模电实验设计增益切换电路.docx
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模电实验设计增益切换电路
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：
设计一个增益自动切换电压放大电路。
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。
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.基本要求部分电路工作原理
将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，只有相应的一个比较电路输出为高电平（或低电平），其余比较器输出为低电平（或高电平）。
根据比较器的输出状态，通过模拟开关的控制，选择相应的增益。
2.提高部分电路工作原理
根据题目的提高部分的要求，交流信号幅值取样电路可以采用整流滤波取平均值的方法。
然后将交流信号幅值与参考电压比较，得到比较器的输出电平，通过模拟开关选择增益电路。
（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：
3.提高部分
（3）电路原理图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1.基本要求
2.提高要求
（4）系统工作原理（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
1.基本要求
如原理图所示，运放A1、A2作为电压比较器。
它们的反相输入端分别接基准电压和，这两个基准电压可由及、组成的分压器获得。
输入信号同时加在A1、A2的同相输入端，与和进行比较，决定它们的输出、是高电平还是低电平。
用、去信号控制模拟开关的工作状态，切换反馈电阻即可实现增益的自动转换。
受模拟开关的控制，电阻-与运放A3构成增益可控的反相放大电路。
模拟开关CD4052的状态受电压比较器A1、A2的控制，反相放大器A3的反馈电阻可切换为、或，则放大电路的增益分别为、和。
2.提高要求
在基本要求的基础上添加整流电路。
整流电路由运放、二极管和电容电阻构成。
当输入信号时，二极管导通，电容充电，在当输入电压达到峰值时，电容停止充电，将电容两端的电压送到比较器，通过比较器输出信号控制模拟开关。
（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.基本要求：
增益切换电路采用反相输入。
2.提高要求：
整流电路需要用二极管和电阻、电容构成。
为了使得电容两端的电压比较持久，选取电容的容值较大，同时也选择电阻的阻值较大。
（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）：
基本要求：
分压电阻
电阻：
运放
uA741
提高要求：
分压电阻和电阻相同。
二极管
电容
电阻
运放
4081
0.1uF
uA741
（7）电路的仿真结果（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基本要求：
输入电压
输出电压
增益
理论值
0.1
1.166
11.66
10
0.2
2.166
10.83
10
0.35
3.665
10.47
10
1
1.018
1.018
1
1.5
1.518
1.012
1
2.5
2.519
1.008
1
3.5
0.356
0.102
0.1
5
0.509
0.1018
0.1
8
0.814
0.1017
0.1
提高要求：
输入电压峰峰值
输出电压峰峰值
增益
理论值
0.3
3.102
10.34
10
0.5
5.056
10.11
10
0.8
8.105
10.13
10
1.5
1.502
1.001
1
2
2.083
1.042
1
2.5
2.502
1.0008
1
4
0.412
0.103
0.1
6
0.603
0.1005
0.1
9
0.908
0.1009
0.1
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）：
（2）制定实验测量方案：
基本要求：
按照电路图搭建电路，用稳压源输出电压分压得到输入端的不同输入电压，用示波器的CH1和CH2通道显示输入端和输出端的电压值，记录数据。
提高要求：
按照电路图搭建电路，从函数发生器产生峰峰值不同的输入电压，用示波器的CH1和CH2通道显示输入端和输出端的电压波形，读出输入端和输出端正弦波形的的峰峰值，记录数据。
（3）使用的主要仪器和仪表：
稳压源、示波器、函数发生器
（4）调试电路的方法和技巧：
在调试过程中，应当先检查电路的搭建是否正确，是否有线路搭建错误的情况，在确保电路连接无误后，从输入端输入直流信号，从输出端读出输出信号，观察两个信号的大小是否满足题目设计要求的比例。
然后改变输入信号的大小，继续测量，确保三个区段的直流信号都满足设计要求。
在调试完直流信号正确后，通过函数发生器输入交流信号，通过示波器CH1、CH2通道显示输入输出波形，对比波形的形状和大小，观察是否满足设计要求。
如果正确，则改变输入信号的峰峰值重新进行观察，最终检测是否三个区段的交流信号也满足设计要求。
（5）测试的数据和波形并与设计结果比较分析：
基本要求：
输入电压
输出电压
增益
理论值
0.1
1.06
10.6
10
0.2
2.02
10.1
10
0.35
3.46
9.89
10
1
1.01
1.01
1
1.5
1.48
0.99
1
2.5
2.52
1.01
1
3.5
0.352
0.10
0.1
5
0.499
0.10
0.1
8
0.820
0.103
0.1
分析：
直流部分，从输入端输入直流信号，从输出端输出的直流信号在三个不同的区段内，输出的电压同输入电压对比，满足设计要求：
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。
而且误差较小。
提高要求：
当<1V时
输入电压峰峰值
输出电压峰峰值
增益
理论值
0.3
3.05
10.2
10
CH1是输入信号，CH2是输出信号
输入电压峰峰值
输出电压峰峰值
增益
理论值
0.5
5.06
10.1
10
当1<<3V时
输入电压峰峰值
输出电压峰峰值
增益
理论值
2.0
2.06
1.03
1
当3<<10V时
输入电压峰峰值
输出电压峰峰值
增益
理论值
5.0
0.506
0.101
0.1
分析：
在输入端输入交流信号时，在输出端检测到交流信号，且在不同的区段内，输入端的交流正弦波的峰峰值和输入端的峰峰值满足题目设计要求。
在此设计中，将直流的0-0.5V改为了0-1V。
（6）调试中出现的故障、原因及排除方法：
在调试过程中出现的主要故障有两个：
1.在输入端无论输入多大峰峰值信号的正弦波，输出端都是扩大10倍输出波形，并且在输入信号的正弦波的峰峰值较大时，出现失真。
出现这种现象的原因一定是没有实现增益的自动切换，也就是说，无论输入端输入多大峰峰值的正弦波，比较器两端输出的数字信号始终是00,所以增益总是10.
通过在输入峰峰值为2V正弦波，测量比较器两端的输出发现输出为10，但是在对应的4052端的2通道选通进行排查时发现，将4052双4选2的X、Y通道连接错误，重新连接后，电路正确。
2.在输出端没有波形。
出现这种现象最有可能是某根导线开路。
通过对元器件的端脚和导线两端的电压的检测，找出了没有连接好的导线，重新连接，输入信号，在示波器上可以读出波形。
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：
在设计中遇到的问题有当输入交流信号时，如何将交流信号的峰峰值进行比较得到4052增益切换的数字信号。
分析：
直流信号可以直接通过两个运放同参考电压比较得到比较的数字信号，而交流正弦信号的峰峰值信号无法直接加在运放的同相输入端同参考电压比较，必须将交流正弦信号的峰峰值提取出来，则需要用到整流电路。
这样才能进行比较。
解决方法：
查找有关整流滤波电路的资料和请教老师。
（2）总结设计电路和方案的优缺点：
优点：
自动增益切换电路的设计思路比较简单，设计方案也比较多，可以通过反相端输入设计，也可以通过同相端输入设计。
所选的器件是常用器件，电路形式简洁不复杂。
可以随输入电压的大小自动切换输出电压的增益。
缺点：
在设计电路中，因为4052模拟开关仍然存在开关电阻，所以输出电压的增益也并不是十分精确，存在着一定的误差。
（3）指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：
课题的核心及实用价值在于可以根据输入电压的大小自动切换增益，可以把小的微弱信号放大，过大的电压信号适当缩小。
在设计和调试中，正弦信号的输入和输出在3-10V量程时，输出信号和理论值相比存在误差较大，增益不是十分精确，而且在每个增益端的临界电压位置，输出信号不稳定。
可以通过调节电路的参数，改变电路设计过程中使用电阻电容的值，从而使得系统更加稳定，减小误差。
（4）实验的收获和体会：
在实验中，从设计电路到调试电路，每一步都是一个学习与对知识的巩固与加深的过程。
设计时，需要在深刻理解运放工作特性的基础上，充分利用运放来设计增益自动切换电路。
当有了设计思路时，同时用MULTISM仿真来首先验证自己的设计是否合理，在设计中遇到了问题通过与同学的交流和向老师请教来解决自己的困惑。
在实际的搭建电路与调试的过程则是一个耐心与认真的过程。
在实验中，也许并不能够一次性地得到正确的结果，当出现错误时，要认真分析每一个模块，每一个器件，每一条导线是否连接错误，电路是否未加电源电压等。
从而找出错误的所在，并调试出正确的结果。
五、参考文献
《电子电路基础》刘京南编
《电子线路实践》
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