，从00到11循环；EP=0时保持。作为模拟开关的地址输入。模拟开关和电阻网络：为电压增益放大电路提供反馈电阻，接通的反馈电阻随地址输入改变而改变。电压增益电路：实现电压放大，倍数由反馈电阻Rf与输入电阻Ri之比决定。1.2.2 方案二方框图如图（2）：时钟脉冲电路计数器2计数器1模拟开关电阻网络放大器译码器+反相器图（2）方案二电压增益电路方框图 保持电路不用单稳态触发器，而是再用1个计数器74LS161和控制74LS138的计数器通过正确的连接实现保持功能。其它部分电路和方案一相同，实现功能也完全一样。该方案主要采用的是用555实现保持4s的高电平，从而实现对功能的实现，而其他部分均与第一种方案相同。1.2.3 方案三 方框图如图（3）：时钟脉冲电路计数器2计数器1模拟开关电阻网络放大器 图（3）方案三电压增益电路方框图负荷高峰将方案二中的模拟开关部分由CD4052代替74LS138和CD4066,直接通过74LS161控制4052选择4个不同的反馈电阻实现循环。CD4052的地址端B,A分别接74LS161的QB,QA输出端，INH端接地，根据实际电路选择X通道或者Y通道都可。电路的其它部分和方案二相同，功能也一样。CD4052的引脚功能图如表（2）： 表（2）CD4052的引脚功能图1.2.4 方案四方框图如图（4）：时钟脉冲电路单稳态触发器反相器计数器模拟开关电阻网络放大器图（4）方案四电压增益电路方框图保持电路用单稳态触发器实现，如方案一。模拟开关部分电路用CD4052和74LS161实现，如方案三，其它部分电路保持不变，实现功能也一样。1.2.5 各方案分析比较方案二和方案三用两个计数器同时实现循环和保持功能，整体性好。但两个功能互相影响，不能独立实现，实际操作容易出错，调试相对困难。方案一和方案四都是用单稳态电路实现保持功能，可以独立调试，实现也比较容易。但是方案四只用一个计数器和一个模拟开关，而方案一需多用一个译码器，元器件种类多，成本高。综上所述，决定用方案四。第二部分 设计方案2.1 总体设计方案说明该方案采用555定时器电路作为基准时间产生电路，产生频率为1Hz的脉冲接到计数器CP端，使得电路能够实现在四种不同的状态间切换。再通过模拟开关CD4052组成的控制电路和运算放大器UA741增益电路实现4种增益的切换。运用拨动开关来控制计数器的预置数值，当计数器1组成的定脉冲产生电路产生4s高电平接到计数器的PE端，使计数器2处于保持状态。同时数控开关接到LD端，由4532对数控开关进行编码，将编码送到计数器2 而置位，从而实现数字控制不同增益。2.2 模块结构与方框图如图（5）时钟脉冲电路单稳态触发器反相器计数器模拟开关电阻网络放大器图（5）电压增益电路模块结构与方框图第三部分 电路设计与器件选择3.1 功能模块一时钟模块及保持模块3.1.1 模块电路及参数计算时钟脉冲如图（6）：图（6）时钟脉冲图保持电路如图（7）：图（7）保持电路图多谐振荡器参数：电容C充电时间 T1（R1R2）*C*ln2 (1)电容C放电时间 T2R2*C*ln2 (2)电路振荡周期 TT1T2（R1+2*R2）*C*ln2 (3)占空比 q=R1/(R1+R2) (4)取占空比q=2/3,由式（4）可得R1=R2振荡周期为1秒，由式（3）可得 TT1T2（R1+2*R2）*C*ln21取C10uF，则带入上式得 3*R1*C*ln2=1 R1=48k R2=R1=48k取两只47k电阻作为R1、R2。3.1.2 工作原理和功能说明：用随机开关实现基本的随机信号，而按下去则为1，取反后为0；用数控开关实现按下去为1，输入CD4532实现编码的转换，四个数控开关通过与门后得到数控信号，数控信号与基本随机信号通过与门后得到随机信号，从而得到数控编码，随机信号，数控信号。用555定时器接成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲作为74161计数器的计数脉冲。3.1.3 器件说明NE555引线图如图（8），主要参数如表（3）：图（8）NE555引线排列图表（3）NE555引脚参数40106引脚图如图（9）：图（9）40106引脚图3.2 功能模块二计数模块3.2.1 模块电路及参数计算计数电路如图(10)：图(10)计数电路3.2.2 工作原理和功能说明：将前一级时钟脉冲电路的输出接至74161的CLK端， 74161的EP端暂接高电平。并用两个二极管，检测到高电平发光时用1表示，灭时用0表示，则可发现发光规律为“00”，“01”，“10”，“11”，说明计数器计数工作正常。3.2.3 器件说明：74LS161引脚图（1）如图（11）、引脚图（2）如图（12）:图（11）74LS161引脚图（1）图（12）74LS161引脚图（2）74LS161主要参数如表（4）：:表（4）74LS161主要参数3.3 功能模块三增益模块3.3.1 模块电路如图（13）及参数计算图（13）增益模块电路3.3.2 工作原理和功能说明放大倍数是由反馈电阻与输入电阻的比值来决定的其公式为 AVR反馈/R反向输入1，而得到的，所以只要变其中一个就可以改变放大倍数，而通过改反馈电阻来改变最为理想。通过4052控制开关，将执行编码装换成开关接入，而实现倍数的控制。3.3.3 器件说明CMOS模拟开关4052模拟如图（14）：图（14）CMOS模拟开关4052模拟图CMOS模拟开关4052引脚排列如图（15）图（15）CMOS模拟开关4052引脚排列图CMOS模拟开关4052等效图如图（16）图（16）CMOS模拟开关4052等效图CMOS模拟开关4052功能如表（5）表（5）CMOS模拟开关4052功能表CMOS模拟开关4052参数如表（6）表（6）CMOS模拟开关4052参数表LM324引脚如图（17）：图（17）LM324引脚图LM324参数表如表（7）：表（7）LM324参数表第四部分 整机电路4.1整机电路如图（18） 图（18）整机电路图4.2元件清单如表（8）型号 数量电阻10K2，20K1，30K1，39K1，47K3，100K2电容0.01uF2，10uF4集成芯片NE5552, 74LS1611, CD40521CD401061, LM3241其他开关，导线表（8）元件清单表第五部分 安装调试与性能测量5.1电路安装电路安装遵循先整体布局插好芯片，而分模块接好电路，再进行模块间的连接的步骤进行安装（1）实验条件和调试主要仪器设备，（2）调试方法和技巧，（3）调试步骤，（4）性能指标测量及记录（包括整理数据、列出表格和绘制波形，分析实验结果，找出误差原因，提出减小误差的方法。（5）写出调试中出现的故障、原因和排除方法5.2 电路调试5.2.1 调试步骤及测量数据（1）、实验条件和调试主要仪器设备1) 数字示波器1台；2) 实验箱（带面包板）1台；3) 万用电表1个；4) 信号发生器1台；5) 稳压电源1台。（2）、调试步骤（包括调试方法、技巧以及测量数据） 由于整机电路由几部分电路组成，所以先将几部分电路分别独立接好再分别检测调试，这样容易发现错误，事半功倍。以下为各部分电路的安装调试过程及出现的问题：测量步骤：1、时钟脉冲电路：连好电路后，在555的输出端接一发光二极管，通电发现二极管一闪一闪的，闪烁的频率约为1Hz，基本符合要求。电路的555各管脚的电压数据:管脚2,6：最小电压1.335V 最大电压2.988V 管脚7：最小电压0.453V 最大电压3.340V管脚5：最小电压2.198V 最大电压3.347V2、保持电路：2脚通过开关接地实现触发。同样在555输出端接一发光二极管，通电后发现一直在亮，按下开关也不变。后经检查以及和同学讨论发现555管脚悬空是不是高电平，所以对电路进行修正，在2脚和开关之间并联一个1K的电阻接到高电平，这样电路功能即可正常实现。单稳保持电路555各管脚的电压数据：管脚6：接通开关电压2.287V 断开开关电压0.011V管脚7：接通开关电压2.197V 断开开关电压0.012V管脚2：接通开关电压3.269V 断开开关电压5.006V管脚3：接通开关电压2.928V 断开开关电压0.009V管脚5：接通开关电压2.307V 断开开关电压2.308V3、计数电路：在QA脚与地间接发光二极管，二极管约一秒亮一下，在QB脚与地间接发光二极管，正常现象应该是二极管闪烁频率为之前的一半，但实际不变，经检查电路发现也没错误，最后判断可能为74LS161芯片出现了问题。更换芯片后计数正确。74ls161管脚电压数据：管脚7：接通开关电压0.048V 断开开关电压3.464V管脚2：最小电压0.532V 最大电压4.023V管脚14：最小电压2.198V 最大电压3.347V管脚13：最小电压0.244V 最大电压2.885V4、模拟开关和电阻网络：在4052的脚接Vcc，每个反馈电阻接发光二极管后接地，四个灯可巡回点亮，频率约1Hz。4011反相器管脚电压数据：管脚1：接通开关电压2.932V 断开开关电压0.009V管脚3：接通开关电压0.052V 断开开关电压3.466V4052管脚电压数据：管脚9：最小电压0.203V 最大电压2.886V管脚10：最小电压0.234V 最大电压4.441V管脚15：最小电压0.101V 最大电压0.428V管脚14：最小电压0.102V 最大电压0.356V管脚12：最小电压0.119V 最大电压0.168V管脚11：最小电压0.112V 最大电压0.519V管脚13：最小电压0.626V 最大电压0.204V5、放大电路：在输入端输入有效值约为几mv的正弦波，运放接单电源，观察输出端波形。波形有变化，但严重失真，并且放大三倍和四倍的波形差别不明显，换了不同的电阻也一样。运放接双电源，波形有变化， 不失真，但放大倍数差别还是不明显。后增大输入信号得到正确的波形。Lm324管脚电压数据：管脚12：0.003V 管脚13：最小电压0.100V 最大电压0.136V管脚14：最小电压0.135V 最大电压0.319V 5.2.2故障分析及处理输入约200mv的正弦波形，输出波形发大倍数呈1，2，3，4巡回变化，经测量得到四个输出端的电压分别190mv，385mv，578mv，791mv，基本满足1到4倍的放大要求。在任意一种波形时摁下开关，波形保持约4秒，之后继续巡回变化。故障: 分析与解决 计数器无法实现基本计数 计数器损坏，进行更换 555输出只有0.5秒 电阻错误，进行更换 放大器输出波形严重失真 放大器损坏，进行更换 放大器波形波谷削波严重 放大器没有进行正相偏置，加偏置 5.3整机性能指标测量 把每一部分的电路连接起来。接通电源之后，在放大器的输入端接入正弦信号，把示波器分别接到放大器的输入和输出端。将各个部分电路进行整机连接，并且进行整机调试。将输出连接到示波器观察，当输入是正弦波时，输出按放大倍数为10，20，30，40循环输出正弦波，每个放大倍数保持一秒。当在某一状态下按下开关时，该状态保持4秒，结果正常。当输入直流电时，结果亦显示工作正常。如前图所示，在LM324的3脚通过一个10uF 的电容输入正弦波。用示波器观察测量输出电压Vo，并将1倍的Vo的振幅调整到示波器显示尽量接近一格。振幅为一格，波形为：振幅为两格，波形为：振幅为三格，波形为：振幅为四格，波形为：第六部分 课程设计总结（心得体会）一周的时间过得很快,通过独立完成这次模电课程设计.从明确实验设计目标,设计出符合目标的可行方案到调试成功并通过验收,真正体会到电子设计的乐趣,切身感受到理论要密切结合实际,服务于现实,才更能体现出它的生命力.通过这次设计,一方面增强了自己的动手动脑能力,另一方面也为以后的电子设计奠定一些基础.总的来说,这次模电课程设计让我受益匪浅,收获不少。在这次模电课程设计中，收获的不仅仅是一份报告，一个作品，