增益自動(dòng)切換電壓放大電路的設(shè)計(jì)

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 電子電路實(shí)踐 第 二 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 增益自動(dòng)切換電壓放大電路的設(shè)計(jì) 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)： 電類強(qiáng)化班 姓 名： 繆惠宇 學(xué) 號(hào)： 61010125 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012年 4月 13日評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)二 增益自動(dòng)切換電壓放大電路的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大電路，能夠根據(jù)輸入信號(hào)幅值切換調(diào)整增益。電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能與技術(shù)指標(biāo)如下：1. 基本要求1） 放大器能夠具有0.1、1、10、50增益，并能夠以數(shù)字方式切換增益。2） 輸入一個(gè)幅度可調(diào)的直流信號(hào)，要求放大器

2、輸出信號(hào)電壓在0.510V范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)電路根據(jù)輸入信號(hào)的情況自動(dòng)切換調(diào)整增益倍率。3） 放大器輸入阻抗不小于100k，輸出阻抗不大于1k。2. 提高要求1） 輸入一個(gè)交流信號(hào)，頻率10kHz，幅值范圍為0.110V（峰峰值Vpp），要求輸出信號(hào)電壓控制0.510V（峰峰值Vpp）的范圍內(nèi)。2） 顯示增益值。3. 創(chuàng)新要求1）利用數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中FPGA構(gòu)建AD采集模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)程控增益放大器的設(shè)計(jì)。分析項(xiàng)目的功能與性能指標(biāo)：功能：1. 判斷電壓處在哪一個(gè)范圍內(nèi)。2. 不同的范圍之內(nèi)，放大不一樣的倍數(shù)3. 對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流，判斷其峰峰值處在哪一個(gè)范圍內(nèi)。4. 根據(jù)交流信號(hào)峰峰值的不同進(jìn)行不同的

3、放大。性能指標(biāo)：1. 增益為10、1、0.1，分別在0.5V、5V的時(shí)候進(jìn)行跳變。2. 交流信號(hào)的頻率為10KHZ，需在電路的通頻帶中。二、電路設(shè)計(jì)（預(yù)習(xí)要求）(1) 電路設(shè)計(jì)思想（請(qǐng)將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別表述）：基礎(chǔ)部分：對(duì)于輸入的信號(hào)，先對(duì)其所在的電壓范圍進(jìn)行判斷，使用電阻分壓的形式，用運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，再用AD轉(zhuǎn)換的方式，對(duì)所輸入的信號(hào)根據(jù)電壓大小進(jìn)行編碼，分別為00、01、11，對(duì)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，控制放大電路，以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的變化。提高部分：由于二極管存在一定的導(dǎo)通電壓，有一定點(diǎn)輸入信號(hào)，所以使用精密整流濾波電路來(lái)獲得與幅值相等的直流信號(hào)，整流之后，可以使用與基礎(chǔ)部分一

4、樣的方法進(jìn)行電壓大小的比較，并對(duì)原信號(hào)進(jìn)行放大。(2) 電路結(jié)構(gòu)框圖（請(qǐng)將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別畫出）： 基礎(chǔ)要求：提高部分：(3) 電路原理圖（各單元電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇說(shuō)明）：基礎(chǔ)部分：比較開(kāi)關(guān)分壓電路1. 參考電壓采用分壓的放大進(jìn)行判斷，使用1K，9K和20K的電阻，15V的電壓，將基準(zhǔn)電壓定為0.5V和5V，與輸入電壓進(jìn)行比較。利用運(yùn)算放大器，輸出高低電平，進(jìn)行編碼，控制模擬開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)。2. 對(duì)于模擬開(kāi)關(guān)，輸入的信號(hào)分別為00、10、11，分別控制放大電路，及分別導(dǎo)通電阻為1M、100k和10k的電路，與運(yùn)算放大器的100k電阻進(jìn)行比較，可得分別放大

5、10倍，1倍與0.1倍。提高部分：提高部分只需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整流處理，其他部分與基礎(chǔ)部分相同。使用精密整流電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，因?yàn)槿羰褂谜鞫O管，因?yàn)榉聪蜉斎胄盘?hào)時(shí)，仍然存在一定的導(dǎo)通電流，所以所得的結(jié)果誤差較大，不得實(shí)現(xiàn)電壓比較的功能，所以使用如圖所示的精密整流電路。(4) 列出系統(tǒng)需要的元器件清單（請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)表格列出，提高要求、創(chuàng)新要求多用到的器件請(qǐng)注明）： 元件數(shù)量元件數(shù)量電阻100K9模擬開(kāi)關(guān)40521電阻1K1檢波二極管1N41482電阻9K1運(yùn)算放大器5電阻10K3電阻1M1(5) 電路的仿真結(jié)果（請(qǐng)將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求中的仿真結(jié)果分別列出）： 基礎(chǔ)部分： 輸入為0.

6、1V 此時(shí)為10倍增益輸入為3V，此時(shí)為1倍增益輸入為11V，此時(shí)為0.1倍增益提高部分：輸入為0.2V的峰峰值，結(jié)果為10倍增益。輸入為2V的峰峰值，得到的為1倍增益。輸入為6V的峰峰值，得到的結(jié)果為0.1倍增益。三、硬件電路功能與指標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析(1) 硬件實(shí)物圖（照片形式）：放大電路基準(zhǔn)電壓分壓精密整流電路 (2) 制定實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案：直流信號(hào)通過(guò)15V的電源和試驗(yàn)箱上的電位器分壓得到。交流信號(hào)直接由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。將輸入輸出信號(hào)分別接入示波器的CH1和CH2進(jìn)行顯示。 (3) 使用的主要儀器和儀表：示波器、萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生儀，穩(wěn)壓電源(4) 調(diào)試電路的方法和技巧：首先對(duì)基準(zhǔn)比較電

7、壓所得到的結(jié)果進(jìn)行分析和檢測(cè)，加入基準(zhǔn)電壓比較正確，再對(duì)放大電路各個(gè)支路進(jìn)行檢測(cè)。最后基本可以得到實(shí)驗(yàn)所需要的結(jié)果。由于試驗(yàn)箱的電位器的電阻較大，所以可能稍微改變可能造成很大的電壓改變，所以在基礎(chǔ)部分，對(duì)輸入電壓的調(diào)節(jié)要盡量使用阻值較小的電位器，并慢慢的進(jìn)行調(diào)節(jié)。(5) 測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計(jì)結(jié)果比較分析： 輸入的為峰峰值0.3V的電壓，輸入得到為接近3V的電壓，電壓增益為10，基本實(shí)現(xiàn)所需的功能。輸入的為峰峰值1.3V的電壓，輸入得到為接近1.3V的電壓，電壓增益為1，基本實(shí)現(xiàn)所需的功能。輸入的為峰峰值10V的電壓，輸入得到為接近1.V的電壓，電壓增益為0.1，基本實(shí)現(xiàn)所需的功能。(6)

8、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：基礎(chǔ)部分本實(shí)驗(yàn)完成的比較順利，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)誤差的允許范圍之內(nèi)，但是在提高部分出現(xiàn)了一些問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始，我所使用的整流電路，直接是使用整流二極管，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在信號(hào)較小的時(shí)候誤差很大，只能使用由運(yùn)算放大器所構(gòu)成的精密整流電路。但是在使用精密整流電路的調(diào)試過(guò)程中，在小信號(hào)的情況下，誤差仍然是十分大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)0.1倍增益的跳變。用電壓表對(duì)整流電路進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該電路始終存在0.6V的最小電壓，且無(wú)法更小，結(jié)果導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)0.1倍增益的跳變。最后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是電路中使用的電容過(guò)大，導(dǎo)致整流不精確。改為10nF 的電容后，該問(wèn)題得到了較好的解決，在實(shí)驗(yàn)誤差的允許范圍

9、內(nèi)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)所需要的要求。在精密整流電路的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)整流所得結(jié)果始終為負(fù)數(shù)，將兩個(gè)檢波二極管的方向全部改變后，輸出的電壓為正。四、總結(jié)(1) 闡述設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題、原因分析及解決方法：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，剛開(kāi)始對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)候，使用的是二極管跟一個(gè)電容。但是由于二極管存在一定的導(dǎo)通電壓，所以當(dāng)輸入信號(hào)較小的時(shí)候，輸出所得的結(jié)果就十分的不理想，不能實(shí)現(xiàn)較小信號(hào)的增益放大。這時(shí)候，我改為精密整流電路。但是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電容較大時(shí)，對(duì)小信號(hào)的增益放大仍然不理想，當(dāng)把電容改為10nF時(shí)，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)增益放大。檢波二極管的導(dǎo)通方向?qū)苷髯詈蟮玫降慕Y(jié)果的符號(hào)有關(guān)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果的符號(hào)為負(fù)數(shù)時(shí)，應(yīng)該將兩個(gè)二極管的方向?qū)φ{(diào)。 (2) 總結(jié)設(shè)計(jì)電路和方案的優(yōu)缺點(diǎn)： 電路對(duì)較大信號(hào)的放大比較理想，但是當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，低于1V時(shí)，所得到的誤差較大，當(dāng)電容過(guò)大時(shí)，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)10倍增益的放大功能，所以需要對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行進(jìn)一步的分析。 (3) 指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見(jiàn)和展望：課題的核心是對(duì)電壓的比較以及編碼。當(dāng)信號(hào)為交流信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)的處理，整流顯得極為重要。意見(jiàn)：對(duì)于放