增益自动切换电压放大电路的设计(DOC)

东南大学电工电子实验中心东南大学电工电子实验中心 实实 验验 报报 告告 课程名称 课程名称 电子电路实践电子电路实践 第第 二二 次实验次实验 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 实验二实验二 增益自动切换电压放大电路的设计增益自动切换电压放大电路的设计 一 实验内容及要求一 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 100k 输出阻抗不大于 1k 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 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 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 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 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 基础要求 提高部分 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 基础部分 U1 741 3 2 4 7 6 51 U2 741 3 2 4 7 6 51 U3 ADG408 DCD S1 4 S2 5 S3 6 S4 7 S5 12 D 8 S6 11 S7 10 S8 9 VDD 13 A0 1 A1 16 A2 15 EN 2 VSS 3 GND 14 U4 741 3 2 4 7 6 51 VCC 15V VEE 15V VEE 15V VCC 15V R1 100k R2 100k R3 100k R4 1M R5 10k VCC 15V VCC 15V VEE 15V VEE 15V V1 15 V R7 9k R8 1k VCC 15V U5 741 3 2 4 7 6 51 VCC 15V VEE 15V R9 100k R10 100k R11 100k XMM1 V2 0 1 V R6 20k 1 参考电压采用分压的放大进行判断 使用 1K 9K 和 20K 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 1M 100k 和 10k 的电路 与运算放大器的 100k 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 分压电路 比较开关 U1A LM324AD 3 2 11 4 1 U1B LM324AD 5 6 11 4 7 R1 100k R2 100k R3 50k R4 100k R5 314k D1 1N4148 D2 1N4148 signal input C1 0 1 F 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 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 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 精密整流电路精密整流电路 放大电路放大电路 基准电压分压基准电压分压 输入的为峰峰值输入的为峰峰值 0 3V 的电压 的电压 输入得到为接近输入得到为接近 3V 的电压 的电压 电压增益为电压增益为 10 基本实现所 基本实现所 需的功能 需的功能 输入的为峰峰值输入的为峰峰值 1 3V 的电压 的电压 输入得到为接近输入得到为接近 1 3V 的电压 的电压 电压增益为电压增益为 1 基本实现所 基本实现所 需的功能 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 输入的为峰峰值输入的为峰峰值 10V 的电压 的电压 输入得到为接近输入得到为接近 1 V 的电压 的电压 电压增益为电压增益为 0 1 基本实现所 基本实现所 需的功能 需的功能 课题的核心是对电压的比