增益自動切換電壓放大電路的設計

1、東南大學電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電子電路實踐 第 二 次實驗實驗名稱： 增益自動切換電壓放大電路的設計 院 （系）： 吳健雄學院 專 業(yè)： 電類強化班 姓 名： 繆惠宇 學 號： 61010125 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間：2012年 4月 13日評定成績： 審閱教師： 實驗二 增益自動切換電壓放大電路的設計一、實驗內(nèi)容及要求用運算放大器設計一個電壓放大電路，能夠根據(jù)輸入信號幅值切換調(diào)整增益。電路應實現(xiàn)的功能與技術指標如下：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） 輸入一個幅度可調(diào)的直流信號，要求放大器

2、輸出信號電壓在0.510V范圍內(nèi)，設計電路根據(jù)輸入信號的情況自動切換調(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） 輸入一個交流信號，頻率10kHz，幅值范圍為0.110V（峰峰值Vpp），要求輸出信號電壓控制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)綜合設計中FPGA構建AD采集模塊，來實現(xiàn)程控增益放大器的設計。分析項目的功能與性能指標：功能：1. 判斷電壓處在哪一個范圍內(nèi)。2. 不同的范圍之內(nèi)，放大不一樣的倍數(shù)3. 對交流信號進行整流，判斷其峰峰值處在哪一個范圍內(nèi)。4. 根據(jù)交流信號峰峰值的不同進行不同的

3、放大。性能指標：1. 增益為10、1、0.1，分別在0.5V、5V的時候進行跳變。2. 交流信號的頻率為10KHZ，需在電路的通頻帶中。二、電路設計（預習要求）(1) 電路設計思想（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別表述）：基礎部分：對于輸入的信號，先對其所在的電壓范圍進行判斷，使用電阻分壓的形式，用運算放大器進行比較，再用AD轉換的方式，對所輸入的信號根據(jù)電壓大小進行編碼，分別為00、01、11，對模擬開關進行控制，控制放大電路，以實現(xiàn)放大倍數(shù)的變化。提高部分：由于二極管存在一定的導通電壓，有一定點輸入信號，所以使用精密整流濾波電路來獲得與幅值相等的直流信號，整流之后，可以使用與基礎部分一

4、樣的方法進行電壓大小的比較，并對原信號進行放大。(2) 電路結構框圖（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別畫出）： 基礎要求：提高部分：(3) 電路原理圖（各單元電路結構、工作原理、參數(shù)計算和元器件選擇說明）：基礎部分：比較開關分壓電路1. 參考電壓采用分壓的放大進行判斷，使用1K，9K和20K的電阻，15V的電壓，將基準電壓定為0.5V和5V，與輸入電壓進行比較。利用運算放大器，輸出高低電平，進行編碼，控制模擬開關的接通與斷開。2. 對于模擬開關，輸入的信號分別為00、10、11，分別控制放大電路，及分別導通電阻為1M、100k和10k的電路，與運算放大器的100k電阻進行比較，可得分別放大

5、10倍，1倍與0.1倍。提高部分：提高部分只需要對輸入信號進行整流處理，其他部分與基礎部分相同。使用精密整流電路對輸入信號進行處理，因為若使用整流二極管，因為反向輸入信號時，仍然存在一定的導通電流，所以所得的結果誤差較大，不得實現(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（請設計表格列出，提高要求、創(chuàng)新要求多用到的器件請注明）： 元件數(shù)量元件數(shù)量電阻100K9模擬開關40521電阻1K1檢波二極管1N41482電阻9K1運算放大器5電阻10K3電阻1M1(5) 電路的仿真結果（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求中的仿真結果分別列出）： 基礎部分： 輸入為0.

6、1V 此時為10倍增益輸入為3V，此時為1倍增益輸入為11V，此時為0.1倍增益提高部分：輸入為0.2V的峰峰值，結果為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，得到的結果為0.1倍增益。三、硬件電路功能與指標，測試數(shù)據(jù)與誤差分析(1) 硬件實物圖（照片形式）：放大電路基準電壓分壓精密整流電路 (2) 制定實驗測量方案：直流信號通過15V的電源和試驗箱上的電位器分壓得到。交流信號直接由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。將輸入輸出信號分別接入示波器的CH1和CH2進行顯示。 (3) 使用的主要儀器和儀表：示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生儀，穩(wěn)壓電源(4) 調(diào)試電路的方法和技巧：首先對基準比較電

7、壓所得到的結果進行分析和檢測，加入基準電壓比較正確，再對放大電路各個支路進行檢測。最后基本可以得到實驗所需要的結果。由于試驗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，所以在基礎部分，對輸入電壓的調(diào)節(jié)要盡量使用阻值較小的電位器，并慢慢的進行調(diào)節(jié)。(5) 測試的數(shù)據(jù)和波形并與設計結果比較分析： 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：基礎部分本實驗完成的比較順利，實驗結果在實驗誤差的允許范圍之內(nèi)，但是在提高部分出現(xiàn)了一些問題。實驗一開始，我所使用的整流電路，直接是使用整流二極管，結果發(fā)現(xiàn)，在信號較小的時候誤差很大，只能使用由運算放大器所構成的精密整流電路。但是在使用精密整流電路的調(diào)試過程中，在小信號的情況下，誤差仍然是十分大，無法實現(xiàn)0.1倍增益的跳變。用電壓表對整流電路進行測量，結果發(fā)現(xiàn)，該電路始終存在0.6V的最小電壓，且無法更小，結果導致無法實現(xiàn)0.1倍增益的跳變。最后發(fā)現(xiàn)問題是電路中使用的電容過大，導致整流不精確。改為10nF 的電容后，該問題得到了較好的解決，在實驗誤差的允許范圍

9、內(nèi)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)實驗所需要的要求。在精密整流電路的過程中，發(fā)現(xiàn)整流所得結果始終為負數(shù)，將兩個檢波二極管的方向全部改變后，輸出的電壓為正。四、總結(1) 闡述設計中遇到的問題、原因分析及解決方法：實驗設計的時候，剛開始對交流信號進行處理的時候，使用的是二極管跟一個電容。但是由于二極管存在一定的導通電壓，所以當輸入信號較小的時候，輸出所得的結果就十分的不理想，不能實現(xiàn)較小信號的增益放大。這時候，我改為精密整流電路。但是，在實驗過程當中，發(fā)現(xiàn)當電容較大時，對小信號的增益放大仍然不理想，當把電容改為10nF時，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)增益放大。檢波二極管的導通方向?qū)苷髯詈蟮玫降慕Y果的符號有關。當發(fā)現(xiàn)結果的符號為負數(shù)時，應該將兩個二極管的方向?qū)φ{(diào)。 (2) 總結設計電路和方案的優(yōu)缺點： 電路對較大信號的放大比較理想，但是當信號較小時，低于1V時，所得到的誤差較大，當電容過大時，甚至無法實現(xiàn)10倍增益的放大功能，所以需要對實驗器材進行進一步的分析。 (3) 指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望：課題的核心是對電壓的比較以及編碼。當信號為交流信號時，對信號的處理，整流顯得極為重要。意見：對于放