增益自动切换电压放大电路设计.docx
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增益自动切换电压放大电路设计
毕业设计论文
增益自动切换电压放大电路设计
系
专业姓名
班级学号____
指导教师 职称
指导教师 职称
设计时间
目录
摘要2
关键词：
2
Abstract3
第一章前言4
1.1概述4
1.2课题分析4
1.3系统整体方案的设计4
1.3.1设计一个增益可自动变换的直流放大器4
1.3.2设计一个增益可自动变换的交流放大器4
第二章系统的结构设计
（一）5
2.1增益可自动变换的直流放大器设计过程5
2.1.1方案总体设计5
2.1.2单元电路设计5
2.2仿真结果及数据分析：
11
第三章系统的结构设计
（二）12
3.1方案总体设计12
3.2分布设计：
13
3.3仿真结果及数据分析：
15
总结17
致谢18
参考文献19
附录一Multisim10模拟增益可自动变换的直流放大器总的电路图20
附录二Multisim10模拟增益可自动变换的交流放大器总的电路图21
摘要
一种可变增益和时变增益自适应的放大器电路，包括低噪声放大器、数控衰减器、驱动放大器、末级功率放大器、耦合器、检波器、CPU以及A/D转换器，其中信号输入端与低噪声放大器的信号端相连，信号输入端同时与耦合器的输入端相连，低噪声放大器的输出端与数控衰减器的输入端相连，数控衰减器的输出端与驱动放大器输入端相连，同时数控衰减器控制电平使能端与CPU输出端相连，驱动放大器输出端与末级功率放大器输入端相连，末级功率放大器输出端作为信号输出端，耦合器的耦合输出端与检波器的输入端相连，检波器的输出端与A/D转换器的信号端相连，A/D转换器的输出端与CPU的输入端相连。
本实用新型的优点在于：
结构简单，电路稳定、增益调节精度高。
关键词：
电压比较器，模拟开关，138译码器，运放741
Abstract
Avariablegainandtimevaryinggainadaptiveamplifiercircuit,includingalownoiseamplifier,numericalcontrolattenuator,driveamplifier,poweramplifier,coupler,detector,CPUandA/Dconverter,whereinthesignalinputendandthelownoiseamplifierisconnectedtosignalinputendofthesignal,andthecouplerisconnectedtotheinputend,lownoiseamplifierandtheoutputendofthenumericalcontrolattenuatorisconnectedtotheinputend,numericalcontrolattenuatorandtheoutputendofthedriveramplifierisconnectedwithaninputterminal,atthesametimenumericalcontrolattenuatorcontrollevelenableendandCPUconnectedtotheoutputendoftheoutputendoftheamplifier,driverandpoweramplifierisconnectedwithaninputterminal,afinalpoweramplifieroutputsignalasanoutputend,thecouplingoutputendofthedetectorisconnectedtotheinputend,theoutputofthedetectorandA/Dconverterisconnectedtothesignal,theA/DconverterandtheoutputterminalCPUisconnectedtotheinputend.Theutilitymodelhastheadvantagesof:
simplestructure,stablecircuit,gainadjustmentwithhighprecision.
第1章前言
1.1概述
对所学的电子技术基础知识进行一次综合运用，为下一步继续学习专业知识奠定基础。
学生通过本课程设计可以进一步理解模拟电子技术、数字电子技术、电路理论等方面的相关知识，并可综合运用这些知识解决一定的实际问题，使学生在所学知识的综合运用能力上以及分析问题、解决问题能力上得到一定的提高。
1.2课题分析
1.3系统整体方案的设计
1.3.1设计一个增益可自动变换的直流放大器
1、输入信号为0～1V时，放大3倍；为1V～2V时，放大2倍；为2V～3V时，放大1倍；3V以上放大0.5倍；
2、通过数码管显示当前放大电路的放大倍数，用0、1、2、3分别表示0.5、1、2、3倍即可。
3、电源采用±5V电源供电。
1.3.2设计一个增益可自动变换的交流放大器
1、放大器增益可在1倍2倍3倍4倍四档间巡回切换，切换频率为1Hz；
2、对指定的任意一种增益进行选择和保持，保持后可返回巡回状态;
3、通过数码管显示当前放大电路的放大倍数，用0、1、2、3分别表示1、2、3、4倍即可。
4、电源采用±5V电源供电。
第二章系统的结构设计
（一）
2.1增益可自动变换的直流放大器设计过程
2.1.1方案总体设计
1.设计方案：
将设计电路分为三块，即：
电压比较电路，增益选择电路，放大电
路。
电压比较电路：
通过电压比较器将输入电压（vi）与既设定的比较范围比较，确
定其放大倍数；
增益选择电路：
根据译码器和模拟开关的逻辑功能对反馈电阻进得到不同的反馈电阻；
放大电路：
由一般运放构成的负反馈放大电路。
2.电路流程图（图一）：
图1
2.1.2单元电路设计
1.电压比较电路：
如下图（图二）所示：
U2A.U2B.U2C均为电压比较器，工作原理：
当同向输入端的电压值大于反向输入端的电压值时，电压比较器输出为VCC（+5V），反之则为VEE（-5V）。
在数字电路中，大于0V的电压都认为是高电平1，相反为0。
电压比较器的存在使得信号从模拟量转变为数字量，进而加以运算。
工作情况：
输入
输出
Vi
Q2
Q1
Q0
0v～1v
0
0
0
1v～2v
1
0
0
2v～3v
1
1
0
〉3v
1
1
1
图三
2.增益选择电路:
（1）.138译码器：
译码器的功能是将输入的二进制代码翻译成一个表示代码意愿的特定的输出信号。
它是一种多输入，多输出的组合逻辑网络。
74LS138是典型的译码器。
本电路中将电压比较器的比较结果（Q2.Q1.Q0）送给译码器（138）的地址线，
则可根据不同的比较结果对反馈电阻进行选择。
译码器输出所选择的地址，即和输入电压的范围相对应。
74LS138功能表（图五）
由138功能表（图五）及Q2.Q1.Q0的状态可以得到138的输出。
如图（图六）所示：
（2）模拟开关
4066（图七）是一种双向模拟开关，有四个独立控制数字和模拟信号传送的模拟开关。
每个开关有一个输入和输出端，还有一个选通端，当选通端为高电平时，开关导通，反之，则截止。
在设计电路中74LS138的译码输出端有选择的和4066输入端连接，起到反馈电阻的选择作用。
3.放大电路：
本设计中用741（图八）是为了反向放大的作用。
由AV=-Rf/R.可知：
AV和R确定，通过改变反馈电阻的阻值能实现对增益不同的控制。
本方案中R=2K.选取反馈电阻分别为6K.4K.2K.1K，实现增益放大倍数为3倍、2倍、1倍、0.5倍。
4.数码管的显示：
考虑到方案的简单性，选的数码管集成了译码驱动。
数码显示管将二进制数据转换为十进制显示出来。
数码显示管显示当前的放大倍数：
0、1、2、3分别表示0.5倍、1倍、2倍、3倍。
138译码器输出
电压放大倍数
数码显示管输入
a
b
C
d
D
C
B
A
1
1
1
0
0.5
0
0
0
O
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
2
0
0
1
0
0
1
1
1
3
0
0
1
1
图九
如图九可以得出：
D=C=0
2.2仿真结果及数据分析：
A.
C.
B.
D.
图十
上面的数据（图十）分别为输入电压，用电压表测出的输出电压以及通过数码管显示出来放大倍数。
通过与理论值相比较，发现结果完全正确，误差非常的小。
因此，本方案可行！
第三章系统的结构设计
（二）
3.1方案总体设计
1.设计方案：
在增益选择电路部分以及放大电路原理部分与直流电路的差别不大，唯一区别就在切换电路部分。
切换电路：
设计要求放大器增益可在1倍、2倍、3倍、4倍四档间巡回切换，切换频率为1Hz；因此通过160构成四进制计数器实现增益的循环变化；因为74LS160的加入，所以在电路设计方面必须考虑对其置数问题。
在进行巡回检测时，其增益的切换频率由时钟脉冲决定。
设计还要求：
对指定的任意一种增益进行选择和保持，保持后可返回巡回状态;
对某一种增益的选择、保持通常由芯片的地址输入和使能端控制；通过对160一个使能端得手动控制实现了指定的任意一种增益进行选择和保持。
2.电路流程图（图十一）：
3.2分布设计：
（1）.运用160构成四进制计数器，实现四种增益之间的来回切换。
下图（图十二）为74LS160的真值表，74LS160的输入端接入的数值可以在脉冲到来时刻产生二进制数值加1的改变，在输入增加到0100时（十进制对应的4），就会让计数器重新回到输入端的状态，开始新一周期的计数，实现增益的可自动变换。
图十二160工作状态表
反馈清零法：
在计数器尚未完成计数循环之前，使清零端有效，让计数器提前回到全零状态。
反馈发生在最大状态加1处。
根据设计要求：
我选择了反馈清零法。
如图十三所示：
构成四进制计数。
并可以通过显示管显示当前增益倍数。
（2）555构成的多谐振荡器产生1HZ时钟脉冲
根据公式：
求出电阻、电容的大小。
实现了1HZ.如图十四所示。
将得到的1HZ脉冲加到160的时钟端。
（3）.增益选择和保持:
通过对160一个使能端得手动控制实现了指定的任意一种增益进行选择和保持。
如图十五：
我加了单刀双掷开关J1.实现了对160使能端ENT的控制。
（4）.反馈电阻选择原理与直流一样。
这里选了4K、3K、2K、1K。
3.3仿真结果及数据分析：
一倍放大:
二倍放大:
三倍放大:
:
四倍放大：
巡回切换放大:
总结
老师布置课题，然后自己设计方案，进行仿真。
方案设计中的不足以及设计中遇到的问题：
1、仿真观察可知：
直流时通过电压表显示的输出电压（vi）为负值、交流时通过示波器观察输入电压和输出电压相位相反，运算放大器和电阻组成的负反馈放大结构获得的增益为负值。
可以在输出电压值的引线段加上一个增益为-1的运放，使得输出电压与输入电压相位相同，使得增益为正值。
2、直流放大中，在增益显示的仿真结果有微小的误差，然而在较大增益的显示结果中就没有误差。
误差是普遍存在的，只是去修正电路使其误差降到最小，但是自己还是没有找到减小误差的结果。
后来自己查阅资料知道：
同向输入端直接接地与同向输入端串联一个电阻之后接地之间的确会存在误差，但是对整个电路的功能不会产生实质性的影响。
仔细想来：
不就是模电老师上课强调运放实际运用时一定要在一段加平衡电阻呀！
3．在使用计数器74LS160时一始没有弄清楚LOAD和CLR的功能，于是设计的控制和保持电路部分无法起到理想的效果，增益始终随着脉冲的输入而变化。
回忆反馈清零和反馈置数的区别，才知道原因。
控制电路只有在四个开关同时闭合时LOAD输入值为1，则置数功能失效。
当输入值变化到0100时，就会反馈清零重新计数，从而产生增益循环的放大效果。
计数设计方面由于以前在数电设计汽车尾灯的经验，第一印象就是用175，4个D触发器够成的循环计数器，但是在保持与选择方面功能没想到好的方法，于是遗憾的放弃了。
通过本次实验设计，充分感受到数字电路和模拟电路结合设计电路的过程。
在电路设计中，通常可以把复杂的电路按原理和功能拆分为不同的板块，在相对简约方便的情况下选取设计方案，最后宏观整合便得到了相应功能的电路结构。
从总体方案构思，再到分部设计，最后得出自己整个的方案。
这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。
电子设计并不是简单的依靠一门课的知识，而是多种知识的融合贯。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些！
最后感谢指导我们实验的老师，你们辛苦了！
致谢
参考文献
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2.《PLD设计语言ABEL数字逻辑电路与实验教学参考资料之二》王楚、刘新元
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7.刘宝琴等，数字电路与系统，第二版，清华大学出版社，2007
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11.元增民;;基本共射放大器频率特性的分析计算[J];长沙大学学报;2006年05期
12.郑清水,马志瀛,钱华;一种短路电流快速识别电路的研究[J];电工技术学报;2004年03
附录一Multisim10模拟增益可自动变换的直流放大器总的电路图
附录二Multisim10模拟增益可自动变换的交流放大器总的电路图
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