可编程仪器放大器设计1.docx
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可编程仪器放大器设计1
模拟部分：
可编程放大器
一．设计要求：
（一）设计任务
采用基本的数字。
模拟电路方法，设计一个可预置放大倍数的放大器，并实现简单的自动增益（AGC）控制功能。
（二）基本要求
1.使用双电源供电
2.至少具有8档数字可编程增益设置功能，放大倍数依次为：
0.10.51251050100
3.在输入正弦波信号频率1-500kHZ；信号幅度50mv—5v
4.输出信号失真度小于1%
5.数码管显示当前增益的设置情况
（三）发挥部分
1.具有自动增益控制功能，即当给定某一幅度的输入信号后，可以自动选择合适的增益档位。
提示：
可以从最高增益开始，比较检测输出电压，调整增益至合适档位。
2.提高可编程放大器的增益步进精度，扩大可调范围，改善调整方式。
3.采用单电源供电
（四）参考元器件和芯片
1.通用运算放大器µA741，LM324，LM358
2.模拟多路开关CD4051、插接件、拨号盘
3.计数器芯片和逻辑门电路
4.LED显示组件
5.通用元器件
二．设计方案
（一）实验的初步设计
经过模拟电路基础上介绍的仪表类放大电路，我分析实验主要分为两大模块：
数字模块和模拟模块。
数字模块分为两大模块主要包括了：
负载电阻转换模块和显示译码模块；模拟模块分为两大部分：
清零模块和放大模块。
首先设计的是放大模块，根据模拟电路基础这本书的仪表放大电路。
通过LM324设计了一个用3个运算放大器组成的防大部分。
然后是用µA741做的清零部分，在放大模块的前面连接清零部分。
在零输入的情况下，将示波器的表笔接到放大部分的输出端，通过调节滑动变阻器，将输出调节为零。
然后是设计负载转换模块，将CD4051的八个输入端接上负载电阻，然后将A、B、C三个接口接到161的前三个接口上，同时将输出端接到放大部分的负载上。
（二）元件清单
LM324
（1）
CD4051
（1）
µA741
（1）
74LS161
（1）
电阻（自选）
（三）数字模块
此部分主要负责负载电阻的转换。
由单脉冲信号给予高电平脉冲，然后由74LS161给CD4051脉冲，使得CD4051转换负载电阻。
1．模拟开关CD4051芯片
1）芯片管脚
CD4051芯片引脚图
2）芯片原理
CD4051芯片在电路中起模拟开关的作用，在电路中通过对开关A到G的控制实现对输入信号不同倍数的放大。
CD4051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。
C、B、A依次为高、中、低位，控制X0到X7的输出。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V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。
3）管脚功能说明
引脚号
符号
功能
124512131415
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+
2．计数模块74LS161芯片
1）芯片管脚
2）芯片原理
161为可预置的4位二进制同步计数器，当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。
161的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，CLOCK在上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D相一致。
当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。
161的计数是同步的，CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。
靠当ENP、ENT均为高电平时，在CLOCK上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于161，只有当CLOCk为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。
161有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于161，在CLOCk出现前，即使ENP、ENT、CLEAR发生变化，电路的功能也不受影响。
（四）模拟模块
由于电路实质上是一个可以控制增益的反向比例运算放大器，因此采用反向比例运算的基本电路。
1.LM324
a）芯片管脚
LM324芯片引脚图
b）芯片原理
LM324是一个四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一个放大器有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
1）电路放大部分选择
1单运放电路
A．原理电路
LM324单运放五档可变电路
B．参数确定
当开关S1闭合时，
；
当开关S2闭合时，
；
当开关S3闭合时，
；
当开关S4闭合时，
；
当开关S5闭合时，
。
当
、
、
、
、
分别为1、2、4、8、16时，就可以确定
的值，从而实现电路不同倍数的放大。
2三运放电路
A．原理电路
三运放集成电路
B．确定参数
根据运算放大器的工作原理，可确定
的值。
由
可得：
；
，
；
由叠加原理可得：
；
当
，
，
时，
有
；
；
当
=1、2、4、8、16时可分别确定
的值来实现放大。
2.µA741
µA741主要的作用是清零端，保证在零输入的情况下，也能确保零输出。
1）芯片管脚
2）芯片原理
运算放大器内部等值电路图运算放大器属于使用反馈电路进行运算的高放大倍率型放大器，其放大倍率完全由外界组件所控制，透过外接电路或电阻的搭配，即可决定增益（即放大倍率）大小。
通常放大器的理想增益为无穷大，实际使用时亦往往相当高（可放大至105或106倍），故差动输入跟增益后输出比较起来几乎等于零。
741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。
放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。
三．实验过程
（一）实验整体方案（仿真部分）
通过仿真实验和计算，我们得出了0.1、0.5、1、2、5、10、50、100倍所对应的电阻值电阻。
（二）方案的选择
1.实验方案
在本次实验中设计了两种方案，第一种原理是是同相放大，另一种原理是反向放大。
刚开始我觉得同相放大比较简单，不需要加反相器。
于是第一次做了一个同相放大器的放大电路，同相放大器的放大电路的有点在于节省芯片只需要3片运放放大器芯片即可完成。
反向放大的原理那是依照模拟电路基础书上讲仪表放大类放大电路所设计，需要在同相端的基础上加一个反相器。
第一次尝试选择了同相放大器的方案，后来经过试验的证明，同相放大电路不能缩小信号的幅度。
后来改为反向放大电路的方案。
2.电阻值的计算
四．实验调试
（一）第一次连线后
第一次连线以后，我们做了上电实验。
出来的波形很不完整，有很强的干扰。
（二）优化之后
第一次做出来的波形不是很好，有很强的杂波，所以我们对电路进行了一些优化。
主要是借鉴网上一些资料。
最终成功。
（三）发挥部分
这次并没有成功做出本次课题的发挥部分，尝试了使用单电源供电，但是效果不是很好，并没有出现完整不失真的波形。
（四）调试中的问题
这次调试过程中遇到了许多问题。
首先是方案的选错，在刚开始我们的设计中，虽然设计出了同相放大和反相放大两种方案。
但是因为图同相放大电路省事，没有认真地去比对两种方案的不同之处。
造成了有两个缩小档位无法出现。
后来通过在网上查资料，认真比对了两种方案的差别。
知道了反相放大可以缩小信号的幅度，然后决定去更换方案。
后来通过改方案，解决了这个问题。
还有就是在调试过程中，放大的信号有些不稳定，后来我在网上看了一些工程师设计的可编程增益放大器，发现减少了一个连地端，后来我依照这种方法，成功的输出了稳定的信号。
五．心得体会
由于我们组之前的数字部分课设完成的很顺利，所以我们刚开始有些轻视这次的模拟类课程设计。
在本次实验中设计了两种方案，第一种原理是是同相放大，另一种原理是反向放大。
刚开始我觉得同相放大比较简单，不需要加反相器。
于是第一次做了一个同相放大器的放大电路，同相放大器的放大电路的有点在于节省芯片只需要3片运放放大器芯片即可完成。
反向放大的原理那是依照模拟电路基础书上讲仪表放大类放大电路所设计，需要在同相端的基础上加一个反相器。
我并没有认真比较两种放大电路的特点，就贸然选择了同相放大电路。
最后导致了第一次实验的失败，浪费了许多时间和精力。
不过这些时间和精力也让我明白许多东西，在实验中不能贸然选择方案，要认真比对方案的不同，否则就会造成损失。
同时也让我认真复习了一遍模拟电路基础的运算放大器那章，为我今后更好地学习专业课打下了基础。
也对一些运放芯片有了一定的深入了解。
而且第一次使用CD4051这种电子选择开关，让我以后在做实验时，有了更多的选择。
虽然第一种方案失败了，但我得到了许多比成功更有价值的经验。
感谢这次模电课设给我的宝贵经验。
也感谢张国英老告诉我的反相放大电路的灵感。
六．实验中未解决的问题
在这次实验中，主要对未能作出发挥部分有些遗憾。
单电源供电可以出信号脉冲，但是不能产生稳定的信号，不知道如何解决单电源信号不稳定的问题。
还有就是无法作出带有自动控制增益功能的放大电路，唯一的思路就是再需要用一个比较器或者单片机。
七．附录
本次实验的资料来源
XX文库LM324芯片数据手册PDF
XX文库CD4051芯片数据手册PDF
XX文库µA741芯片数据手册PDF
XX文库74LS161芯片数据手册PDF
《模拟电子技术基础》第四版，清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，华成英主编。
仪表放大器P379页
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