课程设计目的和任务

1、 一、课程设计目的和任务 设计目的：设计、制作并调试一个可编程放大器 设计要求：1、 电源使用±12V和±5V。2、 设计差模信号为±50mV，共模信号为0mV的信号源。3、 输入电阻100M。4、 输出电压与输入电压的函数关系：Vo = Av * Vi5、 用电位器调整精度，误差小于等于±1。多路开关地址 增益Av（倍） 000 2 001 5 010 10 011 15 100 20 101 30 110 40 111 50二、分析与设计（一）、设计任务分析根据所学的知识，得到以下方框图： 该可编程放大器包括四个主要部分。第一部分为信号源部分，用来获

2、得差模电压作为放大器的输入信号；第二部分为多路选择开关，根据地址控制端输 入的地址信号选通其中一路，送入运算放大器的输入端，以获得期望的放大 倍数；第三部分为反向比例运算电路，用来实现放大；第四部分为地址控制 输入，用来为多路选择开关生成有效的控制地址。（二）、设计方案论证：由于差模增益Auo/uIdRf1/R0（12R1/R2），因此除了可以改变Rf1的值，从而改变增益外，还可以通过改变R2的大小来实现增益的改变（虽然也可以改变R1或Ro的阻值来实现，但R1和Ro在电路中都是成对出现的，要同时改变，就需要连接两个多路选择开关，增加了电路的复杂度，不是最理想的方案）。 与Rf1不同，R2与A不

3、是线性的关系，即它们不是成比例的，若要实现设计中要求的增益倍数，多路选择开关所控制的电阻可能不是一个整数，因此在每一路电阻的后面都接上了一个滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值，从而改变总的阻值大小。 其完整的电路图如图1图1（三）、详细设计我们设计了一个计数器（74LS161），使其产生连续变化的地址输入，使增益不断变化，并且用示波器观察放大器的输出波形。如图2所示1、信号源部分：这一部分由分压电路和高输入电阻差分比例运算电路组成。分压电路分别为A1、A2 两个运放的两个同相输入端提供输入电压。两个分压电路分别上接+5V和-5V的直流电源，通过100:1的电阻进行分压（并配合电位器进行精确调

4、节），使得两个运放的同相输入端分别获得+50mV和-50mV的输入电压。两个运放构成高输入电阻的差分比例运算电路。2、多路选择开关部分：这一部分采用一个CD4051芯片构成。CD4051是一个由三位地址输入端控制的八路选择开关。它具有一个输入端，八个输出端（或用作八个输入端，一个输出端）及三位地址控制端。其三位地址控制端的高低电平共有八种不同的组合，分别对应八个二进制代码000111，这八个二进制代码分别对应八个十进制数字07，这八个数字又对应着该芯片的八个输出端（0端至7端）。因此，当三位地址控制端的电平呈现某一种组合时，与其相对应的一个输出端将被导通，输出信号与输入端所加信号相同。 图2

5、3、比例运算电路部分：这一部分是放大器的核心部分，实现电压放大功能。根据要求，放大器应实现反相放大，故采用反相比例运算电路。根据比例运算电路的有关理论可知，当运放反相输入端所接电阻为R,反馈电阻为Rf时，电路的放大倍数为-Rf/R.对于可编程放大器，要求放大倍数可以改变，这就要求Rf或R可以改变。然而Rf为反馈电阻，若在电路中改变其阻值，则在切换时会使电路开环，造成电路的不稳定。因此恰当的做法是将R设计为可改变阻值的电阻，而Rf的阻值一旦选定（这里我们选择75k）就不再改变。如图所示，电路中R这一部分由八条支路构成，每一条支路均由一个电阻和一个电位器组成，并分别接在CD4051的八个输出端。其

6、中电阻的阻值是按照反馈电阻的阻值和放大倍数的要求计算出来的。例如，题目要求，多路开关的地址为000时，放大倍数为-2倍。由于前级运放A2的输出端电压已经是2(uI2 u I1)，所以此处应使Rf/R=1.又当多路开关CD4051的地址为000时，输出端当中的0端导通，故应在0端后接一个阻值为R=Rf=75k的电阻。又如，当多路开关的地址为111时，CD4051的7端导通，此时要求的放大倍数为-50倍，故应使Rf/R=25，所以在7端后面所接电阻的阻值应为Rf/25=3k。其余几条支路中所接电阻的阻值确定方法均与此相同，不再赘述。需要说明的是，原理图上标注的这八条支路所使用电阻的阻值是我们所需要

7、的阻值，也是实际接入电路时应接入的阻值。其中有些阻值的电阻在实际当中并不具有现成的器件，则需要靠电阻的串、并联及电位器的调节来实现。 4、地址控制输入部分：这一部分用来为多路选择开关CD4051生成地址控制信号，也就是对应的高、低电平。地址控制信号的变化既可以手动实现，也可以自动实现。手动实现时，只需将CD4051的三个地址端分别接到电路箱的三个开关上。通过扳动开关来实现高、低电平的转换，从而得到所需的地址控制信号。自动实现时，需要能够产生连续变化的地址控制信号，使CD4051自动地根据地址控制信号来切换输出端。为此，使用一个十六进制计数器74LS161,以其计数输出的低三位Q0Q2作为CD4

8、051的地址控制信号。当电路接通后，信号由CP端输入计数器，计数器开始计数。由于74LS161是十六进制计数器，当它在计数时，其计数输出的低三位Q0Q2恰好按000111的顺序连续变化，因此CD4051的地址控制信号也连续地按照此顺序变化，则它的八个输出端也依次按顺序导通，从而使得系统的放大倍数按照-2、-5、-10-50的顺序连续变化。以上四个部分构成了一个完整的可编程放大器，它可以对输入的差模电压信号进行放大，放大倍数可以自行选择。该电路具有很高的输入电阻，并且具有很高的精确性。（四）、设计所需元器件清单：类型名称 数量放大器 uA741 3个 CMOS CD4051 1个 TTL 74L

9、S161 1个 电阻 1 k 6个 2 k 2个 5 k 2个 10 k 5个 50 k 3个滑 动变阻器 2 k 2个 5 k 2个 10 k 5个 20 k 1个 100 k 1个（五）、各单元电路工作原理、波形分析、参数计算1、差模信号为±50mV，共模信号为0mV的信号源 由图3可知，差模信号的产生是采用了分压的原理，按照设计的要求VC和VCC两个电源分别使用5V和5V。当滑动变阻器的滑动端指向正中时，此时的输出电压刚好为0V，因此，只要稍稍移动滑动端的位置，就可以使得输出电压ui125mV，ui225mV。这样就得到了差模信号uidui1ui250mV，共模信号uic1/2

10、(ui1ui2)0mV的信号源。 图3 因实验室中提供的电压源为±5V，而可编程放大器的输入信号为±25mV，二者的差距较大，故在分压时，所选用的电阻不宜过大，使得单位阻值所控制的电压变化量比较大。因此使用了四个1k的固定电阻和两个变化范围为1k的滑动变阻器，按图接好线。2、 三运放构成的精密放大器 图4 如前面所述，根据运算电路的基本分析方法，uAui1，uBui2，因而 ui1ui2R2（uo1uo2）/(2R1+R2) 即 uo1uo2（12R1/R2）（ui1ui2）所以输出电压 uoRf1/R（uo1uo2）Rf1/R（12R1/R2）（ui1ui2）设uIdui

11、1ui2，则 uoRf1/R0（12R1/R2）uId其差模信号的增益为 Auo/uIdRf1/R0（12R1/R2）为了使计算方便，并且考虑到电阻之间的相互匹配，我们选定阻值R010k，Rf1Rf210 k，R150 k。由此，A（1100 k/R2），R2由带电阻的多路选择开关代替，因所给地址不同，阻值发生变化，从而改变增益。3、 多路选择开关 图5CD4051是一种数字控制的模拟开关，标有Common一根引线和标有Channel的八根引线既可以作为输入用，也可以作为输出用，通过内部的译码电路，可使八个通道仅由三条控制线（A、B、C）进行控制。当禁止端INH=0（接地电位Uss接地时，根据

12、A，B，C通道选择信号，按照二进制BCD码的原则选择应接通的通道），这时通过内部二进制三-八译码器，可以使8路开关中的某一路接通，从而将其输入与输出接通。从而改变接入电路的阻值，实现放大器的增益可调。各路电阻阻值（即相应的R2）的选择根据式 ARf1/R0（12R1/R2） R22R1/(A*R0/Rf11) 100/(A1)4、计数器74LS161是一个上升沿触发的计数器，在ENP1、ENT1、LOAD=1的条件下，完成4位二进制加法计数，每经过一个上升沿则计数一次，题中只有八个地址，则要把计数器设计成一个模八的计数器。利用清除端复位法，将输出端QD接一个非门后，返回到清零端CLR。这样，Q

13、A1、QB1、QC1时，下一个上升沿到来后，使得QD1，清零端清零，QA0、QB0、QC0，重新开始计数。这样从000计数到111，实现了模八计数。（使用1KHz的脉冲信号产生连续变化的时钟信号）如图110所示三、系统实施1、各单元电路的调试电流源的调试：按图17接线，使用±5伏的电源，用数字万用表分别测量两端的输出电压，使用一字改锥调整精密电位器的旋钮，使得到要求的±25毫伏差模信号。三运放构成的精密放大器的调试实际使用的运放是uA741，是八个管脚的运放。首先，对运放U1、U3进行调零。集成运放存在失调电压和失调电流。在用作直流放大器时，由于失调电压和失调电流的影响，当

14、运放输入为零时，输出可能不为零，将影响运算放大器的精度，严重时放大器将不能正常工作。调零的原理是在运放的输入端，外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。对于有调零引出端的µA741，只需按照规定接入调零电路进行调零，其调零电路如图111所示，同向输入端接地，反向输入端也接地，并且直接与运放的输出端相连，调节滑动变阻器Rp，当输出为零时，调零完成，误差应控制在-1mV到+1mV之间，将三个运放都按此方法进行调零。图7 多路选择开关的调试：将芯片CD4051接入电路，6脚，8脚接地，7脚接-5V，16脚接+5V。9，10，11脚接多路开关的输入C，B，A。3脚为输出，

15、其余管脚为八路开关。根据计算结果，各路接入相应的电阻和滑动变阻器。如图19计数器的调试：将芯片74LS161接入电路，7脚，9脚，10脚接1。8脚接地。12脚，13脚，14脚分别接CD4051的9脚，10脚，11脚即C、B、A。11脚接入到一个非门的输入，其输出接到161的1脚清零端。2脚接入一个1kHz的固定时钟脉冲。如图1102、整体电路的调试 电路按上述步骤接好后，接通电路，改变多路开关输入A，B，C的值即可得到不同的电压输出，比如此时选定000的输入，使用一字改锥调整CD4051管脚13所串联的滑动变阻器的阻值的旋钮，得到100mV的输出，若达不到，则改变所串联的电阻阻值或更换滑动变阻器来调整。以此方法逐一调整八路通路的阻值，得到准确的输出。 3、误差分析误差产生的原因：1由于运放调零不够精确，经过放大器的放大后，误差变大，以至影响到电路的参数设置。2实验室中提供的固定电阻值，有一定误差。 四、总结与体会 这次电子组装课程设计，我们通过对可编程放大器的设计与调试，从中学到了很多知识，认识了组成可编程放大器的芯片，了解了各个芯片