实验2 增益自动切换电压放大电路的设计.docx
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实验2增益自动切换电压放大电路的设计
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）：
专业：
姓名：
学号：
实验室:
实验组别：
\
同组人员：
\实验时间：
2011年4月14日、21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
设计一个电压放大电路，能够根据输入信号幅值自动切换调整增益。
设输入信号频率为0～20KHz，其幅值范围为0.1～10V（峰峰值Upp）。
电路应实现的功能与技术指标如下：
1.基本要求
当输入为直流信号时，要求设计的电路达到以下要求：
（1）当
<0.5V时，电路的增益约为10倍。
（2）当0.5<
<3V时，电路的增益约为1倍。
（3）当3<
<10V时，电路的增益约为0.1倍。
2.提高要求
当输入为交流信号时，根据输入电压的峰峰值大小，电路增益仍满足基本要求。
3.发挥部分
（1）对输入电压值分档再细化；
（2）增益值的显示。
分析项目的功能与性能指标：
功能：
1）针对不同幅值的信号，进行不同增益的放大。
当
<0.5V时，电路的增益约为10倍；当0.5<
<3V时，电路的增益约为1倍；当3<
<10V时，电路的增益约为0.1倍。
2）对于交流信号，不同增益根据峰峰值划分。
3）用数码管显示增益。
性能指标：
1）实现功能要求，放大尽量精准，即尽量减小误差。
2）微调信号幅值跨越临界值（本实验中为0.5V和3V）时，盲区尽量小，即尽量做到增益的立即转换。
3）保证输出信号的稳定性。
二、电路设计
（1）电路设计思想（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基本要求：
将直流信号的大小与0.5V和3V进行比较，不同的比较结果对应不同的放大倍数。
比较部分可由比较器完成（0.5V和3V由电阻分压得到），放大要求可由同相放大器或反相放大器完成（这里考虑到反相放大器实现小于1的增益可能引起运放的不稳定，故采用同相放大器，这样也无需再加反相器进行反相）。
不同的放大系数是由反馈电路上的电阻阻值决定。
这样可用CD4052根据不同的比较结果选择不同的反馈回路。
另外一个问题是利用同相放大器无法实现0.1倍的增益，这样在放大之前进行十分之一的分压再进行1倍的增益，效果是等价的。
这样，若幅值大于3V，则把分压后的信号输入放大器，若小于3V，则直接输入放大器，此要求仍可由CD4052实现。
2）提高要求
与直流相比较，交流的关键问题是用哪个参数与基准电压进行比较？
平均值？
方均根值？
最大值？
峰值？
峰峰值？
这就需要一个整流电路，输入此交流信号，输出幅值为此参数值的直流信号，再进行比较放大（归于基本要求部分）。
既然实验要求为峰峰值，这就需要进行得到峰值检测电路。
此电路可根据二极管的单向导电性和电容的保持特性设计。
本实验根据峰峰值决定放大倍数：
0-1V，放大10倍；1-6V，放大1倍；6-10V，放大0.1倍。
3）发挥部分
在发挥部分设计了一个增益显示的功能。
想用实验箱上的两位数码管进行显示，由于中间小数点无法点亮，故用一个LED灯代替。
增益显示的控制信号仍然是比较单元的两位比较结果。
但由于输出的比较结果不满足数字信号的电压要求（输出比较结果大约为±13V，而数字信号低电平一般在0-0.5V，高电平一般在3-5V）。
因此此部分的一个关键是由模拟信号转换为数字信号。
主要有两点考虑：
一是电压过高，简单用电阻分压即可；二是比较输出为负时需转换为数字信号中的0，需用到二极管的单向导通性质。
再进行一些数字逻辑运算即可通过简单的门电路实现响应增益的显示。
（2）电路结构框图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基本要求：
分为比较单元和放大单元两大部分，其中放大单元的反馈回路需要一个通道选择单元：
如下列框图所示：
2）提高部分：
与基础部分相比较，交流信号的区别是需要一个峰值保持电路。
框图如下：
3）发挥部分
（3）电路原理图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基础部分
根据框图分别设计电路图：
比较单元：
放大单元
通道选择单元
综合上述各单元电路，得到总的电路图如下：
2）提高要求
对于交流信号，需要兵分两路，一路通过峰值检测电路得到峰值并进入比较单元进行比较，另一路进入放大电路作为源信号。
峰值检测电路：
提高部分的总电路图：
3）发挥部分
如上图所示，R8~R11为分压电阻，R12、R13为限流电阻，两个二极管用来将隔负电压，使之为0.
（4）系统工作原理（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基础部分：
直流信号与两个基准电压进行比较，有三种比较结果。
将比较结果输入CD4052的地址端，控制通路。
不同的比较结果对应特定的一条通路，不同的通路即为放大单元的反馈支路，上面挂有不同的电阻，对应不同的放大倍数。
此外，对于增益要求为0.1情况，由于采用同相放大电路，增益不可小于1，故需要将源信号衰减10倍，再使其放大增益为1，其效果是等价的。
这样可通过CD4052的另外一套通道选择电路进行选择，根据比较单元的比较结果来决定是否需要将源信号衰减再输入放大器的同相端。
2）提高部分：
基于直流部分的原理，只需要将交流信号进行峰值检测，整波为直流信号，输入比较电路进行比较，根据比较结果决定反馈回路和同乡输入信号是否衰减。
3）发挥部分
根据比较结果和增益显示的对应关系，列出真值表
A0
A1
Q1
Q0
LED
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
×
×
0
1
1
0
1
1
观察得到Q0=A1,Q1=not（A1），LED=A0（如上面电路图所示）
（5）参数计算和元器件选择说明（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基础部分：
i）用来得到比较基准电压的分压电阻：
R1=48kΩ（20kΩ*2+8kΩ）,R2=10Ω,R3=2kΩ
ii）将源信号衰减十倍的电阻：
R4=9kΩ（8kΩ+1kΩ）,R5=1kΩ
iii）负反馈支路上的电阻：
R6=4kΩ（2kΩ*2）,R7=36kΩ（27kΩ+8kΩ+1kΩ）
2）提高部分：
在基础部分的基础上，加入峰值整流电路的电容和二极管：
电容C=1uF；二极管IN4148
3）发挥部分
在前面基础上，增加：
电阻2k*2,8k*2,100k*2
二极管IN4148*2
（6）列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出）（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基础部分
种类
型号
数量
电阻
1kΩ
3
2kΩ
3
8kΩ
3
20kΩ
2
27kΩ
1
2）提高部分
种类
型号
数量
电阻
1kΩ
3
2kΩ
3
8kΩ
3
20kΩ
2
27kΩ
1
电容
1uF
1
二极管
IN4148
1
3）发挥部分
种类
型号
数量
电阻
1kΩ
3
2kΩ
5
8kΩ
5
20kΩ
2
27kΩ
1
100kΩ
2
电容
1uF
1
二极管
IN4148
3
（7）电路的仿真结果（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1）基础部分
i）直流0.4V
0.4V放大到4V，增益为10；
ii）直流2V
输入为2V，输出2.03V，放大1倍
iii）直流5V
输入5V，输出0.5V，放大0.1倍
iv）动态验证：
输入正弦信号：
利用正弦波的正半部分进行验证：
1部分为0-0.5V，放大10倍，故输出波形有个类似小脉冲的波形；
2部分为0.5-3V，放大1倍，输出同原信号；
3部分为大于3V，放大0.1倍，此部分相对平缓，故输出类似于贴近基准线的一条直线。
2）提高部分
i）峰峰值为0.8V，放大10倍到8V
ii）峰峰值为1.2V，放大1倍到1.2V
iii）峰峰值为5.6V，仍然放大1倍到5.67V
iv）峰峰值为6.4V，放大0.1倍至0.648V
3）发挥部分
i）如图，输入8V，增益为0.1，显示正确
ii）输入4V，增益为1（显示为1，LED灯灭），显示正确
iii）输入0.4V，增益为10，显示正确
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）：
（增益显示部分的电路忘记拍了，只需要增加一片74HC04和若干电阻，二极管即可）
（2）制定实验测量方案：
首先逐个测量各个单元的功能，如对于比较单元，给定输入信号，测量比较结果看是否与预期相符。
然后接入可选择反馈通道的放大器，输入信号，看能否使得不同大小的信号获得不同的增益。
测量直流信号时，先使直流信号通过峰值检测电路，测量输入输出，看能否将交流整为峰值大小的直流信号。
成功后，再将得到的直流信号通入比较单元，将原交流信号通入放大器正相通道，测量输出结果是否与预期相符。
最后调试增益显示部分。
（3）使用的主要仪器和仪表：
电源器：
提供电源；
万用表：
查找故障，测量验证；
示波器：
观察输入输出波形
函数发生器：
提供不同峰值的交流信号
实验箱：
提供数字电源电压，数码管和LED灯
（4）调试电路的方法和技巧：
首先用万用表测量芯片的引脚输入电压是否符合要求，即改接正负电源的是否符合要求，该接地的是否接地等。
都接好后，即为电路提供好了一个工作平台。
之后开始输入特定信号，测量输出信号是否符合要求。
若出现问题，再采用由后向前的方法深入到各个单元分别检测信号输出是否符合理论分析，寻找原因。
（5）测试的数据和波形并与设计结果比较分析：
1）基础部分—直流信号
直流56.3V，在0-0.5V范围内，放大10倍，符合要求。
直流1.13V，在0.5-3V范围内，放大1倍，符合要求。
直流7.58V，在3-10V范围内，放大0.1倍，符合要求。
2）提高部分—交流信号
正弦交流840mV，在0-1V范围内，放大10倍，符合要求。
正弦交流4.08V，在1-6V范围内，放大1倍，符合要求。
正弦交流8.2V，在6-10V范围内，放大0.1倍，符合要求。
3）发挥部分
输入峰峰值为840mV的正弦信号，增益为10，显示正确
输入峰峰值为4.08V的正弦，增益为1，显示正确
输入峰峰值为8.2V的正弦信号，增益为0.1，显示正确（左上角led灯为小数点）。
（6）调试中出现的故障、原因及排除方法：
1）故障1：
CD4052功能测试不正确。
经过万用表的测量，发现地址输入端会出现-11V。
原因：
经过仔细排查，发现忽视了VSS的接地。
VSS为数字信号的接地，在模电实验中很容易忽视。
排除方法：
将VSS接地，再次测量地址端变为-1V左右，功能正常。
2）故障2：
交流调试中，用函数发生器进行峰峰值的递增或递减，当峰峰值跨越基准电压时，盲区很大，即电容放电慢，需等待一段时间才能实现增益的跳变。
原因：
用来保持正弦信号峰峰值的电容太大，容纳电荷能力强，放电充电相对较慢。
排除方法：
换量值小的电容（33uF换为1uF），跳变就很快了，此处体现了选择参数的重要性。
3）故障2：
调试增益显示时，在增益需要为10时，显示却为00
排除方法：
经测量，比较结果为负时，测量二极管正极为-0.8V，负极却为1V左右，导致74HC04的输入为1V（被当作高电平），输出低电平。
而1V不足以点亮数码管，故两个数码管相当于都输入了低电平，都显示0.
后来在二极管两端并联了一个大电阻，情况得到了解决（输入为-0.8V时，输出为0.2mV左右）。
后来猜想可能是二极管的反相电流恰好处于使两端反相压降为-1.8V左右的值，而并联一个电阻可以分担一部分电流，使其处于正常状态。
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：
采用同相放大，如何实现增益为0.1？
分析及解决办法：
既然放大器本身采用同相放大时无法实现增益小于1，那么完全可以在输入放大器之前对信号做处理，使其衰减10倍，再通过增益为1的放大器即可实现放大0.1倍。
由于是否需要输入前衰减也是由比较结果决定，故可利用CD4052的另一套可选择通路实现此功能。
问题2：
如何得到峰值保持电路？
分析及解决办法：
要将峰值保持住，必然要用到电容这一储存元件。
且将峰值保持住以后不容易放电，故用到二极管的单向导电性，使信号达到峰值之后下降时，二极管反相截止，阻止放电。
问题3：
如何进行模拟信号与数字信号之间的转换？
分析及解决办法：
在本实验中的增益显示部分，需要根据不同的模拟信号值进行数码管不同数值的显示，但包括数码管、门电路、led灯在内的器件均需要满足一定范围要求的数字信号，这就需要使模拟电压值通过一定的方法对应到数字上要求的电压值。
幅值上的增减可通过电阻分压实现，负值变0可以利用二极管的单向导通性质实现。
（2）总结设计电路和方案的优缺点：
优点：
很好地利用了理论课中所学元器件的性质；
有很强的灵活性，即可通过改换分压电阻改变基准电压和增益值；
在峰值检测电路后面加一个跟随器，使电路的稳定性大大增强；
实现了增益的显示，直观。
缺点：
交流信号峰峰值由高变低时，需要电容快速放电，故电容需要较小；而由低变高时需要电容快速充电，故电容需要较大；两者需要达到一个平衡，即参数比较难调。
经不断调试，发现本试验中采用1uF的电容较为合适。
（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：
课题的实用价值：
通过CD4052实现可选多通道的功能，基此实现不同幅度信号的不同增益。
于是，对于不关注峰峰值的交流信号，完全可以通过本电路使其放大到一个合适的幅值再进行信号的其他参数的研究，具有广泛的应用价值。
有待改进的地方：
即缺点中所提到的，继续优化电路，克服此处选择电容的矛盾性，使充电放电都达到一个很高的速度。
（4）实验的收获和体会：
i）由于实验前进行了认真的模拟，查阅了包括数据手册在内的相关资料，故整个实验比较顺利，在以后的试验中要继续保持这种好习惯。
ii）虽然已经做了很多实验，但过程中仍出现了没有接地的错误。
以后搭电路时要逐渐养成按照一定顺序和套路搭电路的习惯。
iii）本次实验与以前相比，具有一定拓展性。
这就需要自己查资料，自己想思路，而不是像以前那样按照课本现成的东西搭电路，不具有挑战性和创新性。
此次实验提升了自己设计电路的兴趣，也增添了不少信心。
iv）第一次做包含模拟电路和数字电路在内的实验，而两者结合的关键问题在于数模、，模数信号的转换，虽然在本实验中仅利用电阻分压和二极管实现了模数转换，比较简单，但却让我亲自体会到了其中的知识和乐趣。
五、参考文献
（1）CD4052、ADG409、IN4148的数据手册
（2）教材《电子电路基础》
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