增益自動切換放大電路 模電實驗

1、東南大學(xué)電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電子電路基礎(chǔ) 第 2 次實驗實驗名稱： 增益自動切換放大電路 院 （系）： 吳健雄 專 業(yè)： 電類強化 姓 名： 學(xué) 號： 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間： 2010 年 4 月 14 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(shè)計一、實驗內(nèi)容及要求設(shè)計一個電壓放大電路，能夠根據(jù)輸入信號幅值自動切換調(diào)整增益。設(shè)輸入信號頻率為020KHz，其幅值范圍為0.110V（峰峰值Upp）。電路應(yīng)實現(xiàn)的功能與技術(shù)指標(biāo)如下：1. 基本要求當(dāng)輸入為直流信號時，要求設(shè)計的電路達到以下要求：(1) 當(dāng)<0.5V時，電路的增

2、益約為10倍。(2) 當(dāng)0.5<<3V時，電路的增益約為1倍。(3) 當(dāng)3<<10V時，電路的增益約為0.1倍。2. 提高要求當(dāng)輸入為交流信號時，根據(jù)輸入電壓的峰峰值大小，電路增益仍滿足基本要求。3. 發(fā)揮部分（1） 對輸入電壓值分檔再細(xì)化；（2） 增益值的顯示。分析項目的功能與性能指標(biāo)：功能：如題目所說，本實驗的目的就是根據(jù)電壓值的（交流時為峰峰值）的大小，來自動切換增益倍數(shù)，對于不同范圍的電壓值，放大電路增益的倍數(shù)不同。性能：本次實驗中的電壓范圍為三段，即：V<0.5、0.5<V<3、V>3。增益的倍數(shù)對應(yīng)一次為10倍、1倍和0.1倍。對于直

3、流信號，電路設(shè)計相對較容易，將輸入電壓經(jīng)過0.5v和3.0V的電壓比較器比較后的輸出信號通過模擬開關(guān)選擇相應(yīng)的放大模塊，實現(xiàn)增益的切換。而對于交流信號，還需要在直流信號的基礎(chǔ)上再添加一個整流電路，即將交流信號的峰峰值以直流信號的形式表現(xiàn)出來，再通過直流信號的放大增益控制電路實現(xiàn)交流的增益自動切換。實驗中，電壓劃分值可能與實驗要求有所偏差，這是主要是由于實驗器材的不精確造成的，屬于系統(tǒng)誤差。二、電路設(shè)計(1) 電路設(shè)計思想（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：主體的電路設(shè)計思想如下圖：圖1.增益自動切換放大原理圖由上圖可以看出：運放A2、A3作為電壓比較器。它們的反相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓和，這

4、兩個基準(zhǔn)電壓可由及、組成的分壓器獲得。輸入信號同時加在A2、A3的同相輸入端，與和進行比較，決定它們的輸出、是高電平還是低電平。用、去信號控制模擬開關(guān)的工作狀態(tài)，切換反饋電阻即可實現(xiàn)增益的自動轉(zhuǎn)換。增益的大小受模擬開關(guān)的控制，電阻-與運放A1構(gòu)成增益可控的同相放大電路。模擬開關(guān)CD4052的狀態(tài)受電壓比較器A2、A3的控制，同相放大器A1的反饋電阻可切換為、或，則放大電路的增益分別為、和?？梢詫崿F(xiàn)題目要求的不同倍數(shù)的電壓增益。而對于提高部分，在直流信號放大電路的基礎(chǔ)上還需要增加一個整流電路，將交流信號的峰峰值以直流信號的形式輸出，再通過直流增益切換電路實現(xiàn)對交流信號的增益自動切換。(2) 電路

5、結(jié)構(gòu)框圖（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）： 基本部分： 圖2.基礎(chǔ)部分增益切換電路交流的整流電路：圖3.交流整流電路(3) 電路原理圖（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：增益選擇及放大整流電路比較電路圖4.直流部分原理圖圖5.交流部分原理圖注：因為考慮到同相放大電路的增益無法達到0.1，而反相可以。因此我采用了兩個反相比例放大器，前一級實現(xiàn)-10、-1、-0.1的增益，而后一級實現(xiàn)-1的增益。從而避免了由同相放大器帶來的增益不足。(4) 系統(tǒng)工作原理（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）： 基礎(chǔ)部分的電路主要由三個部分構(gòu)成：比較電路，增益選擇以及放大電路。其中比較電路是用運算放大器作

6、為電壓比較器，在反相輸入端輸入待比較的電壓0.5和3.0V，正相端輸入待比較的信號。當(dāng)正相端輸入的直流電壓為00.5,0.53.0,3.010V時，兩個電壓比較器輸出值分別為：00,10,11。將這兩個輸出信號作為模擬開關(guān)的輸入信號，來選擇通道的選通，三個通道選用不同的電阻參數(shù)，分別實現(xiàn)10倍，1倍和0.1倍的電壓增益。而交流部分，比直流多一部分的電路：精密整流。通過精密整流電路將交流信號的峰峰值以直流形式表示出來，在進行直流部分的增益切換，實現(xiàn)交流電路的增益切換。(5) 參數(shù)計算和元器件選擇說明（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：當(dāng)<0.5V時， 當(dāng)0.5<<3V時，。

7、當(dāng)3<<10V時，。上述增益公式對直流和交流均有效(6) 列出系統(tǒng)需要的元器件清單（請設(shè)計表格列出）（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）： 器件及參數(shù)個數(shù)（直流信號輸入）個數(shù)（交流信號輸入）510 221k 222k 1110k 56100k 111M 01100uF 01IN4148 02表1.實驗器件清單(7) 電路的仿真結(jié)果（請寫明基本要求、提高要求、發(fā)揮部分）：注：由于波形重合，分辨不出輸出和輸入波形，因此我將輸出波形反相顯示出來，和輸如波形區(qū)別開來。對于直流的增益：輸出波形輸入波形圖6. 直流增益為10倍圖7. 直流增益為1倍圖8. 直流增益為0.1倍對于交流增益：圖9

8、. 交流增益為10倍圖10. 交流增益為1倍圖11. 交流增益為0.1倍三、硬件電路功能與指標(biāo)，測試數(shù)據(jù)與誤差分析(1) 硬件實物圖（照片形式）：交流整流電路 圖12. 硬件實物圖電壓比較器CD4052放大電路(2) 制定實驗測量方案：對于直流的測量：由于實驗中不能直接提供所需要的3v和0.5v的比較電壓，因此我通過電位器分壓，將15v的電壓分配。輸入的直流信號也是通過電位器不斷的改變電壓值。對于直流的電壓值的測量，我選用了萬用表，較為方便。對于交流的測量：將函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的交流信號通過整流電路輸出直流信號進行增益切換。實驗中，我選用了數(shù)字示波器觀察函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的交流信號以及最后的輸出信

9、號，判斷放大的倍數(shù)是否滿足實驗要求。(3) 使用的主要儀器和儀表： 函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器、萬用表、功率表等。(4) 調(diào)試電路的方法和技巧： 調(diào)試直流增益時，可以先用萬用表測量兩個電壓比較器的比較電壓是否滿足在0.5和3.0v附近，調(diào)試過程中按照從后往前的順序來判斷電路故障發(fā)生的位置，可將電路分割成三塊來分別調(diào)試，三塊分別為：電壓比較、模擬開關(guān)和增益放大區(qū)域。而對于交流信號，可以將交流信號的整流單獨調(diào)試。(5) 測試的數(shù)據(jù)和波形并與設(shè)計結(jié)果比較分析： 經(jīng)測試，本次實驗中，我的實驗數(shù)據(jù)如下：1直流部分：a) 當(dāng)<0.7V時，電路的增益約為10倍。b) 當(dāng)0.7<<3.2V時，電

10、路的增益約為1倍。c) 當(dāng)3.2<<10V時，電路的增益約為0.1倍。2. 交流部分：(1) 當(dāng)<0.6V時，電路的增益約為10倍。(2) 當(dāng)0.6<<3.0V時，電路的增益約為1倍。(3) 當(dāng)3.0<<10V時，電路的增益約為0.1倍。波形如下所示：輸出波形CH2輸入波形CH1圖13. 增益為10倍波形圖輸出波形CH2輸入波形CH1圖14. 增益為1倍波形圖輸入波形CH1輸出波形CH2圖15. 增益為0.1倍的波形圖結(jié)果分析：實驗中發(fā)現(xiàn)電壓實際的分檔和實驗要求有所差異，并不是0.5和3.0，誤差在允許范圍內(nèi)，原因主要由于實驗器材的數(shù)值存在誤差，屬于系

11、統(tǒng)誤差。(6) 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法： 一開始的調(diào)試過程中，-10倍的運放的輸出電壓值始終為-13.5V，我猜想是由于整個運放并未在工作狀態(tài)，有兩種可能，一是由于運放本身的電路問題，二是模擬開關(guān)并未導(dǎo)通，造成該運放沒有反饋。鑒于此，我將該運放從模擬開關(guān)中獨立出來，發(fā)現(xiàn)原來的問題依然存在，因此確定是運放本身電路的連接問題，與模擬開關(guān)無關(guān)。在對運放電路測試過程中發(fā)現(xiàn)2號引腳的10k電阻兩端的電壓值始終為0，因此發(fā)現(xiàn)該電阻被短路。后面的調(diào)試過程比較順利。四、總結(jié)(1) 闡述設(shè)計中遇到的問題、原因分析及解決方法： 直流部分的設(shè)計相對比較順利，而在提高部分的設(shè)計時，主要的問題集中在如何將交流

12、信號和標(biāo)準(zhǔn)直流電壓做比較。起先，我的方案是將交流輸入超過比較電壓時的信號用D觸發(fā)器鎖存起來，在把同樣的信號經(jīng)過兩個反相器的延時傳給D觸發(fā)器的時鐘端，這樣當(dāng)交流信號的峰峰值超過比較電壓時，就可以把高電平信號傳給模擬開關(guān)，實現(xiàn)增益的切換。仿真過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)交流信號的峰峰值由小變大時，沒問題，但當(dāng)信號的峰峰值由大變小時，問題出現(xiàn)了，增益無法得到切換。經(jīng)過激烈的思想斗爭，我放棄了原先的方案，采用更加是實際化的交流整流電路，將交流信號的峰峰值以直流信號的形式提取出來，剩余的和基礎(chǔ)部分的電路設(shè)計思想完全一致。(2) 總結(jié)設(shè)計電路和方案的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：由于采用精密整流，實驗精準(zhǔn)度較高，直接反映在實驗中是增益臨界電壓值與實驗要求相差無幾。缺點：由于采用精密整流，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實現(xiàn)起來也比較難。(3) 指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望： 核心是增益隨著輸入信號的變化而變化，實際應(yīng)用價值比較大，可以