可编程数控增益放大器的设计与制作.docx

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可编程数控增益放大器的设计与制作

作者:

徐继业

[摘要]

当接通电源时，220V电压经过桥式整流、滤波电容、稳压二极管等转化为正负15伏电源，给放大器供电，本文主要介绍用计数器控制放大器的放大增益的不同，从而得到想要的放大倍数。

就是给计数器脉冲使计数器计数，同时在四个数据输出端输出不同的状态经反相器和模拟开关使对应输出端的电阻工作，给放大器一个输入信号，由前面的工作电阻的大小决定了输出放大增益的大小。

我们使用的芯片有：

放大器UA741、模拟开关C4066、计数器74LS161、反相器74LS04。

[关键词]

数控增益16放大

一、设计思路、方案对比与选择

1、设计思路

数控增益放大器是计算机控制模拟系统中经常用到的，要做出这样的增益放大需找一个切合实际的题目，题目的选择是做增益放大的关键。

我们做的是用放大器来实现增益，我们所选的放大器是uA741。

首先给放大器一个信号。

然后再用4个不同阻值的电阻。

让它们进行不同的并联，使其产生不同的变化，出现不同的阻值。

要实现这样的变化，我在前面使用了16进制的计数器来实现，它可以产生16种不同的状态。

计数器的工作是用一个开关来实现，用一个开关给它脉冲让它产生16种不同的状态。

计数器从Q0Q1Q2Q3出来的初始状态我们设置为0000，以后每次摁一下后面就加1。

直到计数器出现1111时，是计数器的最后一种状态，也是这个电路增益到最大的值。

然后依次循环。

在计数器后面我加了个反向器，这个反向器的作用是因为，在反向器后面需要一个4066的模拟开关，要使这个开关工作，必须先要给它一个高电平才可以来使模拟开关工作。

我们这个电路是需要低电平才可以工作，这样就必须使用一个反向器。

让模拟开关的一端接入高电平，高电平进入反向器转化低电平，这样就可以使整个电路处在工作的状态。

整个电路的计算可以用公式来计算，这个放大的倍数在于放大器2、6脚的电阻，我们所选的是100K。

公式为：

AV=1+R7/Rx，当计数器出现0001时，它的放大倍数为11倍：

AV=1+100/10=11。

当Q0Q1Q2Q3出来的是1111时，是我这个电路出现的最大值为27倍：

AV=1+100//10+15+20+25=27。

2、方案对比与选择

方案1

在这电路图中主要是运用开关来控制16种不同的增益。

主要的控制方法用函数信号发生器接Ui，给它一个信号。

然后进行开关的闭合，4个不同阻值的大小进行了并联。

使其不同的开关闭合，出现不同的阻值，例如：

当S1闭合，它的放大倍数应为：

1+100/10=11。

从而产生16种不同的现象

如图1所示

图1

方案2

这种方案是给Ui一个信号，再运用了单个开关给计数器一个脉冲，使其产生16种不同的状态。

当为高电平的时候，经过反向器转化为低电平，二极管导通，使其电路工作。

例如：

当计数器输出为1111的时候，公式：

AV=1+R7/Rx则Av=1+100/10//15//20//25≈27

如图2所示。

图2

方案3

这个方案给Ui一个输入信号，运用单个开关触发给计数器一个脉冲，使其计数器工作。

输出16种不同的状态，然后达到不同的增益效果。

计数器输出的状态通过反向器，由高电平转低电平，由低电平转到高电平。

当进入反向器为高电平的时候，模拟开关4066导通。

4个不同阻值的电阻进行任意并联，产生16种不同的增益。

例如：

当计数器输出的是1100的时候，电阻R4和R5并联。

由AV=1+R7/Rx得：

AV=1+100/20//25=10

如图3所示：

图3

方案1这个方案它是用了4个开关来实现，这样也可以做出增益放大器。

但这不符合我所选的题目，没有达到我们题目的要求，所以我们不选此方案。

方案2这个方案用一个开关给计数器脉冲，使计数器产生16种不同的状态。

这个方案完全达到我们题目的要求，但这个电路最大的缺点是二极管2AP9有个门限电压，它不可以对小信号进行放大，这是这个电路的最大缺点，所以我们不选这种方案。

方案3这个方案是用一个开关给计数器脉冲来促使计数器工作，让计数器输出16种不同的状态，这个方案和第二个方案唯一的不同点是，我们用的是4066的模拟开关来实现。

它的最大好处就是可以使大小的信号都可以放大。

所以我们选择了这种方案。

本课题还可以利用单片机来实现,但是由于学校条件有限和我自身在编程方面的薄弱基础,加上使用单片机做本课题显的大材小用了,综合多方因素考虑,所以不采用此方案,在这里也不详细描述了。

二、单元电路设计与计算

1、电路原理方框图如图4所示：

计数部分

反相器

模拟开关

放大部分

输入脉冲

信号输入

信号输出

图4

2、单元电路介绍（元器件芯片）

2．1计数器

在电子计算机和数学逻辑系统中，计数器是最基本的部件之一，它能累计输入脉冲的数目，就像我们数数字一样，如来的时钟脉冲的宽度一定时，计数器就成了定时器，在自动化控制等许多方面有不可替代的作用。

根据电路逻辑设计的不同，计数器可以进行加法计数，这样做比较符合人们的习惯；计数器也可以进行减法计数，这种方法在定时控制中用得比较多，或者可以进行两者兼有的可逆计数。

计数器是数字系统中应用场合最多的时序电路,它不仅能用于对时钟脉冲个数进行计数,还可以用于定时\分频及数字运算等。

2．1．1分类

计数器的种类繁多,从不同角度出发,有不同的分类方法:

按计数器中触发器翻转的时续异同分,有同步计数器和异步计数器,同步计数器中各触发器均采用同一个CP脉冲触发,而异步计数器中各触发器的CP在两个以上。

按计数器的功能,即其数字的变化规律分,有加法（递增）计数器\减法（递减）计数器和可逆（加法\减法）计数器。

按计数体制来分,有二进制计数器\二--十进制计数器（或称十进制计数器）\任意进制（或称N进制）计数器。

如果构成计数器的触发器个数为n,二进制计数器在计数脉冲作用下,有效循环的状态数为个;十进制计数器有效循环的状态数为10个;状态数不等于2n和10的,就是任意进制了。

2．1．2四位同步二进制计数器74LS161

74LS161是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十六进制上升沿计数器,各脚功能见表1、管脚图见图5

表1

序

号

输入

输出

清零

使能

S1S2

置数

时钟

并行输入

DCBA

QAQBQCQD

↑

d 0

d 1

d 2

d 3

d 0

d 1

d 2

d 3

↑

计数

保持

控制端的作用简述如下：

（1）清零。

Cr是具有最高优先级别的异步清零端，当Cr=0时，不管其他控制信号如何，计数器清零。

（2）置数。

当Cr=1时，具有次优先权的为LD，当LD=0时，输入一个CP上升沿，则不管其他控制端如何，计数器置数，即QDQCQBQA=DCBA。

（3）计数。

当Cr=LD=1时，且优先级别最低的使能端S1=S2=1时,在CP上升沿触发下，计数器进行计数。

（4）保持。

当Cr=LD=1时，且S2和S1中至少有一个为0时，CP将不起作用计数器保持原状态不变。

图5

2．2六反相器74LS04

参数:

电源电流最大值6.6mA

传输延时时间tPLH≤15nstPHL≤15ns

74LS04真值表：

见表2

表2

74LS04管脚图：

见图6

图6

2.3双向模拟开关4066

双向模拟开关4066包含了四个独立的双向模拟开关,开关状态由逻辑信号CONT控制。

当控制信号为高电平时,对应开关的输入与输出间等效为一个几十欧姆的电阻,也就是说该开关闭合。

反之,当控制信号为低电平时,对应开关关断。

下图为模拟开关4066管脚图：

见图7

图7

主要参数:

1、电源电压范围VDD-VSS=3～18

2、导通电阻Ron:

60～80Ω,最大值为240Ω

3、在电源电压为15V,RL=10K的条件下,四个模拟开关的Ron的差异不大于5Ω

4、传输信号的上限频率:

40MHz

5、关断时输入输出间漏电流:

0.1nA～0.1uA,其值随输入输出间电压的增大或器件温度的升高而增加。

6、平均传输延时时间tpd约40ns。

增大电源电压可使tpd下降

7、控制端逻辑电平值VE:

电源电压为5V时,VEL≤1V,VEH≥3.5V。

电源电压为15V时,VEL≤2V,VEH≥11V。

8、4066功能表：

见表3

表3

输入C

开关状态

导通uo=ui

注:

Z为高阻态

2.4集成运算放大器

运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。

它首先应用于电子模拟计算机上,作为基本运算单元电路,可以完成加减、积分\微分\乘除等数学运算。

由于它能将信号进行各种组合和实现各种不同功能的运算处理,加上集成化技术的提高,它的性能更加理想,在自动控制系统和测量装置中,也有广泛的应用。

目前运算放大主要以集成电路的形式出现。

2.4.1分类

集成运放根据其用途特点可分为通用型运放和专用型运放。

通用型运放包括F741\F747\LM324等,价格便宜,使用方便,可用作一般的模拟信号放大器和反馈放大器\信号产生电路和有源滤波电路等。

专用型运放种类很多,根据各种特殊需要而设计,大致有:

（1）低功耗集成运放,如F253\F012\F013。

（2）高精度集成运放----漂移和噪声非常低,增益和共模抑制比非常高的运放。

包括OP07\F032\F714等。

（3）高输入阻抗集成运放。

采用场效应管构成的高输入阻抗集成运放,其输出阻抗可达1012Ω数量级。

（4）高速集成运放（如LM318）,可用于A/D\D/A转换\有源滤波\模拟乘法器等。

另外还有高压集成运放,可以解决高输出电压或高输出功率的要求。

按封装类型可分为单运放集成块（741系列）\双运放集成块（LM358）\四运放集成块（LM324）等。

按功率分类,有微功耗型和大功率型等等。

2.4.2反相比例运算电路

如图8所示,输入信号ui经输入外接电阻R1送到反相输入端,而同相输入端通过电阻R2接地。

反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间,形成电压并联负反馈。

根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:

流入放大器的电流趋近于零,i+≈i_≈0,反相输入端与同相输入端电位近似相等,u_≈u+得:

所以ui-u_/R1=u_-uo/Rf;即ui/R1=-Rf/R1故闭环（引入反馈后的）电压放大倍数为式中负号表明输出电压与输入电压相位相反。

他们的关系是比例放大的关系只要R1和Rf的阻值足够精确,就保证了比例运算的精度和工作稳定性,与三极管构成的电压放大电路相比较,显然用运算放大器设计电压放大电路既方便,性能又好,更有意思的是它还可以按比例缩小。

图中的R2是一个平衡电阻,其作用是为了使两个输入端的外接电阻相等,从而保证输入级差分放大电路的偏置电路对称。

R2=R1//Rf特例:

当取R1=Rf,可得uo=-ui,称为反相器。

图8

2.4.3同相比例运算电路

如图9所示,输入信号ui通过外接电阻R2输入送到同相输入端,而反相输入端经电阻R1接地。

反馈电阻Rf跨接在输出端和同相输入端之间,形成电压串联负反馈。

根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:

反相输入端与同相输入端电压相等,u_≈u+≈ui流入放大器的电流趋近于零,i+≈i_≈0得:

ii=if+i_≈if由图可列出0-u_/R1=u_-uo/Rf;即-ui/R1=-（ui-uo/Rf）解之uo=（1+Rf/R1）ui闭环电压放大倍数为Auf=uo/ui=1+Rf/R1可见uo与ui间的比例关系也可认为与运算放大器本身无关,只取决于电阻,其精度和稳定性非常高。

注意到Auf为正值,这表示uo与ui相同,且Auf总是大于或等于1,即只能放大信号,这点与反相比例运算电路不同。

另外,在同相比例运算电路中,信号源提供的信号电流为0,即输入电阻无穷大,这也是同相比例运算电路特有的优点。

当R1=∞（断开）或Rf=0时,则Auf=uo/ui=1输出电压与输入电压始终相同,这称为电压跟随器,我们在讨论射极输出器时提到过,电压跟随器放在输入级可减轻信号源的负担,放在两级电路的中间,可以起到隔离电路的作用。

图9

2.5通用型集成运算放大器F741（F007、UA741）

UA741的共模输入电压范围宽，即使信号幅度超过共模输入范围也不会引起阻塞和自激振荡。

同时内部有频率补偿措施，因此不需外接补偿电容。

另外，UA741的输出有过载保护，长时间的的输出短路也不会损坏元器件。

使用中若要调零，可在两调零端间接一电位器，并把动端接电源V-来进行调零调节。

1.UA741为通用型集成运放,主要技术指标为:

开环电压增益80dB以上,差模输入电阻不小于1MΩ,输入偏流小于50uA,KCMR大于86dB。

2.双列直插式UA741管脚如图所示

图中,管脚按逆时针方向排序,①脚、⑤脚为调零电位器;②脚为反相输入端;③脚为同相输入端;⑥脚为输出端;④脚为负电源;⑦脚为正电源;⑧脚为空脚。

UA741通常采用双电源供电,电源电压为±12V～±15V。

三、安装、调试与故障分析

在经过一个周的查阅大量的资料后，我们在接下来的2周里进入了安装和调试阶段，在安装过程中我们遇到的困难不多，主要的就是对元件的不熟悉，导致电路的安装错误。

在进行长时间的安装过程中对元件的了解取的了大量的知识。

安装好电路后，我们开始了调试。

接通电源，看到了吓人的场面，我们的放大器741发生了爆炸，这是我们在安装好后第一次的调试，这也我们在整个调试过程中遇到了第一个大难题。

经过多次的反复观察，发现原来是放大器的引脚接错了，在老师的指导下，我们又对放大器进行调零电路的装接。

最终放大器工作了，这是我们整个电路中的一部分。

放大器的安装好后，我们进行了下一步工作。

在开始的时候我们选用的是在计数器的前面加一个555定时器，让555定时器产生的脉冲输入计数器。

在555定时器的调试中，我们一直无法使其出现方波。

这就是不能给计数器脉冲，这样就使计数器无法工作了，在进行反复的实验还不能完成。

在老师的提议下，我们选择了用一个开关来给计数器脉冲。

这就完成了计数器的16种状态的问题。

在弄好整个电路后，我们给放大器一个输入信号，输入的电压为：

0.5V。

然后观察现象和测量数据了。

在观察现象时，我们的电路出现了一个很大的错误。

就是我们的电路不能对小信号进行放大，这就是我们的数据无法得出，也看不现象。

这是我们在整个电路中遇到的最大困难，不能对小信号进行放大，这就表明我们的电路是一个很不完整的电路。

在对整个电路进行大检查和老师的帮助下，我们得到了原来是二极管2AP9的问题，这个二极管它有一个缺点是不能放在我们的电路中，二极管2AP9它具有的门限电压导致了我们的电路不能对小信号进行放大。

在老师的帮助下我们换二极管2AP9，用4066的模拟开关来替代二极管。

这样可以对小信号也能够放大，这就符合了我们题目所要求的。

在经过反复的调试，故障的一一排除，我们终于看到了现象。

在完成了调试工作后，在稳定的现象下，我们测出了数据，具体见表4：

表4

Q3Q2Q1Q0

1+R7/Rx

理论值

输入电压

输出电压

实际增益

0000

∞

0.5V

0001

0.5V

5.5V

0010

7.67

0.5V

0011

15//10

17.67

0.5V

12V

0100

0.5V

0101

20//10

0.5V

0110

20//15

12.67

0.5V

6.5V

0111

20//15//10

22.67

0.5V

11.5V

1000

0.5V

2.5V

1001

25//10

0.5V

7.5V

1010

25//15

11.67

0.5V

1011

25//15//10

21.67

0.5V

11V

1100

25//20

0.5V

1101

25//20//10

0.5V

10V

1110

25//20//15

16.67

0.5V

8.5V

1111

25//20//15//10

26.67

0.5V

13.5V

注:

Rx为反相端对地电阻R2～R5的阻值或某种并联的组合。

四、心得体会

时至今日，几个礼拜的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，其中有苦也有甜，乐趣尽在其中！

没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结。

但是通过这次做毕业设计发现自己的看法太片面。

毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。

第一，接到任务以后进行方案选择。

这就好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的。

如果是错误，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。

所以方案的选择很重要。

第二，方案确定后就是找资料了。

查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。

总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的方案也大概有了一些了解，综合已有的资料来更透彻的分析题目。

第四，有了研究方向，就应该动手实现了。

一步步地做下去之后，发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。

论文完成了，预示我们真的要毕业了，面对人生的选择，明天是个不可逃避的东西，我想我一定会成为一个全新的我，继续认真、踏实的走我自己的人生之路。

面对生活，我们没有退路，我们仍然年轻，我们还可以激情万丈，生活是实实在在的，每一个人都很普通，很平凡。

梦想就像天空里可以远飞的风筝，但追求过高也难免于飘零。

所以，还是脚踏实地的好，我们应该明白，峰回路转，两岸的风景在变，可水仍是水，生命的舟楫，最终还是握在掌舵人的手里。

多少支歌唱过，多少首诗写过，又有多少人经历过？

不必惶恐，也不必惊讶，生命总是会给我们答案的。

致谢

在此要感谢我的指导老师刘兴胜老师对我悉心的指导，感谢杨毅德教授、史保华主任给我的帮助。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

忠心的向你们说声：

谢谢你们老师你们辛苦了！

！

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