1、精選優質文檔-傾情為你奉上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 2 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： 電類 強化 姓 名： 學 號： 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間： 12 年 4月10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、實驗內容及要求用運算放大器設計一個電壓放大電路，其輸入阻抗不小于100k，輸出阻抗不大于1k，并能夠根據輸入信號幅值切換調整增益。電路應實現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、10三檔不同增益，并能夠以數字方式切換增益

2、。2） 輸入一個幅度為0.110V的可調直流信號，要求放大器輸出信號電壓在0.55V范圍內，設計電路根據輸入信號的情況自動切換調整增益倍率。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0.55V（峰峰值Vpp）的范圍內。2） 能顯示不同的增益值。3. 創新要求1）利用數字系統綜合設計中FPGA構建AD采集模塊，來實現程控增益放大器的設計。分析項目的功能與性能指標：基礎部分的功能最主要的是要實現對輸入電壓的判斷，并且對不同的電壓值實現不同的放大倍率自動切換。主要性能指標是

3、切換倍率跳變點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現對交流信號峰峰值的判斷，即需將交流信號進行峰峰值檢測。其他與基本部分要求一致。創新部分要求用FPGA構建AD采集，涉及AD轉換電路的搭建。主要性能指標是AD轉換的精度。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、創新要求分別表述）：1）基本要求：在實驗箱上用電位器分壓獲得5V和0.5V的參考電壓；用開環放大器做比較器，把參考電壓接入比較器的反相輸入端，則當輸入電壓大于參考電壓時比較器輸出正向飽和電壓（約14V），接到模擬開關4052的選擇端即可對四條電路進行選通。用其中的三條通路連接不同阻值的

4、反饋電阻實現不同增益。由于同相比例放大電路無法實現0.1倍增益，故用兩級反相比例放大電路實現。2）提供要求：首先要將正弦交流信號進行峰峰值檢波，輸出直流電壓信號，作為比較電壓與兩個參考電壓進行比較。比較器輸出電壓無法直接作為TTL器件的輸入電壓，故與電阻和穩壓二極管串聯接地實現0V和5V的輸入電壓，經組合邏輯電路譯碼之后接到數碼管即可顯示增益。其余部分與基本要求一致。(2) 電路結構框圖（請將基本要求、提高要求、創新要求分別畫出）：1）基本要求比較器放大電路輸入信號輸出信號比較結果控制參考電壓2）提高要求比較器放大模塊交流信號輸出信號比較結果參考電壓峰值檢波直流信號(3) 電路原理圖（各單元電

5、路結構、工作原理、參數計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：結構：電壓跟隨器，用于提高輸入阻抗（8M）。原理：深度負反饋阻值為0，輸出電壓與輸入電壓同幅同相，用于隔離。參數計算：無。元器件選擇：無。2部分：結構：兩個電壓比較器，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。原理：開環狀態的運放即為一比較器，輸出為正負飽和電壓。參數計算：無。元器件選擇：兩個741。 3部分：結構：可調增益反相放大器，通過模擬開關控制反饋電阻的通斷來調節增益。原理：通過模擬開關控制反饋電阻的通斷來調節增益。參數計算：加至4052模擬開關之后，分別對應

6、3,1,0條通路所接電阻分別為1k，10k，100k，作為運放的反饋電阻。由于運放反向輸入端的電阻為10k，這樣就分別實現了增益-0.1，-1，-10。再在后面接一個增益為-1的反向比例放大器，就實現了自動切換增益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放的理想條件，又不至于太小而產生誤差。4部分：結構：反相器原理：將3部分的輸出信號進行反相以克服同相比例放大器不能實現0.1增益的問題。參數計算：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）提高要求下面 下邊的藍框：峰峰值檢測電路

7、結構：二極管+電容。原理：利用二極管單向導電性以及電容的保持性質來檢測峰峰值。參數選擇：開始時選用1uF,電容容量越大則波形越平穩，但是充放電更慢，在跳變點無法自動跳變。后改為10nF電容，功能正常實現。元器件選擇：同參數計算。上邊的藍框：顯示電路結構：穩壓二極管+電阻原理：比較器輸出為14V電壓，無法作為組合邏輯電路的輸入電壓，故利用穩壓二極管的單向導電和反向穩壓性質把電壓變為5V、0V。參數計算：由于TTL邏輯電路5V為1,0V為0，所以選用5V穩壓二極管。與二極管串接的電阻是為提高穩定性所加。元器件選擇：由于顯示輸出為00,01,11（0,1,3）不妥，故在實際的電路中添加了一片7400

8、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) 列出系統需要的元器件清單（請設計表格列出，提高要求、創新要求多用到的器件請注明）： 1）基本要求類型型號數量電阻1k15k110k5100k1芯片ua7416cd405212）提高要求類型型號數量電阻1002100k2電容10n1二極管1N400721N47332數碼管8段數碼管1(5) 電路的仿真結果（請將基本要求、提高要求、創新要求中的仿真結果分別列出）： 1）基本要求（CH1輸入，CH2輸出，下同）十倍增益：（兩條波形已經重合，注意左下角的比例，下同）一倍增益：0.1倍增益：2）提高要求十倍增益：一倍增益：0.1倍增

9、益：三、硬件電路功能與指標，測試數據與誤差分析(1) 硬件實物圖（照片形式）： 1）基本要求2）提高要求(2) 制定實驗測量方案：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位。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，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）函數信號發生器3）ISP綜合實驗箱4）數字萬用表5）穩壓電源(4) 調試電路的方法和技巧：1）需要更換元件時首先把電源斷開2）當波形不正常（比如底部失真）時首先要檢查電源是否打開，

10、因為經常需要斷電更換元件，容易忘掉3）模擬電路的電源電壓遠高于數字電路，當需要使用數字電路時應單獨供電，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，萬用表的靜態檢測和示波器的動態檢測相互配合。這要求對所設計的電路熟稔于心5）注重調整跳變點的電壓，將輸入正弦信號的峰峰值維持在跳變點，然后調節參考電壓，直到波形不穩定為止6）搭建電路時自下向上，先調試每一部分電路的正確性，再相互拼接，做總調試。7）排查錯誤時自上向下，分模塊排查，發現某個模塊與預計結果不符時，再在模塊內部繼續排查。(5) 測試的數據和波形并與設計結果比較分析：十倍增益上圖

11、為一倍增益上圖為5V跳變點峰峰值不穩定（注：由于拍的是視頻，所以CH1大小已經超出屏幕范圍，其大小為3.62V?實際是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輸出電壓峰峰值/V理論值/V100.262.642.611.041.121.040.16.40.680.64(6) 調試中出現的故障、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。發現爆炸立刻關閉電源。2）輸出波形出現底部失真。原因是更換器件之后忘了打開電源。方法：打開電源3）調試中發現譯碼器輸出有多個低電平。原因：經排查，是

12、由于面包板內部某區域中出現短路。四、總結(1) 闡述設計中遇到的問題、原因分析及解決方法：問題1：首先遇到的問題是，在處理交流電的時候，如何將信號的峰峰值保持下來，因為一個信號的增益值是固定的，不應該隨著信號幅度的改變而改變。最先想到的方案是使用數電器件，將比較器輸出的結果用觸發器鎖存，每次電壓超過設定值便會鎖存一次，再將觸發器結果輸出給模擬開關。但是這樣的缺點是當由大信號切換回峰峰值小于1V的信號時，觸發器不會自動清零。導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，在整流時再加上放大兩倍的功

13、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，在驗收時老師從高壓向低壓調節，會出現峰峰值小于0.5V時候10檔無法自動切換的問題，而從下往上調節無此問題發生。分析知，這是因為為保證整流波形穩定使用了大電容，而大電容放電慢，換一個10nF的電容即可。(2) 總結設計電路和方案的優缺點： 優點電路較為簡單，設計模塊清晰，并且提高部分都只需在原來基礎部分的基礎上加一些新的功能即可，可以說基礎部分的兼容性較強。缺點缺點還是有很多，比如電壓較大（增益很小）時，出現毛刺現象未能得到解決，并且此時的增益與理想結果偏差也較大，分析原因，一是所用電阻本身的誤差和模擬開關的電阻，而當電阻阻值較小，增益為十倍時反饋電阻僅為1k，此時電阻本身的誤差和模擬開關的電阻在其本身的阻值中占較大比重，導致誤差很大。另外毛刺的出現也有示波器的一些原因。(3) 指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望：本實驗分為兩個部分，也分別對應了兩個部分的考察和鍛煉。基本要求主要考察增益自動切換功能的實現，提高要求則主要考察對交流信號的峰峰值的提取。改進意見：增加數電部分，鍛煉學生的數模轉換能力，數電部分可用數碼管顯示電壓等等。 (4) 實驗的收獲和體會：實驗中，主要的收獲不是完成某個功能，而是抽象之后的解決這類問題的思