程控放大器設計報告

-.z.《電子線路》課程設計設計報告題目：程控放大器的設計 班級:電子工程 姓名:**************** 指導教師:******2012年6月摘要本次課程設計的目的是通過設計與實驗，了解實現(xiàn)程控放大器的方法，進一步理解設計方案與設計理念，擴展設計思路與視野。對微弱信號的程控放大，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設置增益的放大器如AD8321芯片，但該類放大器價格較高且選擇檔位較少。采用數(shù)字電位器或者模擬開關和AD組成的多檔位、低成本的程控放大器可克服以上缺點，但是模擬開關具有較大的噪聲且存在偏置電阻，精度不高使用D/A內部電阻實現(xiàn)可變電阻也是較為常用的方法，利用DAC內部精密電阻網(wǎng)絡作為運放的反饋電阻提高了放大精度，但這種方案難以實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)。關鍵字：程控放大模擬開關DAC目錄一、內容提要4二、設計任務和要求4三、總體方案選擇的論證4四、單元電路的設計、元器件選擇和參數(shù)計算8五、繪出總體電路圖，并說明電路的工作原理11六、組裝與調試，內容含：12七、所用元器件的編號列表。15八、設計總結：18九、列出參考文獻18程控放大器設計內容提要隨著計算機的應用，為了減少硬件設備，可以使用可編程增益放大器（PGA:PmgrammableGainAmplifier)。它是一種通用性很強的放大器，其放大倍數(shù)可以根據(jù)需要用程序進行控制。采用這種放大器，可通過程序調節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉換器滿量程信號達到均一化，因而大大提高測量精度。所謂量程自動轉換就是根據(jù)需要對所處理的信號利用可編程增益放大器進行倍數(shù)的自動調節(jié)，以滿足后續(xù)電路和系統(tǒng)的要求?？删幊淘鲆娣糯笃饔袃煞N——組合PGA和集成PGA。設計任務和要求設計和實現(xiàn)一程控放大器，指標要求：1、增益在10～60dB之間，以10dB步進可調；2、當增益為40dB時，－3dB帶寬≥40kHz.3、電壓增益誤差≤10％；4、最大輸出電壓≤10V。注：不可用專用集成塊！總體方案選擇的論證實現(xiàn)程控放大器的方案有多種，如：用繼電器改變運算放大器的反饋網(wǎng)絡；用模擬開關來控制運算放大器的反饋網(wǎng)絡；用數(shù)模轉換器（D/A）的電阻網(wǎng)絡來改變增益。方案對比：方案一：采用模擬開關控制運算放大器的反饋網(wǎng)絡具體電路圖如下：簡要原理：通過開關的閉合和斷開開來獲得6種不同的增益。優(yōu)點：電路簡單，易于焊接缺點：頻率穩(wěn)定度不高本方案參考文獻：[1]方案二：通過數(shù)字選擇反饋網(wǎng)絡對輸入信號進行放大，電路原理圖如下：簡要原理：用模擬開關來控制運算放大器的反饋網(wǎng)絡來設計程控放大器。通過對微動開關的閉合和斷開，由CC4051模擬開關控制輸出的電阻，作為三運放構成的數(shù)據(jù)放大器的電阻Rg，構成程控放大器，改變Rg的值可以對輸入的信號進行相應的放大。優(yōu)缺點：優(yōu)點：該種方案的電路相對于其他兩種方案的電路來說，電路結構較為簡單，原理容易理解，使用器件較少，而且使用起來也十分方便。缺點：如果電路器件選擇不當，可能造成電路無法達到設計的要求，即增益無法達到60dB或者當增益為40dB時，－3dB帶寬≥40kHz。本方案參考文獻：[2]方案三：用數(shù)模轉換器（D/A）的電阻網(wǎng)絡來改變增益。MA*502D/A轉換器利用R-2R梯形解碼網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變化輸入不同的數(shù)字量D，就可以在1~4096間設定放大器的電壓增益。圖1中的兩個外接電位器W1、W2分別用于對放大器的失調和增益誤差進行微調，可進一步提高放大器的精度，要求不太高時也可以省去。優(yōu)點：電路使用元器件種類較少缺點：過分依賴于集成芯片，且芯片購買成本高對比得出的結論：本次設計考慮到使實驗器材盡量可以在市場上及時的買到以及節(jié)省不必要的實驗器材，最終考慮使用方案二模擬開關來控制運算放大器的反饋網(wǎng)絡來實現(xiàn)實現(xiàn)程控放大器。該種設計電路簡單，使用器件少，可在實驗室內操作，焊接起來較為方便，調試較為簡單，符合課程設計的原則。單元電路的設計、元器件選擇和參數(shù)計算1、單元電路的設計（1）通過CC4051模擬開關對輸出電阻進行控制選擇CC4051相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來決定。C、B、A為二進制控制輸入端(9、10、11端)改變C、B、A的數(shù)值，可以譯出8種狀態(tài)，并選中其中之一，使輸入輸出接通。（CC4051管腳見元器件附表）該單元電路的設計依據(jù)主要是根據(jù)CC4051模擬開關能對輸出電阻進行控制和選擇，從而實現(xiàn)接入電路的電阻阻值的改變，以實現(xiàn)相應的功能。（2）利用三運放構成的數(shù)據(jù)放大器（儀表放大器）對信號進行放大儀表放大器主要由兩級差分放大器電路構成。其中，運放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可見，電路增益的調節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)。其電路圖如下：結合設計要求指標給出：2、元器件選擇（1）電阻類：100kΩ電阻（4個）；30kΩ電阻（2個）；22kΩ電阻（3個）；20kΩ電阻（2個）；10kΩ電阻（4個）；50Ω電阻（1個）。（2）電位器類：100kΩ電位器（1個）；50kΩ電位器（1個）；20kΩ電位器（1個）；5kΩ電位器（1個）；2kΩ電位器（1個）；500Ω電位器（1個）；50Ω電位器（1個）（3）芯片類：運放芯片（OP^07，三片）；CC4051模擬開關（1片）（4）其他元件：電路板一塊船型開關3個錫條漆包線等。3、參數(shù)計算（放大器增益）增益：Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2）選擇R3/R2=3使得A3實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)信號的三倍放大。因此可取R3=30kΩ，R2=10kΩ,同時，可選取R1=10kΩ，便于進行進一步的計算。完成對各單元電路設計后，下面將對總體電路作進一步介紹。繪出總體電路圖，并說明電路的工作原理總體電路圖如下：14151215CC4051模擬開關314151215CC4051模擬開關387691011VccRg1Rg6IN+IN－R4R4R1R1R2R2R3R3R5d0d1d2Vo＋＋＋－－－微動開關三運放構成數(shù)據(jù)放大器A1A2A3R1=10kΩ，R2=10kΩ，R3=30kΩR4=20kΩ，R5=100kΩRg1=100kΩ電位器+100kΩ電阻Rg2=20kΩ，Rg3=5kΩRg4=2kΩ，Rg5=500ΩRg6=50Ω電位器+50Ω電阻電路的工作原理：根據(jù)CC4051模擬開關能對輸出電阻進行控制和選擇，從而實現(xiàn)接入電路的電阻阻值的改變，實現(xiàn)相應的功能。電路的增益：Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2），由公式可見，電路增益的調節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)。組裝與調試，內容含：1、使用主要儀器、儀表。應列出名稱、型號、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)日期等；（1）示波器，YB4320G，**綠揚電子儀器集團**，生產(chǎn)日期：20081103（2）函數(shù)發(fā)生器，F(xiàn)05A，**盛普儀器科技**（3）實驗箱，THM1，**天煌科技實業(yè)**（4）數(shù)字萬用表，數(shù)字萬用表，型號DT9205A，**華天道科技**，20090805（5）交流毫伏表，DF2170D，**中策電子**，2008112、測試的數(shù)據(jù)、波形，必要時應與計算結果比較并進行誤差分析；（1）測試的數(shù)據(jù)及波形Vo（mV）168500900160028705400Vi（mV）515151515151Av3.309.8017.7431.3756.27105.8810.37dB19.82dB24.98dB29.93dB35.00dB40.49dBRgRg1Rg2Rg3Rg4Rg5Rg6200kΩ8.32kΩ4.07kΩ2.01kΩ1.12kΩ583Ω附：計算結果：（當運放可以達到相應放大標準時）Av3.1621031.62100316.2100010dB20dB30dB40dB50dB60dBRgRg1Rg2Rg3Rg4Rg5Rg6370.3kΩ8.573Ω2.096kΩ619.0Ω192.0Ω60.24Ω調試時部分波形如下：（1）Av=19.82dB時的波形（1）Av=40.49dB時的波形頻譜特性圖：OO40.493.4Hz15.1kHzAv（dB）O（2）誤差分析：由于本次設計實驗購買的元器件為OP07運放芯片，不是預想中的OP37芯片，因此性能不是很好，導致最終的帶寬和放大倍數(shù)不能達到相應的要求，因此測量的數(shù)據(jù)主要為10dB-40dB之間；關于電路電阻方面，由于電路焊接時產(chǎn)生的多余阻值（如開關的電阻和焊錫的電阻等），使得最終測定的Rg的值普遍比計算值小，這是本實驗的主要誤差。3、組裝與調試的方法、技巧和注意事項(1)組裝與調試的方法將電路進行分塊焊接，分別進行組裝與調試，由于電路具有一定的復雜性，因此進行分塊組裝與調試有利于讓實驗更順利的進行。(2)電路焊接技巧及注意事項1、首先是要準備好所有所需的元器件，分清電阻與電位器的大小，確保焊接時不會搞錯對象。2、排版問題，在焊接元器件之前要整體規(guī)劃好整體布局，從前級再到后一級，以保證工藝上的美觀。3、焊接過程中，要注意焊接到技巧，錫塊不要太大影響美觀，也不能太小，防止虛焊。電阻盡量臥式放置。焊接過程要盡量減少引線。4、接地線不能貪圖省事，要把所有的地線統(tǒng)一用錫連接在一起，盡量不用導線作為引線。5、電源線和地線排放的位置不能靠太近，否則用鱷魚夾加電時易發(fā)生短路碰電4、調試中出現(xiàn)的故障及其診斷與排除方法故障一：電路調試時，連接好電路后，發(fā)現(xiàn)示波器上出現(xiàn)雜波波形，而沒有正弦波。診斷與排除方法：通過對電路板的排查發(fā)現(xiàn)，電路版的部分元件沒有接地，用電烙鐵焊好后繼續(xù)測試即可。故障二：進行調試時，發(fā)現(xiàn)示波器的波形是一種類似于失真了的矩形波形。診斷與排除方法：通過對電路與電源以及示波器、函數(shù)發(fā)生器的連線排查時發(fā)現(xiàn)，示波器的地端沒有與函數(shù)發(fā)生器的地端沒有接在一起，改變接法后即可。故障三：進行電路調試時，發(fā)現(xiàn)示波器上顯示的波形的幅值并沒有達到相應的放大要求。診斷與排除方法：通過調節(jié)相應電位器的阻值來改變Rg的值即可。5、所設計電路的特點及改進意見。本次設計的電路具有原理簡單、易操作、易于焊接等特點，對本次實現(xiàn)程控放大器的設計來說，是一個很好的設計。關于電路改進方面，如果運放的芯片可以改為更好性能的芯片如OP37，則電路的性能會更加穩(wěn)定，而且實現(xiàn)的功能更加全面，更符合設計要求；關于開關方面，如果使用3位微動開關設計會比使用船型開關更好一些，能是電路焊接更加方便。所用元器件的編號列表。序號符號與編號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1R1電阻10kΩ22R2電阻10kΩ23R3電阻30kΩ24R4電阻20kΩ25R5電阻100kΩ36Rg1電位器100kΩ1串接一個100kΩ電阻7Rg2電位器20kΩ18Rg3電位器5kΩ19Rg4電位器2kΩ110Rg5電位器500Ω111Rg6電位器50Ω1串接一個50Ω電阻12A1,A2,A3運放OP073見附一13CC4051模擬開關CC40511見附二14d0,d1,d2船型開關普通3附一：OP07芯片介紹功能概述：Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點：超低偏移：150μV最大。低輸入偏置電流：1.8nA。低失調電壓漂移：0.5μV/℃。超穩(wěn)定，時間：2μV/month最大高電源電壓*圍：±3V至±22V。OP07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源+，ABSOLUTEMA*IMUMRATINGS最大額定值芯片管腳如下：附二：CC4051芯片介紹功能概述CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關，有三個二進控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～