可编程放大器设计

1 可编程放大器设计 一 设计任务与要求 设计并制作一个可编程放大器 其要求如下 1 电压放大倍数由计算机的指令给定 即计算机通过数据线将 BCD 码 N 8bit 送给数据锁存器 它是可编程放大器的一部分 其地址码由设计者选 定 后 放大器的输出电压与输入电压符合下列函数关系 io Nvv 直到计算机给它送来新的数据以前 在温度等因素不变的条件下 这个函数关 系保持不变 2 电压放大倍数的实际值与上述函数关系中的 N 之差的绝对不超过 其条件是 1 N 99 2 100 1 N vO的绝对值在 1V 至 10V 范围以内 温度在 100C 至 300C 范围内 vI是变化缓慢的直流信号 3 输入电阻不小于 100M 二 方案设计与论证 1 基于任务与要求中的第一点 本设计电路要求放大器具有较好的抑制温 度漂移特性 故而本设计采用集成运算放大器为电压放大元件 集成运算放大器简称集成运放 是具有高放大倍数的集成电路 它的 内部是直接耦合的多级放大器 整个电路可分为输入级 中间级 输出级三 部分 输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰 中间级一般采 用共发射极电路 以获得足够高的电压增益 输出级一般采用互补对称功放 电路 以输出足够大的电压和电流 其输出电阻小 负载能力强 与晶体 管 场效应管等分立元件相比起 集成运放具有诸多优势 能抑制温度漂移 放大倍数高 工作稳定等 2 基于任务与要求的第一点与第二点中第一小点中说明的本设计放大器 应具有受控于计算机的可编程改变放大倍数的特性 且在计算机下一次命令 2 8 位 BCD 码 到来之前保持放大倍数不变 故而 数据缓冲部分采用集成 芯片 74LS373 同时 以 8 只相并联的加权电阻分别与电子开关串联的运算 放大器的比例求和运算电路为本设计放大器放大倍数可变的硬件基础 74LS373 可看作 8 个 D 触发器组成的 8 进 8 出的集成芯片 可完成 主体电路与计算机之间的数据缓冲 8 只加权电阻的阻止根据 BCD 码各位之间的倍数关系设定 单独与 主体电路工作时 运放将产生不同的放大倍数 一端同接于信号源 导通的 各支路对运放所具有的放大倍数只和就为运放的总放大倍数 3 基于任务与要求第二点中最后一小点 本设计采用运算放大器的同相 比例运算电路结构 为了达到最终的设计要求 同相比例运算电路的输出再 接一个反相器 运算放大器的同相比例运算电路的反馈组态为电压串联的 电压串联 的特点是增加电路的输入电阻 减少输出电阻 因此 本设计的输入电阻理 论上为无穷大 远高于 100M 欧姆 整整个个电电路路的的结结构构如如下下所所示示 电压放大电路 反相电路 放大倍数转变电路 数据存储电路 信号源 信号输出 3 三 单元电路设计与参数计算 1 数据存储电路 基于设计要求 本系统的放大倍数的范围为 0 99 亦即 N 的最大值为 99 在硬件方面考虑 数据存储器的最大输出值为 63ox 因此 数据存储器须 与外围门电路联立 以组成目的数据存储电路 其结构如图 3 1 图图3 1 为了便于实验的演示 用开关与高电平的组合表示计算机的命令 用单刀 三掷开关分别与数据存储器的 ENG 引脚 电压源 数字地相连 以控制数据存 储器的状态 数据存储电路的 8 个输出端接于放大倍数转换电路的电子开关的 控制端 上图左边由上至下的三个与门输出是数据存储电路输出的 7 6 5 位 2 电压放大电路 本同相求和比例运算放大电路的反馈电阻采用 51 2K 欧姆 故而放大倍 数转换电路各支路的电阻应分别为 51 2K 25 6K 12 8K 6 4K 3 2K 1 6K 0 8K 0 4K 反相端接地电阻采用 300 欧姆 故而 gN 1 51 2k 1 300 3 35e 3 s 则同相端接地电阻为 RP2 1 3 35e 3 1 51 2K 25 6K 0 4K 420 欧姆 但经过之后的完整电路调试 各电阻都作了些许调整 其中本部分 4 电路电阻值与电路结构如图 3 2 所示 图图3 2 本电路同相端接于放大倍数转换电路中电子开关的一端 输出端接于反相 电路的反相输入端 3 放大倍数转换电路 电子开关的控制端分别接于数据存储电路的输出端 当控制端接收到高 电平时 电子开关为导通状态 否则为戒指状态 经过检测 电子开关对外输 出 40 欧姆左右的电阻 因此理论上的各支路电阻经过一系列调试依然作出改变 其电阻阻值与电路结构如图 3 3 图图3 3 4 反相电路 由于设计要求的公式为 vo Nvi 而前面的放大电路采用的是同相输入 放大 故而须接反相电路以达到设计要求 其电路结构如图 3 4 5 图图3 4 5 输入信号源 基于设计要求 信号源采用 50HZ 交流振幅为 0 01V 直流为 0 09V 的 交流信号源 万用表测得的输入电压如图 3 5 图图 3 5 四 总原理图及元器件清单 1 总原理图 6 图图4 2 元件清单 元件序 号 型号主要参数数量备注 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 MC74HC4066JCDIP 14 MC74HC4066J8 电子 开关 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J9 DIPSW1DIPSW18 普通 开关 U174LS373N74LS373N NO201 数据 存储 器 U1274ALS37AM74ALS37AM M14A1 与非 门 U13 U14 U15 U16 74ALS08M74ALS08M M14A 4 与门 U1 U113288RT3288RT2 集成 运放 五 仿真调试与分析 初次调试的目标是电压放大的倍数 从小到大 分别单独接通电子开关 7 测试个单元电压放大倍数 设计者发现随着输入 N 值的增大 所测得的实际的 电压放大倍数 No 值逐渐减小 而且误差越来越大 直至 No N N 100 2 其中 较大的电阻的支路所控制的电压放大倍数理想 也就是输入 N 值较小时电路理 想 经过分析 设计者推测这可能是电子开关的存在影响了电路理想中的效果 经测试 电子开关对外贡献 40 欧姆左右的电阻 这就容易印证猜想了 输入 N 值较小时 较大电阻导通工作 电子开关所贡献的电阻相对支路的电阻而言 太小 故而对外影响可忽略 但输入 N 值较大时 导通的支路中正常的电阻较 小 故而电子开关所造成的影响就越来越大了 直至使得实际电压放大倍数误 差大于警戒值 分别对各支路电阻做出修改后再次进行仿真 测得各单元放大 倍数已较为理想 输入 N 值为 1 和为 64 时的输出电压分别如图 5 1 5 2 所示 图图 5 1 8 图图 5 2 解决了单元放大倍数的问题后 接着测试组合放大倍数 输入较大 N 值 同时导通几路电子开关 随着接通的电子开关的数目增加 设计者发现有的 组合放大倍数误差超过警戒值 经过测试分析 这是由于单元放大倍数误差积 累的结果 为此 设计者决定利用 误差中和法 解决这个问题 人为影响 单元电压放大倍数 使各单元放大倍数的误差值交错为正或为负 经过一系列 调整 再次对组合放大倍数进行测试 测试结果较为理想 各组合放大倍数误 差均已小于警戒值 当输入 N 值为 99 时 仿真结果如 5 3 所示 9 图 5 3 对数据存储器输入最大 N 值 测得输出电压为 7 555V 将数据存储器置零 输出电压约为 660UV 两者的绝对值均在 0 10V 的范围内 已符合设计指标 在 orcad 里画出电路图 然后对输出电压进行温度参数扫描 从 10c 30c 电压输出的波形几乎无变化 故而 本电路系统符合设计要求指标 六 结论与心得 本次设计是一个以模拟电路为核心的数模混合电路 总体来讲较为简单 同时 本次设计也是模拟电路课程的一次实践 能较为综合地检验设计者对模 拟电路知识的掌握程度 通过本次设计 设计者体验到模拟电路设计与数字电 路设计的同异之处 同时也了解到现今数字电路的广泛性 无论是何种电路 结构 可以说都存在数字电路 本次最大的收