可编程增益交流放大器设计

1、第五届电子设计大赛 可编程增益交流放大器设计团队：燕婷婷 齐霁 郭伟设计团队：虎虎生威题目名称：可编程增益交流放大器华北电力大学电子系 燕婷婷 齐霁 郭伟摘要:输入一个幅度20mV、频率10KHz的正弦波,使其增益可在2倍4倍8倍16倍四档间切换;数控输入为2位二进制数，输入00、01、10、11时分别对应2倍、4倍、8倍和16倍;通过数码管显示当前的放大倍数，即显示2、4、8、16。发挥部分：根据输入信号的大小，增益可在2倍4倍8倍16倍四档间自动切换，使输出幅度在最大输出幅度的70%左右。 。关键词：增益 数控 显示 自动切换第1页设计团队：虎虎生威目 录1 题目思路 . 错误！未定义书签

2、。1.1 数字控制增益放大电路分析 . 31.2 数码管显示系统 . 4 1.3 自动切换及输出系统.4 2 方案设计 . 52.1 数控增益放大电路设计 . 52.2 数码管显示电路设计 . 5 2.3 自动切换及输出系统电路设计. 52.4 抗干扰系统电路设计 . 6 3 误差分析 . 10 4 感想与总结 . 11 参考文献： . 11第2页设计团队：虎虎生威1 题目思路1.1数字控制增益放大电路分析方案一：运算放大器的负反馈放大对于增益放大电路，一下就让人想起了运放的负反馈放大系统。此系统可以接入多个不同阻值的电阻，通过模拟开关的地址控制选择导通不同的路径，从而获得不同的增益放大倍数。

3、这个系统不仅实现了增益的放大，数字控制也相应的得到了解决。试验中的误差在难免，根据运放的特性，我们为减小误差，所以尽可能的选择大的电阻，所以我们选择了千欧级别的电阻；对于运放型号的选择，由于题目的要求是放大20mv的信号，此信号的幅值较小，应该不会出现失真情况；接着就是考虑其通频带的因素，最终我们发现常用的运放lm324就完全符合我们的要求；模拟开关的型号，我们选择的是CD4051B，它是三输入的，所以需要最高控制输入端口接地，其余两个控制即可。方案二：倒T型D/A转换器4位倒T型的D/A转换器也是通过运放控制不同的增益放大倍数，与上一方案不同的是，此系统的电阻阻值变化较小，这在一定程度上减小

4、了试验的误差。这个方案的原理也是通过模拟开关控制某一通路的接法，从而改变放大器的放大倍数。在这一方案中，放大器的型号仍然不变，但是模拟开关选择了CD4053B，其工作原理是最高输入端口悬空，由其余两个来控制开关的接法，由于有四路电阻信号，所以需要两个CD4053；而74HC139控制数字信号的送入，进而控制模拟开关的接法，进而控制放大倍数。1.2数码管显示系统方案：数码管显示数字就是采用七段数码显示器实现，控制其显示的器件选用74HC4511，由于此器件是用四个输入端来控制七段数码显示管的，而我们的数字控制电路端只有两个数字输入，所以这就需要特殊的编码法使其控制数码管。由于要显示16，所以要选

5、用两个数码管。第一个只需要显示0，1两个数字，第3页设计团队：虎虎生威所以直接用数字输入的“与”即可；第二个编码则需要采用各个逻辑门的控制才可以实现此功能。：由上面的真值表可以得出X3、X2、X1、X0的逻辑表达式，所以通过逻辑门的组合就实现了特殊编码，也就解决了这一问题。1.3自动切换及输出系统这个问题我们研究了很久，一开始我们想用AGC环完成，但是这个根本不能控制那四个放大倍数，AGC环只适用于确定的输出信号幅值范围之内的信号输出，却不是从四组信号中选择一个幅值最为接近的，所以我们退回到原点，重新考虑该问题。这时，我们抓住了“自动转换”一词，又查了很多的资料，我们想到用一个555定时器，让

6、它输出一个时钟信号，让此时钟信号进入一个基本环形计数器，让其实现自动切换。由于电阻通路有且只有一个为通的，所以环形计数器的工作状态就只有0001，0010，0100，1000四个，这个就可以将移位寄存器74LVC161的Q3与DS1相连，即可满足此效果。但是这一系统后面的编码部分就存在一定的问题，基准电压的输入就没办法完成，又得借助与并行比较型AD转换器，而这一思路完全可以实现所有的功能，所以，我们选择了并行比较型AD转换器来实现此功能。并行比较型AD转换器，它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及优先编码器组成。优先编码器的输入信号I4的优先级最高，I1的优先级最低。分压器将基准电压分为1/2*

7、70%V+、1/4*70%V+、1/8*70%V+、1/16*70%V+不同的电压值，分别作为比较器C1C4的参考电压，输入电压Vi的大小决定各个比较器的输出第4页设计团队：虎虎生威状态，下表列出器输入与输出关系比较表。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。之后输出端接两非门，就自动的输出11,10,01,00再用74HC139控制此数字量即可，就可实现自动的根据输入信号的大小来选择合适的放大倍数。综合上述因素，则可以实现发挥部分的自动控制和输出。总结：以上就是我们实验设计的理论分析，当然理论与实践之间还是有很大的差距，所以我们对设计电路图进行了反复的模拟与比较，得

8、到了以下相比之下仿真成功的电路图，下面就是我们的方案设计电路。2 方案设计2.1数控增益放大电路设计方案一：根据以上对于电路原理的分析，我们数控部分选择用模拟开关CD4051B来完成，此模拟开关的作用是完成反馈路径的选择，根据被选择路径中的电阻阻值的不同而改变增益的放大倍数。为了简单起见，我们将电路设计为正相放大电路，即输入信号由运算放大器的正相端进入，Rf为反馈电阻，Ri(i=1,2,3,4)为接在反相端的四个不同路径上的电阻。由运放的“虚短”和“虚断”特性可以求出其放大倍数为Av=1+Rf/Ri(i=1,2,3,4)；因为Av=2,4,8,16 ； 则 Rf/Ri=1,3,7,15； 所以

9、 R1=Rf； R2=1/3Rf； R3=1/7Rf； R4=1/15Rf；令 Rf=105K欧；所以 R1=105K欧；R2=35K欧；R3=15K欧；R4=7K欧；则电阻选择完毕，选择电阻是一定要注意的是：电阻必须选择的要相对来说较大一点，因为运放的放大倍数就是在近似的“虚断”和“虚短”特性下完成的， 大的电阻可以在一定程度上减小误差，使系统更加的稳定运行。第5页设计团队：虎虎生威在数字控制部分，我们需要的应该是两个控制端的模拟开关，但是查了很多资料都没有发现此类东西，所以我们选用了三个控制端的模拟开关，让其最高级输入端接地，仅用其余两个端口来控制即可。综上所述，我们得到了数控增益放大的电

10、路模块，电路如下：方案二：四位倒T型的电阻网络DA转换器，图形如下。因为在电路中的输入信号是从反相端送入的，所以需要两个反相端的运放相连，才可以将信号转换为正的放大倍数，模拟开关则是选用的CD4053，这是一个三组单刀双掷的模拟开关，可以控制信号流过的电阻的两个路径，由于要有四位输入信号送入，所以要用两个模拟开关分别控制四个输入端，而输入控制信号只有两个，所以要用139来控制模拟开关。倒T型DA转换器的电阻网络都是有R2R组成的，从每一个节点看，每一个二端网络的等效电阻均为R，设R=10K欧,2R=20K，与开关相连的2R电阻上的电流有高位到低位按2的整数幂变化，则流过各个T型网络的电流依次是

11、1/2I、1/4I、1/8I、1/16I，则根据运放的虚短和虚断特性即可求出放大倍数。流出第一级放大器总电流I=-U（输入）/R，R5,R6,R7,R8分别连着四个单刀双掷开关，这四个单刀双掷开关由数字信号来控制。第6页设计团队：虎虎生威电路的电压增益为A=(Rf/16R10)*(8*D3+4*D2+2*D1+D0)。Di的取值为“0”，和“1”，我们只需将（Rf/16R10）令=2，那么就能实现放大2，4，8，16倍，所以Rf=32*R10如令R10=R=10K欧，则2R=20K欧，则Rf=320K欧由于这个系统的电阻变化较小，所以误差相对较小，但是电路也相对较为麻烦一点。根据上述条件，电路

12、图如下：输入高低高低第7页设计团队：虎虎生威2.2数码管显示电路设计方案：根据在思路分析中的介绍，选用合适的器件型号，用逻辑门即可以完成电路的连接，实现数码管的显示。在这里，控制数码管显示的器件我们选用的是74HC4511，这是一个七段显示译码器，它的功能是当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器，而且该集成译码器有三个辅助控制端，一定要将这三个的接法接对才可以让电路正常工作。这一块的难点就在于特殊编码法，如果我们将这个突破就可以了。根据上一真值表，我们可以轻而易举的得到其逻辑表达式，进而完成电路设计。以下是我们的设计电路图：第8页设计团队：虎虎生威综上所述，我们可以得到

13、整体的设计图，由于有两种不同的思路，所以有两个方案，以下为整体的一个设计图形方案一：第9页设计团队：虎虎生威方案二：输第10页设计团队：虎虎生威2.3自动切换及输出系统电路设计根据我们的研究设计，最终选择了并行比较型A/D转换器，给运放供电采用5V的双电源，则通过查阅资料我们知道了LM324的最大输出电压的幅值为3V，通过计算可以知道3*0.7=2.1V；基准电压已经求出如图，则电路图就相应的得到了：第11页设计团队：虎虎生威其中右下角的部分是一个峰值检测电路，由输入端输入一个信号，输出端Labe输出一个峰值电压，此峰值电压送到比较器的输入端分别与0v,（2.1/16）v，（2.1/8）v，（

14、2.1/4）v比较，根据不同的峰值电压，比较器输出不同的电平，使得优先编码器输出不同的两位二进制码分别为00,01,10,11，这就实现了基础部分要手动输入00,01,10,11 ，将这一部分的电路跟基础部分电路中方案2合并起来就得到了，能够实现自动控制的输出波形的幅值接近运放输出的最大幅值的70%。3 误差分析在这一实验设计中，用到了运算放大器，我们是将运放看成一理想运放来处理的，我们运用虚短和虚断特性，进而将闭环的电压增益化作了理想情况下的 Av=1+Rf/Ri；其实这仅仅是一个理想状态，实际中的运放是不可能完全成立的，所以这也就出现了误差，我们所能做得仅仅是不断的增大电阻来在一定程度上减

15、小误差而已，这却是克服不了的。此外，我们在输入信号和输出信号时，由于放大器的增益问题，信号存在着自激和噪声问题，这破坏了信号质量，也对信号的放大的性能造成了一定的影响。我们所能做得是在电源端并接0.1uf的电容避免电源的高频干扰，并接20uf的电容避免低频干扰；所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容，以避免高频增益下降；构建闭路环，整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号，以减少噪声。4 感想与总结通过我们本次合作，我们都进一步加深了对各器件的理解和运用，同时又一次另了我们意识到团队合作的重要性，此外，我们通过本次电路设计得出了一些关于功能实现的模块电路，作为我们今后学习的基础性积累：1增

16、益放大电路模块：对于输入信号的放大问题，我们可以采用理想运放的负反馈来实现，只要结合不同的反馈电阻（或反馈电阻不变，结合不同的输入电阻即可）就可以实现不同增益倍数的放大。此处我们需要注意，应根据不同的设计要求完成究竟是反馈电阻还是输入电阻变化的选择，此处，我们将二者坐一比较：（1）反馈电阻变化：当反馈电阻变化时，由于输入端电阻不发生改变，当第12页设计团队：虎虎生威我们从同向端输入时，我们的增益=（1+Rf/R1），因此，当增益成倍数放大时，反馈电阻的阻值较大，变化幅度相对较大，此时，较大的电阻可以使电路在工作过程中忽略运放等一些集成电路的自身电阻带来的误差，但是同时较大的变化也会在一定程度上对电路的稳定性造成影响（2）输入端电阻的变化：由于增益=（1+Rf/R1），R1的变化相对较小，这样带给我们的是电路的稳定性，在集成电路本身电阻带来的误差并不影响功能的实现时选择此种方法较好同时，我们需要注意的是，在运放型号选择的过程中，我们应该充分考虑到输入信号的最大幅值以及信号本身的频率是否在运放的通频带，这样才能正常的完成电路的设计2显像管电路模块：根据不同的实际要求，我们的显像管有多种选择，显像前的编码工作就需要我们进行认真思考，有时需要我们将控制信号做一特殊编码，此