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程控放大器设计报告

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程控放大器设计报告

《电子线路》课程设计

设

计

报

告

题目：

程控放大器的设计

班级:

电子工程

姓名:

XXXXXXXXXXXXXXXX

指导教师:

XXXXXX

2012年6月

摘要

本次课程设计的目的是通过设计与实验，了解实现程控放大器的方法，进一步理解设计方案与设计理念，扩展设计思路与视野。

对微弱信号的程控放大，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器如芯片，但该类放大器价格较高且选择档位较少。

采用数字电位器或者模拟开关和AD组成的多档位、低成本的程控放大器可克服以上缺点，但是模拟开关具有较大的噪声且存在偏置电阻，精度不高使用D/A内部电阻实现可变电阻也是较为常用的方法，利用DAC内部精密电阻网络作为运放的反馈电阻提高了放大精度，但这种方案难以实现连续调节。

关键字：

程控放大模拟开关DAC

程控放大器设计

一、内容提要

随着计算机的应用，为了减少硬件设备，可以使用可编程增益放大器（PGA:

PmgrammableGainAmplifier）。

它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。

采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。

所谓量程自动转换就是根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行倍数的自动调节，以满足后续电路和系统的要求。

可编程增益放大器有两种——组合PGA和集成PGA。

二、设计任务和要求

设计和实现一程控放大器，指标要求：

1、增益在10～60dB之间，以10dB步进可调；

2、当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.

3、电压增益误差≤10％；

4、最大输出电压≤10V。

注：

不可用专用集成块！

三、总体方案选择的论证

实现程控放大器的方案有多种，如：

（1）用继电器改变运算放大器的反馈网络；

（2）用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络；

（3）用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益。

方案对比：

方案一：

采用模拟开关控制运算放大器的反馈网络

具体电路图如下：

简要原理：

通过开关的闭合和断开开来获得6种不同的增益。

优点：

电路简单，易于焊接

缺点：

频率稳定度不高

本方案参考文献：

[1]

方案二：

通过数字选择反馈网络对输入信号进行放大，电路原理图如下：

●简要原理：

用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来设计程控放大器。

通过对微动开关的闭合和断开，由CC4051模拟开关控制输出的电阻，作为三运放构成的数据放大器的电阻Rg，构成程控放大器，改变Rg的值可以对输入的信号进行相应的放大。

●优缺点：

优点：

该种方案的电路相对于其他两种方案的电路来说，电路结构较为简单，原理容易理解，使用器件较少，而且使用起来也十分方便。

缺点：

如果电路器件选择不当，可能造成电路无法达到设计的要求，即增益无法达到60dB或者当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz。

本方案参考文献：

[2]

方案三：

用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益。

MAX502D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变化输入不同的数字量D，就可以在1~4096间设定放大器的电压增益。

图1中的两个外接电位器W1、W2分别用于对放大器的失调和增益误差进行微调，可进一步提高放大器的精度，要求不太高时也可以省去。

优点：

电路使用元器件种类较少

缺点：

过分依赖于集成芯片，且芯片购买成本高

对比得出的结论：

本次设计考虑到使实验器材尽量可以在市场上及时的买到以及节省不必要的实验器材，最终考虑使用方案二模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来实现实现程控放大器。

该种设计电路简单，使用器件少，可在实验室内操作，焊接起来较为方便，调试较为简单，符合课程设计的原则。

四、单元电路的设计、元器件选择和参数计算

1、单元电路的设计

（1）通过CC4051模拟开关对输出电阻进行控制选择

CC4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

C、B、A为二进制控制输入端（9、10、11端）改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。

（CC4051管脚见元器件附表）

该单元电路的设计依据主要是根据CC4051模拟开关能对输出电阻进行控制和选择，从而实现接入电路的电阻阻值的改变，以实现相应的功能。

（2）利用三运放构成的数据放大器（仪表放大器）对信号进行放大

仪表放大器主要由两级差分放大器电路构成。

其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比（即共模抑制比CMRR）得到提高。

这样在以运放A3为核心部件组成的中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。

在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：

G=（1+2R1/Rg）（Rf/R3）。

由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。

其电路图如下：

结合设计要求指标给出：

2、元器件选择

（1）电阻类：

100kΩ电阻（4个）；30kΩ电阻（2个）；22kΩ电阻（3个）；

20kΩ电阻（2个）；10kΩ电阻（4个）；50Ω电阻（1个）。

（2）电位器类：

100kΩ电位器（1个）；50kΩ电位器（1个）；20kΩ电位器（1个）；

5kΩ电位器（1个）；2kΩ电位器（1个）；500Ω电位器（1个）；

50Ω电位器（1个）

（3）芯片类：

运放芯片（OP^07，三片）；CC4051模拟开关（1片）

（4）其他元件：

电路板一块船型开关3个锡条漆包线等。

3、参数计算（放大器增益）

增益：

Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2）

选择R3/R2=3使得A3实现对输入数据信号的三倍放大。

因此可取R3=30kΩ，R2=10kΩ,

同时，可选取R1=10kΩ，便于进行进一步的计算。

完成对各单元电路设计后，下面将对总体电路作进一步介绍。

五、绘出总体电路图，并说明电路的工作原理

1、总体电路图如下：

附：

各元器件相关参数

R1=10kΩ，R2=10kΩ，R3=30kΩ

R4=20kΩ，R5=100kΩ

Rg1=100kΩ电位器+100kΩ电阻

Rg2=20kΩ，Rg3=5kΩ

Rg4=2kΩ，Rg5=500Ω

Rg6=50Ω电位器+50Ω电阻

电路的工作原理：

根据CC4051模拟开关能对输出电阻进行控制和选择，从而实现接入电路的电阻阻值的改变，实现相应的功能。

电路的增益：

Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2），由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。

六、组装与调试，内容含：

1、使用主要仪器、仪表。

应列出名称、型号、生产厂家和生产日期等；

（1）示波器，YB4320G，

（2）函数发生器，F05A，南京盛普仪器科技有限公司

（3）实验箱，THM1，浙江天煌科技实业有限公司

（4）数字万用表，数字万用表，型号DT9205A，深圳华天道科技有限公司，

（5）交流毫伏表，DF2170D，宁波中策电子有限公司，200811

2、测试的数据、波形，必要时应与计算结果比较并进行误差分析；

（1）测试的数据及波形

Vo（mV）

168

500

900

1600

2870

5400

Vi（mV）

51

51

51

51

51

51

Av

Rg

Rg1

Rg2

Rg3

Rg4

Rg5

Rg6

200kΩ

Ω

Ω

Ω

Ω

583Ω

附：

计算结果：

（当运放可以达到相应放大标准时）

Av

10

100

1000

10dB

20dB

30dB

40dB

50dB

60dB

Rg

Rg1

Rg2

Rg3

Rg4

Rg5

Rg6

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

调试时部分波形如下：

（1）Av=时的波形

（1）Av=时的波形

频谱特性图：

（2）误差分析：

由于本次设计实验购买的元器件为OP07运放芯片，不是预想中的OP37芯片，因此性能不是很好，导致最终的带宽和放大倍数不能达到相应的要求，因此测量的数据主要为10dB-40dB之间；关于电路电阻方面，由于电路焊接时产生的多余阻值（如开关的电阻和焊锡的电阻等），使得最终测定的Rg的值普遍比计算值小，这是本实验的主要误差。

3、组装与调试的方法、技巧和注意事项

（1）组装与调试的方法

将电路进行分块焊接，分别进行组装与调试，由于电路具有一定的复杂性，因此进行分块组装与调试有利于让实验更顺利的进行。

（2）电路焊接技巧及注意事项

1、首先是要准备好所有所需的元器件，分清电阻与电位器的大小，确保焊接时不会搞错对象。

2、排版问题，在焊接元器件之前要整体规划好整体布局，从前级再到后一级，以保证工艺上的美观。

3、焊接过程中，要注意焊接到技巧，锡块不要太大影响美观，也不能太小，防止虚焊。

电阻尽量卧式放置。

焊接过程要尽量减少引线。

4、接地线不能贪图省事，要把所有的地线统一用锡连接在一起，尽量不用导线作为引线。

5、电源线和地线排放的位置不能靠太近，否则用鳄鱼夹加电时易发生短路碰电

4、调试中出现的故障及其诊断与排除方法

故障一：

电路调试时，连接好电路后，发现示波器上出现杂波波形，而没有正弦波。

诊断与排除方法：

通过对电路板的排查发现，电路版的部分元件没有接地，用电烙铁焊好后继续测试即可。

故障二：

进行调试时，发现示波器的波形是一种类似于失真了的矩形波形。

诊断与排除方法：

通过对电路与电源以及示波器、函数发生器的连线排查时发现，示波器的地端没有与函数发生器的地端没有接在一起，改变接法后即可。

故障三：

进行电路调试时，发现示波器上显示的波形的幅值并没有达到相应的放大要求。

诊断与排除方法：

通过调节相应电位器的阻值来改变Rg的值即可。

5、所设计电路的特点及改进意见。

本次设计的电路具有原理简单、易操作、易于焊接等特点，对本次实现程控放大器的设计来说，是一个很好的设计。

关于电路改进方面，如果运放的芯片可以改为更好性能的芯片如OP37，那么电路的性能会更加稳定，而且实现的功能更加全面，更符合设计要求；关于开关方面，如果使用3位微动开关设计会比使用船型开关更好一些，能是电路焊接更加方便。

七、所用元器件的编号列表。

序号

符号与编号

名称

型号与规格

数量

备注

1

R1

电阻

10kΩ

2

2

R2

电阻

10kΩ

2

3

R3

电阻

30kΩ

2

4

R4

电阻

20kΩ

2

5

R5

电阻

100kΩ

3

6

Rg1

电位器

100kΩ

1

串接一个100kΩ电阻

7

Rg2

电位器

20kΩ

1

8

Rg3

电位器

5kΩ

1

9

Rg4

电位器

2kΩ

1

10

Rg5

电位器

500Ω

1

11

Rg6

电位器

50Ω

1

串接一个

50Ω电阻

12

A1,A2,A3

运放

OP07

3

见附一

13

CC4051

模拟开关

CC4051

1

见附二

14

d0,d1,d2

船型开关

普通

3

附一：

OP07芯片介绍

功能概述：

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

。

低失调电压漂移：

μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大高电源电压范围：

±3V至±22V。

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+，ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大额定值

芯片管脚如下：

附二：

CC4051芯片介绍

功能概述

CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝，则0～5V的数字信号可控制～的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

CC4051管脚图：

CD4051引脚功能说明

引脚号

符号

功能

IN/OUT

输入/输出端

91011

ABC

地址端

3

OUT/IN

公共输出/输入端

6

INH

禁止端

7

VEE

模拟信号接地端

8

Vss

数字信号接地端

16

VDD

电源+

其真值表如下所示：

八、设计总结：

通过本实验的关于程控放大器工作原理分析及其设计安装与调试，加深了我对程控放大器工作原理的理解，同时对线性电子线路的理论与实践应用知识有了新的认识，并且提高基本的实验技能与试验分析技巧，提高运用理论知识解决实际问题的能力。

在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我的实践动手操作能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障。

九、列出参考文献

[1]、苏文平，新型电子电路应用实例精选，北京航空航天大学出版社，出版时间2000年5月第1版，204页-207页。

[2]、谢嘉奎，电子线路（线性部分），高等教育出版社，出版时间1999年6月第四版，332-334页。