增益可变直流放大器资料.docx

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增益可变直流放大器资料

模拟电路课程设计

题目增益可变直流放大器

学号***********

姓名**

专业班级***********

学院电气工程学院

指导教师***

摘要

在电子电路的世界里，各种信号的采集都需要经过信号放大，从而进行信号处理。

在测量电路中，信号的放大处理显得尤为重要。

在实际的工程应用中，有许多信号放大处理方法，而本设计采用增益可变的直流放大电路，即无需换挡可以自动调节的直流增益放大器来实现信号的放大。

本设计是基于数字电路与模拟电路相结合的信号处理技术，由模数转换模块（窗口比较器）、模拟开关（八选一数据选择器）、正相比例放大模块等部分构成，从而实现相应功能，完成信号的放大处理。

关键字：

信号放大处理增益可变数字电路模拟电路

1、系统总体设计..............................................1

1.1设计要求..................................................1

1.2系统框图..................................................1

1.3方案论证..................................................2

1.3.1模数转换模块..........................................2

1.3.2模拟开关模块..........................................2

1.3.3电压放大模块..........................................3

1.4电路工作原理..............................................3

1.4.1总电路工作原理........................................3

1.4.2窗口比较器............................................4

1.4.3CD4051模块............................................5

1.4.4LMS324放大模块........................................6

1.5电路设计计算..............................................8

1.6元器件的选择..............................................8

二、仿真电路的搭建.............................................9

2.1总仿真电路图..............................................9

2.2仿真调试步骤..............................................9

2.3仿真数据.................................................10

三、仿真结果分析..............................................10

3.1设计结果与数据处理.......................................10

3.2设计总结.................................................11

3.2.1实际电路中可能存在的问题.............................11

3.2.2电路改进措施.........................................11

3.2.3设计电路总体总结.....................................12

四、设计心得体会..............................................12

五、附录........................................................13

1、系统总体设计

1.1设计要求

1）输入信号为0~50mv时，放大100倍；

2）当输入信号为50mv~500mv时，放大10倍；

3）当输入信号为500mv~5v时，放大1倍；

（根据输入信号大小，自动改变放大倍数。

）

1.2系统框图

模拟开关（八选一数据选择器）

模数转换模（窗口比较器）块

输入信号

输出信号

正比例放大模块

图1.2.1系统总体设计框图

1.3方案论证

本设计为增益可变直流放大电路,主要由三大模块组成——模数转换模块（窗口比较器）、模拟开关（八选一数据选择器）、正相比例放大模块。

模数转换模块

本模块需实现电压比较功能，将模拟电路中的不同档位的电压转换成数值电路中的高低电平，故需要用到电压比较器，常见的几种电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器。

1）单限比较器

电路只有一个阈值电压，即只有一个电压比较值，而本设计要有500mV和50mV的两个阈值电压，故不能采用。

2）滞回比较器

电路中虽然有两个阈值电压UT1和UT2，但当输入电压向单一方向变化时，输出电压只越变一次。

这一点不符合本设计电压比较模块的功能要求，故也不采用。

3）窗口比较器

电路有两个阈值电压，输入电压U1从小变大或从大变小过程中使输出电压U0产生两次跃变。

窗口比较器与前两种比较器的区别在于：

输入电压向单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。

而这一特性正是本模块设计所需要的，故本模块采用窗口比较。

模拟开关模块

本模块需要实现对放大电路中接地电阻的自动选取，故需要数据选择芯片，市场上常见的芯片有很多，单本模块采用CD4051芯片。

该芯片接口操作简单，易于上手，并且完全满足本模块的设计要求，故本模块采用之。

电压放大模块

在电压放大模块中，我选用LM324四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如下图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，故本模块采用LM324四运放集成电路。

图1.3.1LM324四运放集成电路符号

1.4电路工作原理

1.4.1总电路工作原理

利用LM324放大器构成的窗口比较器,将模电信号转化为数字电路中的高低电平.设定门限电压为500mV和50mV,当输入不同的电压就将信号转化为高低电平.当输入为大于500mV时,B端输出为高电平，A端输出为低电平。

电压Ui介于于500mV与50mV之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平。

当输入电压Ui小于50mV时,B端输出为低电平，A端输出为高电平。

在利用CD4051八选一数据选择器,选择不同的电阻值实现不同的放大。

1.4.2模数转换模块（窗口比较器）

1）当输入电压Ui<50mV时,B端输出为低电平，A端输出为高电平。

2）当输入电压50mV

3）当输入电压Ui>500mV时,B端输出为高电平，A端输出为低电平。

表1.4.1数模转换数据表

输入电压

AB

Ui<50mV

10

50mV

00

Ui>500mV

01

图1.4.2窗口比较器仿真电路图

（其中两个发光二极管分别检测两个LM324是否正常工作）

1.4.3模拟开关（八选一数据选择器）

本设计选用CD4051作为数据选择器.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。

幅值为4.5～20V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＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V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.

图1.4.3CD4051管脚图

注：

CD4051引脚功能描述：

（A0～A2地址端

I0/O0～I7/O7输入输出端

INH禁止端

O/I公共输出/输入端

VDD正电源

VEE模拟信号地

Vss数字信号地）

图1.4.4CD4051逻辑真值表

注：

CD4051参数

（电源电压范围…………3V～15V

输入电压范围…………0V～VDD

工作温度范围

M类…………－55℃～125℃

E类………….－40℃～85℃

极限值：

电源电压…...－0.5V～18V

输入电压……－0.5V~VDD+0.5V

输入电流…………….±10mA

储存温度…………－65℃～150℃）

1.4.4正相比例放大模块

本设计正相比例放大模块采用LM324集成运放将输入电压进出行放大。

设计采用同相比例运算电路，供电模式采用+5V单电源供电。

由于LM324集成运放只能工作在电压正半轴，因此只能选择正相比例放大。

电路引入了电压串联负反馈，因此可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

由“虚短”与“虚断”可得，集成运放的净输入电压为零。

由此可以得到：

Uo=（1+Rf/R）*Ui

经综合考虑选取反馈电阻Rf=100K（即图中R5的值）。

当Av=1+Rf/R=1时，选取用R=1M的电阻。

当Av=1+Rf/R=10时，选取用R=10K的电阻。

当Av=1+Rf/R=100时，选取用R=1k的电阻。

图1.4.5正向比例放大电路图

1.5电路设计计算

窗口比较器两阈值电压

UT1=50mVUT2=500mV;

（滑动变阻器RV1和RV2分别调节两阈值电压到所需值，其阻值一般选为10k）

LM324通过CD4051数据选择器中对三电阻阻值的选取

反馈电阻Rf=100k;

由公式Au=U0/Ui=（1+Rf/R）可得：

a.当Av=1+Rf/R=1时，选取用R3=1M的电阻。

b.当Av=1+Rf/R=10时，选取用R2=10K的电阻。

c.当Av=1+Rf/R=100时，选取用R4=1k的电阻。

1.6元器件的选择

表1.6.1元器件参照表

序号

元件名称

参数

备注

1

电阻

1K、10K、100K、1M

2

发光二极管

（两个）

红色

3

滑动变阻器

10K（三个）

4

LM324

5

CD4051

6

直流电源

+5V

二、仿真电路的搭建

2.1总仿真电路图

图2.1.1总仿真电路图

2.2仿真调试步骤

1）先给电路上+5V电的直流电。

2）调节滑动变阻器RV1和RV2，使2点电压输出为500mV，5点电压为5mV。

3）分别输入不同范围值的电压，分别测试模拟开关CD4051数据选择器的芯片管脚10，11即A,B端输出的高低电平。

当输入信号小于50mV时，A为高电平，B为低电平；当输入信号为50mV～500mV时，B为低电平，A也为低电平；当输入信号大于500mV时，B为高电平，A为低电平；

4）使输入电压接地