增益自动切换电压放大器-实验报告要点

东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：电子电路实践第2次实验实验名称：增益自动切换电压放大电路的设计院（系）：吴健雄学院专业：电类强化姓名：学号：实验室:实验组别：同组人员：实验时间：12年4月10日评定成绩：审阅教师：实验二增益自动切换电压放大电路的设计一、实验内容及要求用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。电路应实现的功能与技术指标如下：1.基本要求1）放大器能够具有0.1、1、10三档不同增益，并能够以数字方式切换增益。2）输入一个幅度为0.1～10V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.5～5V范围内，设计电路根据输入信号的情况自动切换调整增益倍率。3）放大器输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。2.提高要求1）输入一个交流信号，频率10kHz，幅值范围为0.1～10V（峰峰值Vpp），要求输出信号电压控制0.5～5V（峰峰值Vpp）的范围内。2）能显示不同的增益值。3.创新要求1）利用数字系统综合设计中FPGA构建AD采集模块，来实现程控增益放大器的设计。分析项目的功能与性能指标：基础部分的功能最主要的是要实现对输入电压的判断，并且对不同的电压值实现不同的放大倍率自动切换。主要性能指标是切换倍率跳变点与理论值的偏差及放大倍率与理论值的偏差。提高部分主要功能是实现对交流信号峰峰值的判断，即需将交流信号进行峰峰值检测。其他与基本部分要求一致。创新部分要求用FPGA构建AD采集，涉及AD转换电路的搭建。主要性能指标是AD转换的精度。二、电路设计（预习要求）(1)电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述）：1）基本要求：在实验箱上用电位器分压获得5V和0.5V的参考电压；用开环放大器做比较器，把参考电压接入比较器的反相输入端，则当输入电压大于参考电压时比较器输出正向饱和电压（约14V），接到模拟开关4052的选择端即可对四条电路进行选通。用其中的三条通路连接不同阻值的反馈电阻实现不同增益。由于同相比例放大电路无法实现0.1倍增益，故用两级反相比例放大电路实现。2）提供要求：首先要将正弦交流信号进行峰峰值检波，输出直流电压信号，作为比较电压与两个参考电压进行比较。比较器输出电压无法直接作为TTL器件的输入电压，故与电阻和稳压二极管串联接地实现0V和5V的输入电压，经组合逻辑电路译码之后接到数码管即可显示增益。其余部分与基本要求一致。(2)电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出）：1）基本要求2）提高要求(3)电路原理图（各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明）：1）基本要求从左到右依次为1234部分：1部分：结构：电压跟随器，用于提高输入阻抗（8M）。比较器放大电路输入信号输出信号比较结果控制参考电压比较器放大模块交流信号输出信号比较结果参考电压峰值检波直流信号原理：深度负反馈阻值为0，输出电压与输入电压同幅同相，用于隔离。参数计算：无。元器件选择：无。2部分：结构：两个电压比较器，用于将输入信号与参考电压比较并输出00,01,11信号用于控制模拟开关。原理：开环状态的运放即为一比较器，输出为正负饱和电压。参数计算：无。元器件选择：两个741。3部分：结构：可调增益反相放大器，通过模拟开关控制反馈电阻的通断来调节增益。原理：通过模拟开关控制反馈电阻的通断来调节增益。参数计算：加至4052模拟开关之后，分别对应3,1,0条通路所接电阻分别为1k，10k，100k，作为运放的反馈电阻。由于运放反向输入端的电阻为10k，这样就分别实现了增益-0.1，-1，-10。再在后面接一个增益为-1的反向比例放大器，就实现了自动切换增益0.1,1,10的功能。元器件选择：1k,10k,100k电阻不至于太大而影响运放的理想条件，又不至于太小而产生误差。4部分：结构：反相器原理：将3部分的输出信号进行反相以克服同相比例放大器不能实现0.1增益的问题。参数计算：由于是等幅反相放大，故反相端接10K,反馈端接10K，平衡电阻为5K。元器件选择：同3部分，10K左右电阻最适宜。2）提高要求下面下边的蓝框：峰峰值检测电路结构：二极管+电容。原理：利用二极管单向导电性以及电容的保持性质来检测峰峰值。参数选择：开始时选用1uF,电容容量越大则波形越平稳，但是充放电更慢，在跳变点无法自动跳变。后改为10nF电容，功能正常实现。元器件选择：同参数计算。上边的蓝框：显示电路结构：稳压二极管+电阻原理：比较器输出为±14V电压，无法作为组合逻辑电路的输入电压，故利用稳压二极管的单向导电和反向稳压性质把电压变为5V、0V。参数计算：由于TTL逻辑电路5V为1,0V为0，所以选用5V稳压二极管。与二极管串接的电阻是为提高稳定性所加。元器件选择：由于显示输出为00,01,11（0,1,3）不妥，故在实际的电路中添加了一片7400和一片7404作为译码电路，使得输出为0,1,2.此处不再详述。(4)列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出，提高要求、创新要求多用到的器件请注明）：1）基本要求类型型号数量电阻1k15k110k5100k1芯片ua7416cd405212）提高要求类型型号数量电阻1002100k2电容10n1二极管1N400721N47332数码管8段数码管1(5)电路的仿真结果（请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出）：1）基本要求（CH1输入，CH2输出，下同）十倍增益：（两条波形已经重合，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倍增益：三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析(1)硬件实物图（照片形式）：1）基本要求2）提高要求(2)制定实验测量方案：首先将CH1接到输入，CH2接到输出，双踪显示观察波形，若波形不正确，则用电压表沿信号流方向依次测定各芯片引脚的点位。待波形正确，则先输入0.2V，观察增益；逐步提高电压至0.5V和5V左右观察跳变点，记录输入输出电压（直流）或峰峰值（交流）。(3)使用的主要仪器和仪表：1）示波器2）函数信号发生器3）ISP综合实验箱4）数字万用表5）稳压电源(4)调试电路的方法和技巧：1）需要更换元件时首先把电源断开2）当波形不正常（比如底部失真）时首先要检查电源是否打开，因为经常需要断电更换元件，容易忘掉3）模拟电路的电源电压远高于数字电路，当需要使用数字电路时应单独供电，否则芯片会爆炸4）检查波形首先查输入端，然后按照信号的流向依次用电压表和示波器检查各芯片引脚的电平/波形，万用表的静态检测和示波器的动态检测相互配合。这要求对所设计的电路熟稔于心5）注重调整跳变点的电压，将输入正弦信号的峰峰值维持在跳变点，然后调节参考电压，直到波形不稳定为止6）搭建电路时自下向上，先调试每一部分电路的正确性，再相互拼接，做总调试。7）排查错误时自上向下，分模块排查，发现某个模块与预计结果不符时，再在模块内部继续排查。(5)测试的数据和波形并与设计结果比较分析：十倍增益上图为一倍增益上图为5V跳变点峰峰值不稳定（注：由于拍的是视频，所以CH1大小已经超出屏幕范围，其大小为3.62V?实际是5V。下同）上图为5V以上，0.1倍增益的波形。（由于是视频，所以CH1的值显示不精确）增益值输入电压峰峰值/V输出电压峰峰值/V理论值/V100.262.642.611.041.121.040.16.40.680.64(6)调试中出现的故障、原因及排除方法：1）74LS00爆炸。原因是误将模拟电路的15V电压接到74LS00上。发现爆炸立刻关闭电源。2）输出波形出现底部失真。原因是更换器件之后忘了打开电源。方法：打开电源3）调试中发现译码器输出有多个低电平。原因：经排查，是由于面包板内部某区域中出现短路。四、总结(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：问题1：首先遇到的问题是，在处理交流电的时候，如何将信号的峰峰值保持下来，因为一个信号的增益值是固定的，不应该随着信号幅度的改变而改变。最先想到的方案是使用数电器件，将比较器输出的结果用触发器锁存，每次电压超过设定值便会锁存一次，再将触发器结果输出给模拟开关。但是这样的缺点是当由大信号切换回峰峰值小于1V的信号时，触发器不会自动清零。导致增益值始终停留在之前的档位。目前采用的方案是，先将交流信号通过整流电路转化为整理信号，再给电容单向充电，即可保证电容两端始终保持信号的峰值电压，在整流时再加上放大两倍的功能，就得到了峰峰值。将峰峰值接至基本要求的电路即可。问题2：原来所用的精密整流电路电容为100uF，在验收时老师从高压向低压调节，会出现峰峰值小于0.5V时候10档无法自动切换的问题，而从下往上调节无此问题发生。分析知，这是因为为保证整流波形稳定使用了大电容，而大电容放电慢，换一个10nF的电容即可。(2)总结设计电路和方案的优缺点：优点电路较为简单，设计模块清晰，并且提高部分都只需在原来基础部分的基础上加一些新的功能即可，可以说基础部分的兼容性较强。缺点缺点还是有很多，比如电压较大（增益很小）时，出现毛刺现象未能得到解决，并且此时的增益与理想结果偏差也较大，分析原因，一是所用电阻本身的误差和模拟开关的电阻，而当电阻阻值较小，增益为十倍时反馈电阻仅为1k，此时电阻本身的误差和模拟开关的电阻在其本身的阻值中占较大比重，导致误差很大。另外毛刺的出现也有示波器的一些原因。(3)指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：本实验分为两个部分，也分别对应了两个部分的考察和锻炼。基本要求主要考察增益自动切换功能的实现，提高要求则主要考察对交流信号的峰峰值的提取。改进意见：增加数电部分，锻炼学生的数模转换能力，数电部分可用数码管显示电压等等。(4)实验的收获和体会：实验中，主要的收获不是完成某个功能，而是抽象之后的解决这类问题的思想。例如上文反复提及的数电和模电的相互转化，在实验之前是完全无法想象到这些问题的。只有在设计，调试，思考之后才能发现问题的根本所在，提出正确的解决方案。然而，实验中更为重要的是解决问题的方法，这种方法不再局限于某个电路甚至不再局限于某个学科，而是一种更抽象的更广泛的能力。同时，实验锻炼了电路查错的能力，因为在EDA仿真中是理想状态，现实中有很多不确定因素。并且，自己动手搭建一个能产生漂亮波形的电路本身就是件愉快的事情。