电子技术课程实验报告数控增益放大器.docx

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电子技术课程实验报告数控增益放大器

一、设计目的

1、了解并掌握电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。

2、通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；进一步掌握电子仪器的正确使用方法。

3、学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计。

4、初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能。

5、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

二、设计内容及要求

1、任务

设计并制作1个数控增益放大器。

2、基本要求

1）设计一个数字控制增益的放大器，要求在控制按键的作用下，放大器的增益依次在1~8之间转换。

2）用LED数码管显示放大器的增益。

3、主要元器件

包括：

74LS283，74LS48，74LS160，74LS04，LF412，CC4051。

三、设计方案

可选择同相输入比例放大器，其电压增益为

如果取R1＝10kΩ，则可以通过改变R2实现增益的改变，当R2=0时，Auf＝1；当R2＝l0kΩ，Auf＝2；当R2＝20kΩ，Auf＝3；依次类推，当R2=70kΩ,Auf＝8。

为达到放大器增益数字控制的目的，可由数据选择器和电阻构成数控电阻网络，代替图中的R2，通过改变数据选择器的地址编码，实现数控电阻的目的。

设计原理图（包括电路各部分的功能）：

根据数控增益放大器功能要求，最终设计方案将电路分为以下几部分：

（1）信号产生及观测部分：

实现信号的输入与增益的观测

（2）放大电路部分：

实现信号的增益放大功能

（3）放大倍数输入及控制部分：

实现增益放大倍数的手动自由控制

（4）放大倍数显示部分：

实现放大倍数的显示

在实际电路接线中，由于异步计数器芯片的缺乏，采用一个同步计数器来代替，实现放大倍数0~7的显示。

四、本人负责的部分

（1）设计电路实现增益放大倍数的输入、控制与显示。

（2）实际接线中设计、检查74161同步计数器与其他部分的接线；调试过程中部分问题的发现与排除。

设计过程及遇到的问题：

整个设计过程我先后使用了以下三套设计方案，

（1）最初确定使用74LS283四位加法器实现放大倍数的显示比输入到模拟开关的数值+1，如图

使用加法器可以方便地实现显示放大倍数比输入地址+1的功能，接线简洁，所需芯片数量少，芯片功能简单易懂，可大大地减少工作量，但由于实验室没有74LS283加法器，我不得不更换其他方案。

（2）采用两片74161同步计数器代替加法器实现放大倍数的输入、控制与显示，如图，

左边的计数器输出信号引入到模拟开关的输入端，两片同步计数器采用同一个脉冲信号，在第一个计数循环，两片计数器均从0计数到8；之后左边的计数器反馈置数为0，右边的计数器反馈置数为1，从而第二个计数循环，右边的计数器总比左边的计数器输出超前1，实现放大倍数的显示比输入到模拟开关的数值+1。

该方案只需一个开关控制脉冲，操作较方便。

然而，接下来的测试中，我发现其存在很大的漏洞。

进入第三个计数循环之后，实际放大倍数为1时，显示却为2；实际放大倍数为2时，显示却为3……下面我来分析一下为何会发生此类问题。

使用该方案只有在第二个计数循环能实现+1功能，进入第三个循环之后则会发生错位。

因为进入第二个循环左边计数器的循环为0000-0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000，而右边计数器循环

0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-0001；此时可以正常地完成显示+1功能。

下面进入第三个计数循环：

左边计数器的计数循环为0000-0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-0000，右边计数器为0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-0001-0010-0011。

左边计数器循环模长为9，右边计数器循环模长为8，同样，接下来每经过一次循环就会发生一次错位，因此在第二个循环之外的其他计数循环都会发生错位，而且每过八个计数循环才能出现一次所需要的正常的计数过程。

两个计数循环模长不等是造成错位问题的根本原因，也正是我在设计过程中所忽略的一点，这使得该部分的操作、观测变得极为繁琐，而无法完整地、稳定地实现显示+1功能。

由于上述问题，我不得不放弃该方案，不过该方案也为我接下来的设计提供了基本思路，我只需针对这些错位问题做些改进。

（3）最终设计方案：

采用两片74193异步计数器代替74161同步计数器实现放大倍数的输入、控制与显示，如图，异步计数器只需置数端达到有效电平无需脉冲到来就能完成置数，这个特点对于我的设计非常有用。

与方案

（2）一样采用一个开关控制脉冲，另一个开关在电路运行瞬间断开，稳定运行时闭合，中间使用一个反相器将输入信号同时导入两个芯片的置数端，左边的计数器进行0~7计数循环，右边计数器进行1~8计数循环，两者循环模长相等，不会发生错位。

当然，该方案也并不完美，还有可以改进的地方，例如置数开关可以简化或省略，采用其他手段简化或减少一个计数器等等，由于个人能力有限以及时间较为紧张，仅做到了这种程度，但这已经可以很好地完成所需的功能。

五、仿真设计结果

1、仿真电路图

由仿真电路图，根据电路各部分的原理和功能，将整个电路分为四部分：

（1）信号产生及观测部分

该部分包括一个信号发生器和一个双踪示波器。

由信号发生器产生相应的一定频率、幅度和波形的信号输入到放大器同向输入端，示波器分别连接到同相输入端和输出端，同时观测并对比两端的波形。

（2）放大电路部分

该部分包括LF412运算放大器、ADG408（实际接线采用CC4051）八位模拟开关、一个1

电阻、七个1

电阻串联。

一个1

电阻R1通过运放反向输入端接地，由运算放大器虚短特性，反向输入端与同向输入端电压相同。

当八位模拟开关接收到某个二进制信号，控制相应的那个开关接通，其余开关断开，将N个1

电阻从运放方向输入端到输出端接入电路，从而控制电阻R2的阻值，实现输出信号为输入信号的N+1倍。

（3）放大倍数输入及控制部分（该部分由本人设计）

该部分由一个74193异步置数计数器、一个74LS04反相器和一个开关组成。

该异步计数器为脉冲上升沿触发，开关每次断通则输入一个上升沿脉冲，则放大倍数加一，当计数器输出二进制数为1000时，反相器输出高电平，立即反馈清零，1000值停留很短时间就瞬间跳变为0000，因此该计数器输出到八位模拟开关的二进制信号为000—001—010—011—100—101—110—111—000的循环，增益放大倍数为1-2-3-4-5-6-7-8-1的循环。

（4）放大倍数显示部分（该部分由本人设计）

该部分由一个异步计数器、一个显示器和一个开关组成。

在整个电路运行之初，开关断开，计数器直接置数到0001，显示器显示放大倍数为1；然后开关闭合，电路进入正常运行，该计数器和倍数输入控制部分的计数器共用同一个脉冲和同一个置数信号，实现两个计数器同时计数和同时置数，该部分的计数器输出到显示器的二进制信号为

0001—0010—0011—0100—0101—0110—0111—1000—0001，始终比前一个计数器+1，从而实现增益放大倍数显示的功能。

2、仿真测试结果（列举增益放大倍数分别为1、3、8时的仿真测试结果）

（1）增益放大倍数为1时示波器与显示器结果

（3）增益放大倍数为3时示波器与显示器结果

（8）增益放大倍数为8时示波器与显示器结果

由仿真测试结果，每组均存在7~9mV的固定误差，据分析，是由于ADG408芯片内部存在117欧姆的热敏电阻（见ADG408芯片详细信息），使实际接入电路的电阻比理论上大，导致了这样的固定误差，该误差在允许范围内，因此该仿真电路能够较精确地完成增益放大的功能。

六、硬件成品及调试结果

1、硬件电路成品照片

硬件电路工作原理与仿真电路基本一致，不同之处在于：

由于元器件的缺乏，使用一片74161计数器代替两片异步计数器实现放大倍数的输入控制与显示，该同步计数器采用与非门实现反馈清零；同时译码器和显示器分为两部分来连接，显示的放大倍数为0、1、2、3、4、5、6、7。

2、调试结果

【正弦波信号测试结果】

（列举放大倍数为1、2、7时的测试结果）

（1）增益放大倍数为1时调试结果

（2）增益放大倍数为2时调试结果

（3）增益放大倍数为7时调试结果

【直流信号调试结果】

接线完毕，向输入端输入100mV直流电压，用直流毫伏表表测量结果如下

输入电压0.100V

增益倍数

1

2

3

4

5

6

7

8

输出电压（V）

0.116

0.219

0.320

0.423

0.524

0.624

0.727

0.825

由表中数据，每组输出电压均存在比理论值高出20mV左右的固定误差。

对电路进行重新接线并固定好之后，再测得一组数据如下

输入电压0.100V

增益倍数

1

2

3

4

5

6

7

8

输出电压（V）

0.114

0.215

0.313

0.413

0.514

0.613

0.713

0.814

此时实验数据仍存在固定误差，但减小为14mV左右。

分析可能导致误差的原因：

（1）由资料可知，CC4051内部存在100欧姆左右的热敏电阻，造成实际放大倍数比理论值偏大，该影响不可忽略且在实验中难以消弱；

（2）导线、元器件管脚与面包板接触不良，导致线路电阻增大，统一造成实际放大倍数比理论值偏大，该影响不可忽略，但可以通过固定结实接线使之接触良好的手段来尽量减小；

（3）实际运算放大器无法达到理想的虚短，以及其他元器件对电路也会产生微量的影响。

正是这些原因导致了硬件电路的误差比仿真电路误差大，因此在调试硬件电路时应更加细心。

3、调试过程中遇到的问题

硬件接线完毕后，拿到实验台上调试，首先我遇到了以下两个问题：

（1）无论如何调脉冲开关，示波器显示的输出波形都不正常，输出端口电压幅值很大；

（2）无论如何调脉冲开关，显示器都无任何显示。

针对问题

（1），输出波形不正常，问题出在信号发生和观测部分、放大电路部分；此外，也可能计数器不能正常地输入到地址端，但经其他组员检查计数器和与非门功能正常，于是排除了这部分问题的可能。

然后独立检查这两部分：

信号发生器可以产生稳定的正弦波，示波器可以正常显示，于是排除这部分，于是问题出在放大电路部分。

经检查测试，运算放大器LF412功能正常，各电阻阻值正常，接线牢固，因此可以将问题锁定到CC4051芯片上。

由输出端口电压很大，可知运放的反向输入端和输出端始终断路，CC4051模拟开关并未实现选择功能。

接下来单独检查CC4051芯片，按照之前的接法，输入输出端出问题的可能性不大，因此估计使能端的实际正确接法与之前查询资料上的接法有所出入。

经过对各使能端所接电源的不断调试，最终发现了正确接法：

管脚16VDD接+5V，管脚7VEE接模拟信号地-5V，管脚8VSS接数字信号地0。

改变了接法之后，直接用高低电平开关向CC4051地址端输入二进制数，发现可以正常工作，整个运算放大电路也可以输出正常的波形了。

针对问题

（2），前面已测试过计数器和与非门正常，而且经其他组员检查测试得出译码器功能正常，因此可以肯定问题出在八段共阴显示器上。

为了排除面包板接触不良的原因，把显示器拿下来单独测试，两个使能端接地，用连接+5V电源的导线触碰其管脚，显示器没有任何显示，可知显示器内部出现故障。

于是换了一个显示器，经检查各管脚均正常显示，通过译码器连接到计数器上同样可以正常完成从0到7的显示了。

七、小结和收获

经过十天的课程设计实践，我和其他组员共同合作完成了数控增益放大器的课题。

通过本次实践，我了解了电子电路设计的基本思想，熟悉了一些基本元器件的功能，锻炼了自己独立设计的能力，增强了合作意识。

我们小组每人都完成了各自的任务分工，完成了整个课程设计。

在本人所负责的部分设计过程中，我遇到了很多问题，都利用所学的理论知识分析、解决、改进，从而完成了自己的任务，通过不断地仿真测试和硬件调试实现了放大倍数的输入、控制与显示功能。

通过对遇到问题的分析解决，我发现硬件调试过程比软件仿真具有更大的难度和工作量，很多问题都是很小的细节造成的，任何所谓低端的失误都有可能使整个电路无法正常工作，需要反复地重新接线、测试才能发现并解决。

我们起初先接好整个电路进行整体测试，发现问题之后又要拆掉分部检查，增加了很多工作量。

因此，调试过程中最好先检查每个元器件的功能是否正常，再检查电路的各个部分能否实现所需的功能，最后将各个部分连接起来进行整体电路的调试。

这样从部分到整体的调试方法，便于发现各个部分的问题并及时解决，提高工作效率。

本次课程设计培养了我严谨的作风，掌握了科学的方法，这对我们今后的工作学习都有着重要意义。

八、致谢

感谢学院为我们本次课程设计提供了物质条件，感谢指导老师对我的引导和帮助，感谢本小组其他成员在工作上的配合和合作。

九、参考文献

《电子技术基础数字部分》主编康华光

《电子技术基础模拟部分》主编康华光

《电子技术基础实验指导书》主编王鲁杨