實(shí)驗(yàn)2 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2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）： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年4月14日、21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)幅值自動(dòng)切換調(diào)整增益。設(shè)輸入信號(hào)頻率為020KHz，其幅值范圍為0.110V（峰峰值Upp）。電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能與技術(shù)指標(biāo)如下：基本要求當(dāng)輸入為直流信號(hào)時(shí)，要求設(shè)計(jì)的電路達(dá)到以下要求：當(dāng)0.5V時(shí)，電路的增益約為10倍。當(dāng)0.53V時(shí)，電路的增益

2、約為1倍。當(dāng)310V時(shí)，電路的增益約為0.1倍。提高要求當(dāng)輸入為交流信號(hào)時(shí)，根據(jù)輸入電壓的峰峰值大小，電路增益仍滿足基本要求。發(fā)揮部分對(duì)輸入電壓值分檔再細(xì)化；增益值的顯示。分析項(xiàng)目的功能與性能指標(biāo)：功能：針對(duì)不同幅值的信號(hào)，進(jìn)行不同增益的放大。當(dāng)0.5V時(shí)，電路的增益約為10倍；當(dāng)0.53V時(shí)，電路的增益約為1倍；當(dāng)310V時(shí)，電路的增益約為0.1倍。對(duì)于交流信號(hào)，不同增益根據(jù)峰峰值劃分。用數(shù)碼管顯示增益。性能指標(biāo)：實(shí)現(xiàn)功能要求，放大盡量精準(zhǔn)，即盡量減小誤差。微調(diào)信號(hào)幅值跨越臨界值（本實(shí)驗(yàn)中為0.5V和3V）時(shí)，盲區(qū)盡量小，即盡量做到增益的立即轉(zhuǎn)換。保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。二、電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)思

3、想（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）： 基本要求：將直流信號(hào)的大小與0.5V和3V進(jìn)行比較，不同的比較結(jié)果對(duì)應(yīng)不同的放大倍數(shù)。比較部分可由比較器完成（0.5V和3V由電阻分壓得到），放大要求可由同相放大器或反相放大器完成（這里考慮到反相放大器實(shí)現(xiàn)小于1的增益可能引起運(yùn)放的不穩(wěn)定，故采用同相放大器，這樣也無需再加反相器進(jìn)行反相）。不同的放大系數(shù)是由反饋電路上的電阻阻值決定。這樣可用CD4052根據(jù)不同的比較結(jié)果選擇不同的反饋回路。另外一個(gè)問題是利用同相放大器無法實(shí)現(xiàn)0.1倍的增益，這樣在放大之前進(jìn)行十分之一的分壓再進(jìn)行1倍的增益，效果是等價(jià)的。這樣，若幅值大于3V，則把分壓后的信號(hào)輸入放大器

4、，若小于3V，則直接輸入放大器，此要求仍可由CD4052實(shí)現(xiàn)。提高要求與直流相比較，交流的關(guān)鍵問題是用哪個(gè)參數(shù)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較？平均值？方均根值？最大值？峰值？峰峰值？這就需要一個(gè)整流電路，輸入此交流信號(hào)，輸出幅值為此參數(shù)值的直流信號(hào)，再進(jìn)行比較放大（歸于基本要求部分）。既然實(shí)驗(yàn)要求為峰峰值，這就需要進(jìn)行得到峰值檢測(cè)電路。此電路可根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦院碗娙莸谋３痔匦栽O(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)峰峰值決定放大倍數(shù)：0-1V，放大10倍；1-6V，放大1倍；6-10V，放大0.1倍。發(fā)揮部分在發(fā)揮部分設(shè)計(jì)了一個(gè)增益顯示的功能。想用實(shí)驗(yàn)箱上的兩位數(shù)碼管進(jìn)行顯示，由于中間小數(shù)點(diǎn)無法點(diǎn)亮，故用一個(gè)LED燈代替。

5、增益顯示的控制信號(hào)仍然是比較單元的兩位比較結(jié)果。但由于輸出的比較結(jié)果不滿足數(shù)字信號(hào)的電壓要求（輸出比較結(jié)果大約為13V，而數(shù)字信號(hào)低電平一般在0-0.5V，高電平一般在3-5V）。因此此部分的一個(gè)關(guān)鍵是由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主要有兩點(diǎn)考慮：一是電壓過高，簡(jiǎn)單用電阻分壓即可；二是比較輸出為負(fù)時(shí)需轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)中的0，需用到二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)。再進(jìn)行一些數(shù)字邏輯運(yùn)算即可通過簡(jiǎn)單的門電路實(shí)現(xiàn)響應(yīng)增益的顯示。電路結(jié)構(gòu)框圖（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：基本要求：分為比較單元和放大單元兩大部分，其中放大單元的反饋回路需要一個(gè)通道選擇單元：如下列框圖所示： 提高部分：與基礎(chǔ)部分相比較，交流信

6、號(hào)的區(qū)別是需要一個(gè)峰值保持電路?？驁D如下： 發(fā)揮部分電路原理圖（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：基礎(chǔ)部分根據(jù)框圖分別設(shè)計(jì)電路圖：比較單元：放大單元通道選擇單元 綜合上述各單元電路，得到總的電路圖如下：提高要求對(duì)于交流信號(hào)，需要兵分兩路，一路通過峰值檢測(cè)電路得到峰值并進(jìn)入比較單元進(jìn)行比較，另一路進(jìn)入放大電路作為源信號(hào)。峰值檢測(cè)電路： 提高部分的總電路圖：發(fā)揮部分如上圖所示，R8R11為分壓電阻，R12、R13為限流電阻，兩個(gè)二極管用來將隔負(fù)電壓，使之為0.系統(tǒng)工作原理（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）： 基礎(chǔ)部分：直流信號(hào)與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，有三種比較結(jié)果。將比較結(jié)果輸入CD405

7、2的地址端，控制通路。不同的比較結(jié)果對(duì)應(yīng)特定的一條通路，不同的通路即為放大單元的反饋支路，上面掛有不同的電阻，對(duì)應(yīng)不同的放大倍數(shù)。此外，對(duì)于增益要求為0.1情況，由于采用同相放大電路，增益不可小于1，故需要將源信號(hào)衰減10倍，再使其放大增益為1，其效果是等價(jià)的。這樣可通過CD4052的另外一套通道選擇電路進(jìn)行選擇，根據(jù)比較單元的比較結(jié)果來決定是否需要將源信號(hào)衰減再輸入放大器的同相端。提高部分：基于直流部分的原理，只需要將交流信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，整波為直流信號(hào)，輸入比較電路進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定反饋回路和同鄉(xiāng)輸入信號(hào)是否衰減。發(fā)揮部分根據(jù)比較結(jié)果和增益顯示的對(duì)應(yīng)關(guān)系，列出真值表A0A1Q1Q0

8、LED001000101010011011觀察得到Q0=A1,Q1=not（A1），LED=A0（如上面電路圖所示）參數(shù)計(jì)算和元器件選擇說明（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：基礎(chǔ)部分：用來得到比較基準(zhǔn)電壓的分壓電阻：R1=48k(20k*2+8k),R2=10,R3=2k將源信號(hào)衰減十倍的電阻：R4=9k(8k+1k),R5=1k負(fù)反饋支路上的電阻：R6=4k(2k*2),R7=36k(27k+8k+1k)提高部分：在基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)上，加入峰值整流電路的電容和二極管：電容C=1uF；二極管IN4148發(fā)揮部分在前面基礎(chǔ)上，增加：電阻2k*2,8k*2,100k*2二極管IN4148*2列

9、出系統(tǒng)需要的元器件清單（請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)表格列出）（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：基礎(chǔ)部分種類型號(hào)數(shù)量電阻1k32k38k320k227k1提高部分種類型號(hào)數(shù)量電阻1k32k38k320k227k1電容1uF1二極管IN41481發(fā)揮部分種類型號(hào)數(shù)量電阻1k32k58k520k227k1100k2電容1uF1二極管IN41483電路的仿真結(jié)果（請(qǐng)寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：基礎(chǔ)部分0.4V放大到4V，增益為10；直流2V 輸入為2V，輸出2.03V，放大1倍直流5V動(dòng)態(tài)驗(yàn)證：輸入正弦信號(hào)：利用正弦波的正半部分進(jìn)行驗(yàn)證：部分為0-0.5V，放大10倍，故輸出波形有個(gè)類似小脈沖的波形；部分為

10、0.5-3V，放大1倍，輸出同原信號(hào)；部分為大于3V，放大0.1倍，此部分相對(duì)平緩，故輸出類似于貼近基準(zhǔn)線的一條直線。提高部分，放大10倍到8V峰峰值為峰峰值為5.6V，仍然放大1倍到峰峰值為發(fā)揮部分如圖，輸入8V，增益為0.1，顯示正確輸入4V，增益為1（顯示為1，LED燈滅），顯示正確輸入0.4V，增益為10，顯示正確三、硬件電路功能與指標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差分析硬件實(shí)物圖（照片形式）： (增益顯示部分的電路忘記拍了，只需要增加一片74HC04和若干電阻，二極管即可)制定實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案：首先逐個(gè)測(cè)量各個(gè)單元的功能，如對(duì)于比較單元，給定輸入信號(hào)，測(cè)量比較結(jié)果看是否與預(yù)期相符。然后接入可選擇反饋通道

11、的放大器，輸入信號(hào)，看能否使得不同大小的信號(hào)獲得不同的增益。測(cè)量直流信號(hào)時(shí)，先使直流信號(hào)通過峰值檢測(cè)電路，測(cè)量輸入輸出，看能否將交流整為峰值大小的直流信號(hào)。成功后，再將得到的直流信號(hào)通入比較單元，將原交流信號(hào)通入放大器正相通道，測(cè)量輸出結(jié)果是否與預(yù)期相符。最后調(diào)試增益顯示部分。使用的主要儀器和儀表：電源器：提供電源；萬用表：查找故障，測(cè)量驗(yàn)證；示波器：觀察輸入輸出波形函數(shù)發(fā)生器：提供不同峰值的交流信號(hào)實(shí)驗(yàn)箱：提供數(shù)字電源電壓，數(shù)碼管和LED燈調(diào)試電路的方法和技巧： 首先用萬用表測(cè)量芯片的引腳輸入電壓是否符合要求，即改接正負(fù)電源的是否符合要求，該接地的是否接地等。都接好后，即為電路提供好了一個(gè)工

12、作平臺(tái)。之后開始輸入特定信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)是否符合要求。若出現(xiàn)問題，再采用由后向前的方法深入到各個(gè)單元分別檢測(cè)信號(hào)輸出是否符合理論分析，尋找原因。測(cè)試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計(jì)結(jié)果比較分析：基礎(chǔ)部分直流信號(hào)直流，在0-0.5V范圍內(nèi)，放大10倍，符合要求。直流1.13V，在0.5-3V范圍內(nèi)，放大1倍，符合要求。直流7.58V，在3-10V范圍內(nèi)，放大倍，符合要求。提高部分交流信號(hào)正弦交流840mV，在0-1V范圍內(nèi)，放大10倍，符合要求。正弦交流4.08V，在1-6V范圍內(nèi)，放大1倍，符合要求。正弦交流8.2V，在6-10V范圍內(nèi)，放大0.1倍，符合要求。發(fā)揮部分 輸入峰峰值為840mV的正弦信號(hào)

13、，增益為10，顯示正確 輸入峰峰值為4.08V的正弦，增益為1，顯示正確 輸入峰峰值為8.2V的正弦信號(hào)，增益為0.1，顯示正確（左上角led燈為小數(shù)點(diǎn)）。調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：故障1：CD4052功能測(cè)試不正確。經(jīng)過萬用表的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)地址輸入端會(huì)出現(xiàn)-11V。原因：經(jīng)過仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)忽視了VSS的接地。VSS為數(shù)字信號(hào)的接地，在模電實(shí)驗(yàn)中很容易忽視。排除方法：將VSS接地，再次測(cè)量地址端變?yōu)?1V左右，功能正常。故障2：交流調(diào)試中，用函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行峰峰值的遞增或遞減，當(dāng)峰峰值跨越基準(zhǔn)電壓時(shí)，盲區(qū)很大，即電容放電慢，需等待一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)增益的跳變。原因：用來保持正弦信號(hào)峰峰值的電

14、容太大，容納電荷能力強(qiáng)，放電充電相對(duì)較慢。 排除方法：換量值小的電容（33uF換為1uF），跳變就很快了，此處體現(xiàn)了選擇參數(shù)的重要性。故障2：調(diào)試增益顯示時(shí)，在增益需要為10時(shí)，顯示卻為00排除方法：經(jīng)測(cè)量，比較結(jié)果為負(fù)時(shí)，測(cè)量二極管正極為-0.8V，負(fù)極卻為1V左右，導(dǎo)致74HC04的輸入為1V（被當(dāng)作高電平），輸出低電平。而1V不足以點(diǎn)亮數(shù)碼管，故兩個(gè)數(shù)碼管相當(dāng)于都輸入了低電平，都顯示0.后來在二極管兩端并聯(lián)了一個(gè)大電阻，情況得到了解決（輸入為-0.8V時(shí)，輸出為0.2mV左右）。后來猜想可能是二極管的反相電流恰好處于使兩端反相壓降為-1.8V左右的值，而并聯(lián)一個(gè)電阻可以分擔(dān)一部分電流，使

15、其處于正常狀態(tài)。四、總結(jié)闡述設(shè)計(jì)中遇到的問題、原因分析及解決方法： 問題1：采用同相放大，如何實(shí)現(xiàn)增益為0.1？ 分析及解決辦法：既然放大器本身采用同相放大時(shí)無法實(shí)現(xiàn)增益小于1，那么完全可以在輸入放大器之前對(duì)信號(hào)做處理，使其衰減10倍，再通過增益為1的放大器即可實(shí)現(xiàn)放大0.1倍。由于是否需要輸入前衰減也是由比較結(jié)果決定，故可利用CD4052的另一套可選擇通路實(shí)現(xiàn)此功能。問題2：如何得到峰值保持電路？分析及解決辦法：要將峰值保持住，必然要用到電容這一儲(chǔ)存元件。且將峰值保持住以后不容易放電，故用到二極管的單向?qū)щ娦?，使信?hào)達(dá)到峰值之后下降時(shí)，二極管反相截止，阻止放電。問題3：如何進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字

16、信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換？分析及解決辦法：在本實(shí)驗(yàn)中的增益顯示部分，需要根據(jù)不同的模擬信號(hào)值進(jìn)行數(shù)碼管不同數(shù)值的顯示，但包括數(shù)碼管、門電路、led燈在內(nèi)的器件均需要滿足一定范圍要求的數(shù)字信號(hào)，這就需要使模擬電壓值通過一定的方法對(duì)應(yīng)到數(shù)字上要求的電壓值。幅值上的增減可通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)，負(fù)值變0可以利用二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)實(shí)現(xiàn)。總結(jié)設(shè)計(jì)電路和方案的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：很好地利用了理論課中所學(xué)元器件的性質(zhì)；有很強(qiáng)的靈活性，即可通過改換分壓電阻改變基準(zhǔn)電壓和增益值； 在峰值檢測(cè)電路后面加一個(gè)跟隨器，使電路的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)； 實(shí)現(xiàn)了增益的顯示，直觀。缺點(diǎn)：交流信號(hào)峰峰值由高變低時(shí)，需要電容快速放電，故電容需要較??；而

17、由低變高時(shí)需要電容快速充電，故電容需要較大；兩者需要達(dá)到一個(gè)平衡，即參數(shù)比較難調(diào)。經(jīng)不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)中采用1uF的電容較為合適。指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值，提出改進(jìn)意見和展望：課題的實(shí)用價(jià)值：通過CD4052實(shí)現(xiàn)可選多通道的功能，基此實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)的不同增益。于是，對(duì)于不關(guān)注峰峰值的交流信號(hào)，完全可以通過本電路使其放大到一個(gè)合適的幅值再進(jìn)行信號(hào)的其他參數(shù)的研究，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。有待改進(jìn)的地方：即缺點(diǎn)中所提到的，繼續(xù)優(yōu)化電路，克服此處選擇電容的矛盾性，使充電放電都達(dá)到一個(gè)很高的速度。實(shí)驗(yàn)的收獲和體會(huì)：由于實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了認(rèn)真的模擬，查閱了包括數(shù)據(jù)手冊(cè)在內(nèi)的相關(guān)資料，故整個(gè)實(shí)驗(yàn)比較順利，在以后的試驗(yàn)中要繼續(xù)保持這種好習(xí)慣。雖然已經(jīng)做了很多實(shí)驗(yàn)，但過程中仍