增益直流放大器电子设计报告.doc

电子系统设计报告课程名称 电子系统设计 系部： 控制工程学院 专业班级： 测控技术与仪器091 学生姓名： 学号： 指导教师： 完成时间： 2011-6-13 报告成绩： 评阅教师 日期 增益可变直流放大器设计报告一 设计要求实验目的：1.掌握protel99的基本使用方法及PCB的制作方法； 2.掌握制作电路板的整体工序；3培养自主学习和独立设计电路的能力；4.增强团队合作的能力。5.用普通运算放大器设计一个放大倍数可变的直流放大器（1）输入信号为050mV时，放大100倍；当输入信号为50mV500mV时，放大10倍；当输入信号为0.5V5V时，放大1倍； （2）根据输入信号大小，自动改变放大倍数；（3）论文（作品说明书）要有如下内容：零点漂移及改进措施；输入阻抗及提高措施；串模干扰、共模干扰及抑制措施。 二方案选择及电路的工作原理方案一：利用LM393构成窗口比较器,将模电信号转化为数字电路中的高低电平，设定门限电压为0.5V和0.05V,当输入不同的电压就将信号转化为高低电平。（1） 当输入Ui0.5V时, B端输出为高电平，A端输出为低电平；（2） 电压0.05V Ui 0.5V之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平；（3） 当输入电压Ui 0.5V时, B端输出为低电平，A端输出为高电平；（2）电压0.05V Ui 0.5V之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平；（3）当输入电压Ui 0.5V时, B端输出为低电平，A端输出为高电平；（2）电压0.05V Ui 0.5V之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平；（3）当输入电压Ui 0.05V时,B端输出为高电平，A端输出为低电平。再利用CD4051八选一数据选择器,选择不同的电阻值实现不同的放大。本系统可分为四大模块：具体如下:（1）电源指示灯模块； （2） 模数转换模块 ；（3）开关电路模块 ； （4）正相比例放大模块；2.系统工作原理介绍：系统接入5V的正电源时，电源指示灯LED1亮，则说明电源电路工作正常；1：当输入端Ui输入一个信号Ui=0.030.05V时，信号通过由LM324集成运算放大器构成的窗口比较器时，比较器的1号位输出一个低电平， 2号位输出一个高电平，此时LED3灯也亮了。1号位的低电平进入CD4051数据选择器的A输入端，2号位的高电平进入CD4051数据选择器的B输入端，此时CD4051数据选择器的INH禁止端始终置0。此时CD4051数据选择器13号位连接一个1K的固定电阻（同时此电阻并联了一个最大阻值为1K的变阻器，使得固定电阻的阻值达到1K）。由X输出端口连接的正向比例放大电路，正好成为一个放大倍数为一百倍增益直流放大器； 2：当输入端Ui输入一个信号0.05VUi0.5V时，信号通过由LM324集成运算放大器构成的窗口比较器时，比较器的1号位输出一个高电平，2号位输出一个低电平，此时LED3熄灭、LED2灯亮。1号位的高电平进入CD4051数据选择器的A输入端，2号位的低电平进入CD4051数据选择器的B输入端，此时CD4051数据选择器的INH禁止端始终置0。此时CD4051数据选择器14位悬空。由X输出端口连接的正向比例放大电路，正好成为一个放大倍数为一倍增益直流放大器。 3. 系统原理框图CD4051八选一数据选择器由LM324放大器构成的窗口比较器的模数转换模块输入电压电源指示灯LM324放大器构成的电压放大模块输出电压2 单元电路设计、仿真与分析 1. 电源指示灯模块：利用发光二极管作为电源指示灯，批示电源是否接通。电路原理图如右图所示：发光二极管的压降Uon约为1.8V,通过二极管的电流I=(Vcc-Uon)/R0.63mA ； 2. 模数转换模块(窗口比较器)：(1) 当输入电压Ui大于0.5V时,B端输出为低电平，A端输出为高电平；(2) 当输入电压Ui介于于0.5V与0.05之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平；(3) 当输入电压Ui小于0.05V时,B端输出为高电平，A端输出为低电平。输入电压A（运放1号输出端）B（运放2号输出端）Ui0.05V010.05Ui0.5103.模拟开关(八选一数据选择器)：此次设计选用CD4051作为数据选择器. CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。CD4051功能真值表INH禁止端CBACD4051选择位00000000110010200113010040101501106011171*NONE本系统设计使用的CD4051的部分功能真值表INH禁止端BACD4051选择位0000001101024.正相比例放大模块：本次设计最后一个模块采用LM324集成运算放大器将输入电压进出行放大，设计采用同相比例运算电路，因为此次设计供电模式采用+5V单电源供电，LM324集成运算放大器只能工作在电压正半轴，因此只能选择正相比例放大。电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。根据“虚短”与“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零。由此可以得到：Uo=(1+Rf/R)*Ui；经综合考虑选取反馈电阻为 Rf=100K，当电压放大倍数为1倍时，选取用R为 无穷大此时：Av=1+Rf/R=1；当电压放大倍数为10倍时，选取用R为10K的电阻此时：Av=1+Rf/R=10；当电压放大倍数为100倍时，选取用R为1k的电阻此时：Av=1+Rf/R=100。5.元件列表及参数序号元件名称参数备注1电阻1K、5K、10K、50K、100K2电解电容10uF3发光二极管3个红色4滑动变阻器1K、10K5LM3246CD40517排针若干6.原理图(另见附页)3电路的安装与调试：1使用仪器仪表材料和软件等：protel99、PCB印刷板的制作工具、打孔机、松香水、电烙铁、万用表、直流电压表等。2.组装电路的方法与技巧：（1）以LM324运算放大器和CD4051数据选择器作为中心；（2）将不易损坏的元器件和邻近中心芯片的元器件进行焊接；（3）最后将剩余的元器件依次进行焊接。3调试电路的方法和技巧：(1)：先给电路通电。观察发光二极管LED1是否导通，即可判断电路是否导通；(2)：调节滑动变阻器R1和R3，使2号位电压输出为0.5V，5号位输出电压为0.05V；(3)：使输入电压接地，即输入Ui为0，测量输出Uo是否有电压输出，如有电压输出，可微调滑动变阻器R5，使输出接近于0；(4)：分别输入不同范围值的电压，分别测试模拟开关CD4051数据选择器的芯片管脚10，11即A,B端输出的高低高平与计算相同。当输入信号为050mV时，B为高电平，A为低电平；当输入信号为50mV500mV时，B为低电平，A也为低电平；当输入信号为0.5V5V时，B为高电平，A也、为低电平。(5)：当CD4051数据选择器正常工作时，即可分别输入不同范围值的电压，测量输出端的电压。微调滑动变阻器R6和R9使输出的电压值接近理论放大倍数。4.测试的数据和波形与计算结果比较分析：(1) 静态数据 门限电压静态数据上门限LED2灯亮时电压下门限LED3灯亮时电压U=0.5498VU=0.0511VLM324各号位端口电压号位端口静态电压（V）号位端口静态电压(V)号位端口静态电压(V)13.561450.053083.671120.542360.551193.618030.500870.0030100.5582各滑动变阻器的静态阻值电阻编号R1R3R6R9阻值（欧姆）6.5770.8161.0011.287(2)动态数据位选端理论值实际值ABUiUoAvUiUoAv100.55120.551210.55120.56051.017101.00001.000011.00001.01451.015103.00003.000013.00003.02141.007000.07230.7230100.07230.738110.211000.10001.0000100.10001.045210.452000.30003.0000100.30003.178810.604010.03253.25001000.03253.4114105.012010.04174.17001000.04174.3570104.477010.04504.50001000.04504.7018104.4325.调试中出现的故障、原因及排除方法： 在做此系统的时候，我们小组总共做了两块PCB板，第一块PCB板之所以失败，有以下几个错误操作：首先，在打孔的时候，因为PCB板面上没有电容的孔标，所以电容引脚的孔没有打上，在组装的过程中，因为没有电容引脚孔，所以没有安装电容；其次，在PCB板面上把滑动变阻器的三个引脚并列在一排，直接导致了在四个滑动变阻器组装的过程中， 上下面安装错误，只是整个电路板的结构相当的混乱，导致了第一次电路组装失败，在经济时间上造成了损失；最后在对第一块电路板挽救失败后，重新开始制作了第二块PCB电路印刷板。在对第二块电路板进行调试过程中，单靠两个滑动变阻器是不能完成分压工作的，也就是说，这两个滑动变阻器不能够使得上下门限电压达到实验要求的值，所以必须分别给两个滑动变阻器R1、R3串联两个50k的固定值电阻，使得上下门限电压接近实验要求的值；在选择窗口比较器的时候，我们理想的窗口比较器是LM393构成的窗口比较器，但是因为考虑到还有一个放大电路模块，其需要一个放大器，为了节省成本，我们选择了LM324集成运算放大器构成的窗口比较器，但是LM324有四个放大器，本系统正常使用只需要三个，因此有一个放大器被闲置，因为时间的原因，我们也没有对此闲置的放大器进行再利用，对此在此进行说明。6.方案的优缺点：(1)优点：能自动检测输入信号的大小并输出相应的放大倍数的电压。电路具有高输入电阻，低输出电阻的优点。(2)缺点：输入电压过大会造成电路和芯片的损坏；零点漂移可能会造成放大倍数的偏差即输出的电压值的误差。因为电路放大模块采用同相比例放大，共模干扰就比较明显。7. 改进意见：(1) 窗口比较器的改进：由LM393代替LM324做窗口比较器； LM393是有两个独立的、高精度的窗口比较器组成的集成电路，失调电压低，最大可为2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电；而且无论电源电压大小，电源消耗的电流都很低。它还有一个特性：即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近低电平。 其相对LM324的优越性在于以下几点： A：高精度比较器； B：减少由于温漂引起的失调电压； C：可以单电源供电； D：共模输入电压范围接近低电平； E：兼容逻辑电路。(2) 零点漂移及改进措施：为了抑制零点飘移，电路的输入可以采用差动放大电路可以有效的抑制。电路图如右图所示。使用差动放大电路可以使电路的抗干扰性和稳定性得到显著的提高。（3）输入阻抗及提高措施：,在电路中加一电压跟随器,电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。8.数据处理：位选端理论值实际值|Au|相对误差ABUiUoAvUiUoAv100.55120.551210.55120.56051.0170.0171.7%101.00001.000011.00001.01451.0150.0151.5%103.00003.000013.00003.02141.0070.0070.7%000.07230.7230100.07230.738110.2110.2112.11%000.10001.0000100.10001.045210.4520.4524.52%000.30003.0000100.30003.178810.6040.6046.04%010.03253.25001000.03253.4114105.0125.0125.012%010.04174.17001000.04174.3570104.4774.4774.477%010.04504.50001000.04504.7018104.4324.4324.432%平均相对误差=1.55%四 心得体会及建议 通过本次系统设计学习，将书本上学到的知识应用于实践，学会了一些电子电路仿真设计能力,虽然过程中遇到了一些困难，但是在解决这些问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高与肯定。此次设计不仅增强了自己在专业设计方面的信心，鼓舞了自己，电子设计，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神，作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。 ， 通过几个星期的学习，使我对电子工艺的理论有了更深的了解，了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作、增益可变直流放大器的工作原理等；这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼；在实践中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力；通过本次