增益自動切換電壓放大器試驗(yàn)報(bào)告要點(diǎn)

1、LimsEER電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告東南大學(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2次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 增益自動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)化姓 名：學(xué) 號：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：12年4月10日評定成績：審閱教師：實(shí)驗(yàn)二 增益自動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，其輸入阻抗不小于100k Q,輸出阻抗不大于1kQ,并能夠根據(jù)輸入信號幅值切換調(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、10三檔不同增益，并能夠以數(shù)字方式切換增益。2） 輸入一個(gè)幅度為0.110V的可調(diào)

2、直流信號，要求放大器輸出信號電壓在0.55V范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)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 Q,輸出阻抗不大于 1k Q o2. 提高要求1） 輸入一個(gè)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0.55V （峰峰值Vpp）的范圍內(nèi)。2）能顯示不同的增益值。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)：基礎(chǔ)部分的功能最主要的是要實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的判斷, 并且對不同的電壓值實(shí)現(xiàn)不同的 放大倍率自動切換。 主要性能指標(biāo)是切換倍率跳變點(diǎn)

3、與理論值的偏差及放大倍率與理論值的 偏差。提高部分主要功能是實(shí)現(xiàn)對交流信號峰峰值的判斷,即需將交流信號進(jìn)行峰峰值檢測。 其他與基本部分要求一致。創(chuàng)新部分要求用FPGA勾建AD采集，涉及AD轉(zhuǎn)換電路的搭建。主要性能指標(biāo)是 AD轉(zhuǎn)換 的精度。二、電路設(shè)計(jì)（預(yù)習(xí)要求）（1）電路設(shè)計(jì)思想（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別表述）：1 ）基本要求：在實(shí)驗(yàn)箱上用電位器分壓獲得5V和0.5V的參考電壓；用開環(huán)放大器做比較器， 把參考電壓接入比較器的反相輸入端, 則當(dāng)輸入電壓大于參考電壓時(shí)比較器輸出正向飽和電壓 （約14V）,接到模擬開關(guān)4052的選擇端即可對四條電路進(jìn)行選通。用其中的三條通路 連接不同阻值

4、的反饋電阻實(shí)現(xiàn)不同增益。由于同相比例放大電路無法實(shí)現(xiàn)0.1 倍增益，故用兩級反相比例放大電路實(shí)現(xiàn)。2）提供要求：首先要將正弦交流信號進(jìn)行峰峰值檢波， 輸出直流電壓信號， 作為比較電壓與兩個(gè)參考 電壓進(jìn)行比較。比較器輸出電壓無法直接作為 TTL器件的輸入電壓，故與電阻和穩(wěn)壓二極管串聯(lián)接地實(shí)現(xiàn) 0V和5V的輸入電壓，經(jīng)組合邏輯電路譯碼之后接到數(shù)碼管即可顯示 增益。其余部分與基本要求一致。（2）電路結(jié)構(gòu)框圖（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求分別畫出）1）基本要求2）提高要求（3）電路原理圖（各單元電路結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇說明） 1 ）基本要求從左到右依次為1234部分：1部分：結(jié)構(gòu)：

5、電壓跟隨器，用于提高輸入阻抗（8M。原理：深度負(fù)反饋?zhàn)柚禐?,輸出電壓與輸入電壓同幅同相，用于隔離。參數(shù)計(jì)算：無。元器件選擇：無。2部分：結(jié)構(gòu)：兩個(gè)電壓比較器，用于將輸入信號與參考電壓比較并輸出00,01,11信號用于控制模擬開關(guān)。原理：開環(huán)狀態(tài)的運(yùn)放即為一比較器，輸出為正負(fù)飽和電壓。參數(shù)計(jì)算：無。 元器件選擇：兩個(gè) 741。3部分：結(jié)構(gòu)：可調(diào)增益反相放大器，通過模擬開關(guān)控制反饋電阻的通斷來調(diào)節(jié)增益。原理：通過模擬開關(guān)控制反饋電阻的通斷來調(diào)節(jié)增益。參數(shù)計(jì)算：加至4052模擬開關(guān)之后，分別對應(yīng)3,1,0條通路所接電阻分別為1k，10k，100k，作為運(yùn)放的反饋電阻。由于運(yùn)放反向輸入端的電阻為10

6、k，這樣就分別實(shí)現(xiàn)了增益-0.1，-1，-10。再在后面接一個(gè)增益為-1的反向比例放大器，就實(shí)現(xiàn)了自動 切換增益0.1,1,10的功能。元器件選擇：1k,10k,100k電阻不至于太大而影響運(yùn)放的理想條件，又不至于太小 而產(chǎn)生誤差。4部分：結(jié)構(gòu)：反相器原理：將3部分的輸出信號進(jìn)行反相以克服同相比例放大器不能實(shí)現(xiàn)0.1增益的問題。參數(shù)計(jì)算：由于是等幅反相放大，故反相端接10K,反饋端接10K，平衡電阻為5K。元器件選擇：同3部分，10K左右電阻最適宜。2）提高要求下邊的藍(lán)框：峰峰值檢測電路結(jié)構(gòu)：二極管+電容。原理：利用二極管單向?qū)щ娦砸约半娙莸谋３中再|(zhì)來檢測峰峰值。參數(shù)選擇：開始時(shí)選用1uF,電

7、容容量越大則波形越平穩(wěn)，但是充放電更慢，在跳變點(diǎn)無法自動跳變。后改為 10nF電容，功能正常實(shí)現(xiàn)。元器件選擇：同參數(shù)計(jì)算。上邊的藍(lán)框：顯示電路結(jié)構(gòu)：穩(wěn)壓二極管+電阻原理：比較器輸出為土 14V電壓，無法作為組合邏輯電路的輸入電壓，故利用穩(wěn)壓二極 管的單向?qū)щ姾头聪蚍€(wěn)壓性質(zhì)把電壓變?yōu)?V、0V參數(shù)計(jì)算：由于 TTL邏輯電路5V為1,0V為0，所以選用5V穩(wěn)壓二極管。與二極管串 接的電阻是為提高穩(wěn)定性所加。元器件選擇：由于顯示輸出為00,01,11 （ 0,1,3 ）不妥，故在實(shí)際的電路中添加了一片7400和一片7404作為譯碼電路，使得輸出為0,1,2.此處不再詳述。（4）列出系統(tǒng)需要的元器件清

8、單（請?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注明）：1）基本要求類型型號數(shù)量電阻1k15k110k5100k1-H- LJL 心片ua7416cd405212）提高要求類型型號數(shù)量電阻1002100k2電容10n1二極管1N400721N47332數(shù)碼管8段數(shù)碼管1（5）電路的仿真結(jié)果（請將基本要求、提高要求、創(chuàng)新要求中的仿真結(jié)果分別列出）1）基本要求（CH1輸入，CH2輸出，下同）十倍增益：（兩條波形已經(jīng)重合，注意左下角的比例，下同）lktronixTekJVQ T<'c M Pos: OfAU70SET,F4V1>11'liiili；P1fi! a &#

9、171; _ 11R1111I IIp rPl:''"T " " "a" " " 1V3T111 "" " " Tpq »1亠i-h>11*.=.L.1: 1I11L IpL r =-*iijpV1VR1I._ _. 1 _ i|11:E.I.Ia:i11V1|11_ j1IS1；-i|i1|1|iBT11H1 i li 1 i hl M 1 1 k 1 1l>g*111 1 1 1 M 1 1 l<4.!11卜 I: I 1 1 till-

10、a II14I1i 1 l! |l 1 1 1 d1111 i 1 a 11»141 h 1 1 I- L_ j：FFT-1111>1!«1 rlill1 jt - -r " -ii" - i gi1|i11ji1.1i4!|I|1Inpq1.1 - - 1111r C4 t1.i1gi1i14I1IB 11!f-Iiiq1q1 _ . j-L a. Mo丄'm卜If1a|il>a1 IJ 卜d11, 11 !i"l'i11p1111J J Ji J J=,-iAutosetCH1200mV CH22VM 5usCH

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12、HiZMZVUrwfe Autos«tCHI 5V 匚l-E *ErFFTQsiROVERli I I I I I I 3 I I I I I I I I II V V I I I IE 2）提高要求 十倍增益：竊泰弟示漫霽XH1QsiPOWEK 000一倍增益:ns ()240.1倍增益：附季克示滾器-XH1Tektronix 000021PWEE、硬件電路功能與指標(biāo)，測試數(shù)據(jù)與誤差分析（1）硬件實(shí)物圖（照片形式）：1）基本要求2)提高要求(2)制定實(shí)驗(yàn)測量方案:首先將CH1接到輸入，CH2接到輸出，雙蹤顯示觀察波形，若波形不正確，則用電壓表 沿信號流方向依次測定各芯片引腳的點(diǎn)位。

13、待波形正確，則先輸入0.2V，觀察增益；逐步提高電壓至0.5V和5V左右觀察跳變點(diǎn)，記錄輸入輸出電壓 （直流）或峰峰值（交 流）。（3）使用的主要儀器和儀表：1）示波器2）函數(shù)信號發(fā)生器3）ISP綜合實(shí)驗(yàn)箱4）數(shù)字萬用表5）穩(wěn)壓電源（4）調(diào)試電路的方法和技巧：1）需要更換元件時(shí)首先把電源斷開2）當(dāng)波形不正常（比如底部失真）時(shí)首先要檢查電源是否打開，因?yàn)榻?jīng)常需要斷電更 換兀件，容易忘掉3）模擬電路的電源電壓遠(yuǎn)高于數(shù)字電路，當(dāng)需要使用數(shù)字電路時(shí)應(yīng)單獨(dú)供電，否則芯 片會爆炸4）檢查波形首先查輸入端，然后按照信號的流向依次用電壓表和示波器檢查各芯片引 腳的電平/波形，萬用表的靜態(tài)檢測和示波器的動態(tài)檢測

14、相互配合。這要求對所設(shè)計(jì)的 電路熟稔于心5）注重調(diào)整跳變點(diǎn)的電壓，將輸入正弦信號的峰峰值維持在跳變點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)參考電 壓，直到波形不穩(wěn)定為止6）搭建電路時(shí)自下向上，先調(diào)試每一部分電路的正確性，再相互拼接，做總調(diào)試。7）排查錯(cuò)誤時(shí)自上向下，分模塊排查，發(fā)現(xiàn)某個(gè)模塊與預(yù)計(jì)結(jié)果不符時(shí)，再在模塊內(nèi) 部繼續(xù)排查。（5）測試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計(jì)結(jié)果比較分析：十倍增益上圖為一倍增益上圖為5V跳變點(diǎn)峰峰值不穩(wěn)定（注：由于拍的是視頻，所以CH1大小已經(jīng)超出屏幕范圍，其大小為3.62V?實(shí)際是5V。下同）上圖為5V以上，0.1倍增益的波形。(由于是視頻，所以 CH1的值顯示不精確)增益值輸入電壓峰峰值/V輸出電壓

15、峰峰值/V理論值/V100.26:2.642.611.041.121.040.16.4:0.680.64(6) 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：1) 74LS00爆炸。原因是誤將模擬電路的15V電壓接到74LS00上。發(fā)現(xiàn)爆炸立刻關(guān)閉 電源。2) 輸出波形出現(xiàn)底部失真。原因是更換器件之后忘了打開電源。方法：打開電源3) 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)譯碼器輸出有多個(gè)低電平。原因：經(jīng)排查，是由于面包板內(nèi)部某區(qū)域中 出現(xiàn)短路。四、總結(jié)(1) 闡述設(shè)計(jì)中遇到的問題、原因分析及解決方法：問題1 :首先遇到的問題是，在處理交流電的時(shí)候， 如何將信號的峰峰值保持下來， 因?yàn)橐粋€(gè)信號的增益值是固定的，不應(yīng)該隨著信號幅度的改變

16、而改變。最先想到的方案是使用數(shù)電器件，將比較器輸出的結(jié)果用觸發(fā)器鎖存，每次電壓超過設(shè)定值便會鎖存一次，再將觸發(fā)器結(jié)果輸出給模擬開關(guān)。但是這樣的缺點(diǎn)是當(dāng)由大信號切換回峰峰值小于1V的信號時(shí)，觸發(fā)器不會自動清零。導(dǎo)致增益值始終停留在之前的檔位。目前采用的方案是，先將交流信號通過整流電路轉(zhuǎn)化為整理信號，再給電容單向充電，即可保證電容兩端始終保持信號的峰值電壓，在整流時(shí)再加上放大兩倍的功能，就得到了峰峰值。將峰峰值接至基本要求的電路即可。問題2:原來所用的精密整流電路電容為100uF,在驗(yàn)收時(shí)老師從高壓向低壓調(diào)節(jié), 會出現(xiàn)峰峰值小于 0.5V 時(shí)候 10 檔無法自動切換的問題， 而從下往上調(diào)節(jié)無此問題

17、發(fā)生。 分析知，這是因?yàn)闉楸ＷC整流波形穩(wěn)定使用了大電容，而大電容放電慢，換一個(gè) 10nF 的電容即可。(2) 總結(jié)設(shè)計(jì)電路和方案的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)電路較為簡單， 設(shè)計(jì)模塊清晰， 并且提高部分都只需在原來基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)上加一些新 的功能即可，可以說基礎(chǔ)部分的兼容性較強(qiáng)。缺點(diǎn) 缺點(diǎn)還是有很多，比如電壓較大(增益很小)時(shí)，出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象未能得到解決，并 且此時(shí)的增益與理想結(jié)果偏差也較大， 分析原因， 一是所用電阻本身的誤差和模擬開關(guān) 的電阻，而當(dāng)電阻阻值較小，增益為十倍時(shí)反饋電阻僅為1k，此時(shí)電阻本身的誤差和模擬開關(guān)的電阻在其本身的阻值中占較大比重， 導(dǎo)致誤差很大。 另外毛刺的出現(xiàn)也有示 波器的一些原因。(3) 指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見和展望：本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分， 也分別對應(yīng)了兩個(gè)部分的考察和鍛煉。 基本要求主要考察增 益自動切換功能的實(shí)現(xiàn)，提高要求則主要考察對交流信號的峰峰值的提取。改進(jìn)意見： 增加數(shù)電部分， 鍛煉學(xué)生的數(shù)模轉(zhuǎn)換能力， 數(shù)電部分可用數(shù)碼