程控增益放大器

1、程控增益放大器模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)(論文) 程控增益放大器 院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)通信132班 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師起 止 時(shí) 間： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)通信132班課程設(shè)計(jì)（論文）題目程控增益放大器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：1、設(shè)計(jì)并制作放大倍數(shù)由數(shù)碼控制程控增益放大器。2、電壓放大倍數(shù)N由撥碼開關(guān)控制，1N99。3、vo電壓絕對(duì)值在110V范圍，輸入電阻Ri8M，輸出電阻Ro20。技術(shù)要求：1 、分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)

2、思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 、確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，敲定可行方案。3 、設(shè)計(jì)各單元電路，總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)，最后組成系統(tǒng)。4、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)平時(shí)成績(jī)： 答辯成績(jī)： 論文成績(jī)： 作品成績(jī)： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：平時(shí)成績(jī)占20%，答辯成績(jī)占20%，論文成績(jī)占40%，作品成績(jī)20%。II摘 要本文設(shè)計(jì)是程控增益放大器。說明了程控增益放大器的結(jié)構(gòu)和功能及其主要的特點(diǎn)。最后舉出了實(shí)用電路。放大器是應(yīng)用最廣泛的一類電

3、子線路。它的功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真地放大。在廣播，通信，自動(dòng)控制，電子測(cè)量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分。在各類電子儀器和設(shè)備所采用的電子線路中，集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最普遍的模擬電子器件。集成運(yùn)放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，就可以構(gòu)成功能和特性完全不同的各種集成運(yùn)放電子電路，簡(jiǎn)稱運(yùn)放電路。這些運(yùn)放電路是各種電子電路中的最基本的組成環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)增益由程序控制，能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量準(zhǔn)確，工作可靠，性能價(jià)格比較高。 關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；多路轉(zhuǎn)換開關(guān)；程控；增益放大目 錄第1章 緒論1程控增益放大器發(fā)展概況（或研究現(xiàn)狀）1本文研究?jī)?nèi)容1第2章 程控增益放大器

4、總體設(shè)計(jì)方案1 程控增益放大器設(shè)計(jì)方案論證1總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析1第3章 程控增益放大器單元電路設(shè)計(jì)3 程控增益放大器具體電路設(shè)計(jì)3 模擬開關(guān)設(shè)計(jì)4 集成電路運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)4 反饋電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)6增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)7 元器件型號(hào)選擇8 參數(shù)計(jì)算8第4章 程控增益放大器仿真與調(diào)試9 Multisim仿真與調(diào)試9 仿真結(jié)果分析9第5章 程控增益放大器實(shí)物制作11 程控增益放大器電路焊接11 程控增益放大器作品11第6章 作品測(cè)試與數(shù)據(jù)分析12第7章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)1517第1章 緒論程控增益放大器發(fā)展概況（或研究現(xiàn)狀）隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，程控增益放大器在自動(dòng)測(cè)控、智能測(cè)控、智能儀器儀表等重要領(lǐng)

5、域的應(yīng)用越來越廣泛。程控增益放大器可以通過軟件程序改變?cè)鲆妫茏詣?dòng)適應(yīng)大范圍變化的模擬信號(hào)，針對(duì)被測(cè)信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)放大器的增益，將不同的幅度的模擬信號(hào)放大到某個(gè)特定的范圍來保證后端電路正常工作。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，可變?cè)鲆娣糯笃髟谧詣?dòng)測(cè)控等應(yīng)用越來越廣泛。本文研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器符號(hào)PGA，在多通道多參數(shù)空間一個(gè)測(cè)量放大器，多通道放大器的信號(hào)的大小并不相同，都是放大至A/D交換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)是電壓，因此對(duì)各個(gè)通路要求測(cè)量放大器的增益也不同。放大器的交流是由數(shù)字信號(hào)控制的反饋電阻完成的，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低使其幅度程控增益放大器(PGA)主要用于對(duì)幅度較小信

6、號(hào)進(jìn)行增益控制，達(dá)到ADC轉(zhuǎn)化器所工作的要求。利用撥碼開關(guān)的數(shù)碼代替電位器刻度，具有線性度好、精度高、直觀，可直接或間接取代一般線性電位器或多圈線性電位器。在電子儀器儀表設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化控制，穩(wěn)壓、恒流、供電、機(jī)電保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、溫控、濕度、壓力、重量等自動(dòng)控制中達(dá)到數(shù)字設(shè)定的目的。放大器的增益的變化是由數(shù)字信號(hào)控制其反饋電阻完成的。第2章 程控增益放大器總體設(shè)計(jì)方案 程控增益放大器設(shè)計(jì)方案論證程控增益放大器并不多見，需要采用其它方法來實(shí)現(xiàn)，通常有三種方法：1) 放大器+多路轉(zhuǎn)換開關(guān)+MCS-51單片機(jī)第一種方法采用MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，數(shù)控增益放大器等構(gòu)成了實(shí)用性較強(qiáng)的

7、硬件電路。放大器是應(yīng)用最廣泛的一類電子線路。它的功能是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真地放大。在廣播，通信，自動(dòng)控制，電子測(cè)量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分。在各類電子儀器和設(shè)備所采用的電子線路中，集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最普遍的模擬電子器件。集成運(yùn)放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，就可以構(gòu)成功能和特性完全不同的各種集成運(yùn)放電子電路，簡(jiǎn)稱運(yùn)放電路。這些運(yùn)放電路是各種電子電路中的最基本的組成環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)增益由程序控制，能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量準(zhǔn)確，工作可靠，性能價(jià)格比較高。 2）運(yùn)放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)第二種方法利用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所

8、需元器件較多，電路龐大。雖然精度受到限制，但是較易實(shí)現(xiàn)。3）運(yùn)放+數(shù)字電位器。第三種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來控制放大電路的增益，線路較為簡(jiǎn)單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見的有32、64抽頭，少數(shù)可達(dá)1024抽頭，因而構(gòu)成的放大器精度有限，無法滿足10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。本設(shè)計(jì)采用方案2?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖及分析根據(jù)放大倍數(shù)以步距1在1100范圍內(nèi)變化的要求，可用3位撥碼開關(guān)對(duì)D/A置數(shù)來設(shè)置放大倍數(shù)，并用模擬開關(guān)控制增益。該方案電路簡(jiǎn)單，使用者必須根據(jù)增益在哪一擋來換算放大倍數(shù)，且只能實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能?？傮w框圖如圖所示。模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算放大器 圖 程控增益放大器框圖第3章 程

9、控增益放大器單元電路設(shè)計(jì) 程控增益放大器具體電路設(shè)計(jì)電源電路為了保證足夠的電源供應(yīng)，我們制作了一個(gè)有±5V、±12V、±15V、030V可調(diào)的電壓源。Vo為輸出端。 圖程控增益放大器整體電路撥碼開關(guān)輸入3位10進(jìn)制數(shù)1999時(shí)，輸出為20，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)560k的電位器，共有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無級(jí)調(diào)節(jié)的電位器。這種用法不需任何外部調(diào)整元件件就能可靠地工作。但為了保證效果更好，應(yīng)該在正、負(fù)電源供電端連接一個(gè)1F的旁路鉭電容到模擬地，且應(yīng)盡可能靠近放大器

10、的電源引腳，并按圖中所示點(diǎn)接地。使輸入級(jí)輸出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接NPN型管；由于PNP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30V以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與NPN管隔離開的作用。集成電路運(yùn)算放大器偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)  輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。該電路是利

11、用接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。 模擬開關(guān)設(shè)計(jì)如圖所示為模擬開關(guān)部分，由DSWPK_10來控制反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。從而控制增益。 圖 模擬開關(guān) 集成電路運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路輸入級(jí)：通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。主要作用是提高抑制共模信號(hào)能力，提高輸入電阻。中間級(jí)：帶恒流源負(fù)載和復(fù)合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級(jí)，主要作用是提高電壓增益。輸出級(jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。（一）集成電路運(yùn)算放大器中的電流源1基本電流源分壓式射極偏置電

12、路為基本電流源電路。當(dāng)三級(jí)管工作在放大區(qū)，由于射極電流僅由兩分壓電阻決定，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（也即集電極電阻發(fā)生變化），輸出電流（即集電極電流）保持不變，體現(xiàn)了恒流特性。2有源負(fù)載由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點(diǎn)，因此在模擬集成電路中，常把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。3電流源的應(yīng)用（1）為集成運(yùn)放各級(jí)提供穩(wěn)定的偏置電流；（2）作為各放大級(jí)的有源負(fù)載，提高電壓增益。（二）偏置電路偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。F007的偏置電路由T8T13組成?；鶞?zhǔn)電流由T12、R5、T11，和電源EC（15V）、EE（- 15V）決定：Ir=（Ec+Ee-U

13、be11-UBE12）÷R5T10、T11和R4組成微電流源電路，提供輸入級(jí)所要求的微小而又十分穩(wěn)定的偏置電流，并提供T9所需的集電極電流，即IC10IC9 2IB3；T8與T9 組成鏡像恒流源電路，提供T1、T2的集電極電流，即IC1IC2IC9，T12與T13組成鏡像恒流源電路，提供中間級(jí)T16、T17的靜態(tài)工作電流，并充當(dāng)其有源負(fù)載。（三）輸入級(jí)它的電路形式幾乎都采用各種各樣的差動(dòng)放大電路，以發(fā)揮集成電路制造工藝上的優(yōu)勢(shì)。UPC277C的輸入級(jí)電路是由T1T7組成的帶有恒流源及有源負(fù)載的差動(dòng)放大電路。有源負(fù)載是由T5，T6、T7及R1、R2、R3組成的改進(jìn)型鏡象恒流源電路。用它

14、作差動(dòng)放大電路的有源負(fù)載，不僅可以提高電壓放大倍數(shù)，還能在保持電壓放大倍數(shù)不變的條件下，將雙端輸出轉(zhuǎn)化為單端輸出。T1T4組成共集一共基型差動(dòng)放大電路。其中，T1、T2接成共集電極形式，可以提高電路的輸入阻抗，同時(shí)由于UC1UC2 = EC - UBE8，因而共模信號(hào)正向界限接近EC，即提高了共模信號(hào)的輸入范圍；T3、T4，組成共基極電路，具有較好的頻率特性，同時(shí)輸還能完成電位移動(dòng)功能，使輸入級(jí)出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接NPN型管；由于PNP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30V以上。 圖集成電路符號(hào)（四）中間級(jí)中間級(jí)電路的主要任務(wù)是提

15、供足夠大的電壓放大倍數(shù)，并向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流，有時(shí)還要完成雙端輸出變單端輸出，電位移動(dòng)等功能。UPC277C的中間級(jí)是由復(fù)合管T16、T17和電阻R6組成的共發(fā)射極放大電路，T12、T13組成的鏡象恒流源作為它的有源負(fù)載，因而可以獲得很高的電壓放大倍數(shù)。R6起電流負(fù)反饋?zhàn)饔每梢愿纳品糯筇匦浴＃ㄎ澹┹敵黾?jí)輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。UPC277C輸出級(jí)采用的就是由T14和復(fù)合管T18、T19組成的互補(bǔ)對(duì)稱電路。R7、R8和T15組成

16、電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路，使T15的c、e兩端具有恒壓特性，為互補(bǔ)管提供合適而穩(wěn)定的偏壓，以消除文越失真。D1、D2和R9、R10組成過載保護(hù)電路，正常工作時(shí)，R9、R10上的壓降較小，D1、D2均處于截止?fàn)顟B(tài)，即保護(hù)電路處于斷開狀態(tài)，一旦因某種原因而過載，T14及復(fù)合管的電流超過了額定值，則R9、R10上的壓降明顯增大，D1、D2將導(dǎo)通，從而對(duì)T14和T15的基極電流進(jìn)行分流，限制了輸出電流的增加，保護(hù)了輸出管。集成運(yùn)放的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，它們的性能更加優(yōu)越，除通用型集成運(yùn)放外，還出現(xiàn)了一些專用集成運(yùn)放。 集成運(yùn)放作為一個(gè)有源放大器件應(yīng)用于實(shí)際電路時(shí)，常用圖Z0608所示符號(hào)表示。-它有兩個(gè)輸入

17、端、一個(gè)輸出端。大箭頭表示信號(hào)傳輸方向。當(dāng)信號(hào)從反相端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓成反相關(guān)系，當(dāng)信號(hào)從同相端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同相。 反饋電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)是由撥碼開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)組成的可調(diào)式反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，1,2端口接放大部分的1,2端口聯(lián)入反饋網(wǎng)絡(luò)中。圖反饋電阻網(wǎng)絡(luò)增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)利用撥碼開關(guān)接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。1,2接線柱接反饋網(wǎng)絡(luò)。Vo為輸出端，實(shí)際中運(yùn)放采用常用的LM423N也能滿足要求。圖 增益調(diào)整電路 元器件型號(hào)選擇 表元器件型號(hào)序號(hào)編號(hào)名稱參數(shù)個(gè)數(shù)1R5R13電阻10092R15R23電阻1093R26R34電阻194J

18、1 J2 J3撥碼開關(guān)DSWPK_1035R1 R3電阻5026U1B運(yùn)放LM423N17V1 V2直流電源12V28R4滑動(dòng)變阻器1K19XMM1 XMM2萬用表_210_導(dǎo)線_若干 參數(shù)計(jì)算電路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相應(yīng)的即可，例：Rx等于20M與25M的并聯(lián)，即Rx=.相應(yīng)的Au=1+100/=.在輸出電壓為110v之間求出相應(yīng)的相應(yīng)的放大倍數(shù)在199之間，根據(jù)相應(yīng)的撥碼開關(guān)計(jì)算出輸入電阻與輸出電阻的適當(dāng)值即Ri8M,Ro20.所以，增益公式G=20Au得到所要調(diào)整的范圍。圖總體電路圖第4章 程控增益放大器仿真與調(diào)試 Multisim仿真與調(diào)試本電路滿足微小信號(hào)在各種狀態(tài)下的放

19、大調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠有效地抑制干擾信號(hào)，可靠地檢測(cè)出缺隱信號(hào)，常常需要高精度的測(cè)量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測(cè)信號(hào)的大小，用微控制器來檢測(cè)，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號(hào)調(diào)到最佳，獲得最佳測(cè)量數(shù)據(jù)。又因?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍、多干擾因素的檢測(cè)系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件有機(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實(shí)用的電路設(shè)計(jì)按照上述方法設(shè)計(jì)的可編程增益放大電路，克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍小的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了增益范圍、提高了增益精度?；就瓿闪讼到y(tǒng)基本及發(fā)揮部分的要求，在某些方面性能有極大的提高，大

20、大超過了要求。但由于時(shí)間緊張等原因，整個(gè)系統(tǒng)還存在著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)陋，測(cè)量精度不是很高等問題。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還有很大的升級(jí)擴(kuò)展空間，仿真如圖。 圖總體仿真圖 仿真結(jié)果分析 仿真結(jié)果滿足預(yù)期要求如圖。 圖 仿真結(jié)果圖 第5章 程控增益放大器實(shí)物制作 程控增益放大器電路焊接 按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路將相應(yīng)元器件焊接在電路板上。在焊接過程中先設(shè)計(jì)好排版，然后再進(jìn)行焊接，這樣焊接出來的實(shí)物不容易短路并且更加美觀。 程控增益放大器作品 圖實(shí)物電路圖第6章 作品測(cè)試與數(shù)據(jù)分析按照實(shí)驗(yàn)電路將運(yùn)放的5、6管腳分別接入用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)好的120mV正弦交流信號(hào)，地端都接在GND上，4管腳接入+12V電源，11

21、管腳接入-12電源，7管腳為輸出端，分別用萬用表接在5,、6管腳測(cè)輸入電阻，接在輸出端測(cè)輸出電壓。圖輸入電阻測(cè)試圖圖輸入電阻測(cè)試結(jié)果圖第7章 總結(jié) 在這為期兩個(gè)星期的課設(shè)中，講理論與實(shí)踐相結(jié)合。經(jīng)過課題的確立，查閱資料，設(shè)計(jì)方案，仿真模擬，實(shí)物焊接以及后期的論文修改等過程，不僅讓我對(duì)所學(xué)知識(shí)得以運(yùn)用，有了更深刻的理解之外，更補(bǔ)充了更多的相關(guān)知識(shí)和鍛煉了自己實(shí)際動(dòng)手焊接電路的能力。在課設(shè)進(jìn)行過程中，更是得到老師的答疑解惑，將課題中存在的問題與實(shí)際問題相驗(yàn)證，還有與同學(xué)組員之間相互探討，互相幫助，讓課程設(shè)計(jì)得以順利完成。 課程設(shè)計(jì)開始初期，對(duì)自己的課題知之甚少，隨著后來的慢慢琢磨和老師同學(xué)的幫助使課題走向明朗。并且在此次課設(shè)中還學(xué)習(xí)了新的仿真軟件Multisim的安裝與使用，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果預(yù)期起到了很大的作用。當(dāng)然在實(shí)驗(yàn)中也遇到了很多各