增益可自动变换的放大器的设计.docx
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增益可自动变换的放大器的设计
信息科学与工程学院
课程设计报告
（2009—2010学年第一学期）
课程名称：
电子技术基础设计与实现
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
2010年1月
课程设计题目：
增益可自动变换的放大器的设计
目的与任务：
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。
内容和要求：
（一）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。
（二）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1、2、3、4分别表示1、2、3、4倍即可。
4、电源采用±5V电源供电。
三、课程设计步骤
1、查阅资料，确定上述两个设计任务的设计方案；
2、设计电路，进行参数计算；
3、用MULTISIM软件进行仿真；
4、写出设计总结报告。
四、参考元器件
集成芯片：
NE555、LM324、74LS138、CC40106,CC4013、CD4052、CC4066、74LS161，CD4011，741等。
电阻若干；
电容若干；
LED数码管；
vi
vi
设计内容（原理图以及相关说明、调试过程、结果）
增益可自动变换的直流放大器
一、设计方案
放大器的电压增益由反馈电阻控制，因此只要改变反馈电阻就能切换不同的增益范围；增益的自动选择，可通过比较器输出信号，控制模拟开关来实现不同反馈电阻的接入,从而实现选择相应的放大电路增益。
由此得出大致设计方案如下图：
二、电路设计
1、反相器
vi
左图所示为反相器，通过负反馈电路的输出与输入关系
，可令R1=R2，，那么vo=-vi。
负号就表示vo与vi反相。
2、比较器电路
Vo
左图所示为反相输入单门限电压比较器。
其工作原理为：
当同相电压输入大于反相电压输入时，放大器的输出为高电平；反之，则输出为低电平。
由课题设计要求可知：
输入信号为0V～1V时，输出信号为:
“1000”；
输入信号为1V～2V时，输出信号为：
“1100”；
输入信号为2V～3V时，输出信号为：
“1110”；
输入信号大于3V时，输出信号为：
“1111”。
vi
上图所示电路，将比较结果的模拟信号转换为数字信号，再由下一级的模拟开
关来选择相应的负反馈电路。
模拟信号转换为数字信号后，四位信号只有一个是高
电位，从而能准确地选择负反馈电路。
上图电路使用的是单门限，所以要满足题目
要求必须得用与的逻辑关系使之实现双门限的功能。
门电路所反馈的信号可作为模
拟开关接通电路的使能信号。
3、模拟开关——四双向模拟开关CD4066
CD4066的引脚功能如图1所示。
每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。
模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。
各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。
4、负反馈电路
左图所示为负反馈电路,有负反馈电路特性可知：
，其中负号表示输出与输入反相。
根据负反馈电路的输出与输入关系可以构成不同放大倍数的电路，采用模拟开关来选择反馈电阻，从而实现不同的放大倍数。
vi
左图所示为负反馈电路,有模拟开关来选择接通的负反馈的电阻,从而实现不同的放大倍数,从上到下放大倍数依次为3、2、1、0.5。
模拟开关的使能信号则由比较器比较后的信号输入，控制接入的电阻。
5、编码器及数码管
8位优先编码器CD4532
将电压比较电路的比较结果（高低电平）进行二进制编码。
该编码功能主要由集成芯片8位优先编码器4532完成。
编码的结果是放大倍数0、1、2、3分别对应到数码管的0、1、2、3显示出来，对应输出为000、001、010、011，对应的输入I0、I1、I2、I3分别是高电平。
数码管
1
2
4
8
左图所示是以8421BCD码为输入信号的数码管，从左向右依次从高位到低位。
本次使用的是0、1、2、3分别表示0.5、1、2、3倍。
6、综合上述各部分电路功能，组合成完整电路图如下图：
（图示为输入1.5V的直流电压时的放大情况）
vo
增益可自动变换的交流放大器
一、设计方案
放大器的电压增益由反馈电阻控制，因此只要改变反馈电阻就能切换不同的增益范围；增益的自动切换，可通过译码器输出信号，控制模拟开关来实现不同反馈电阻的接入；在进行巡回检测时，其增益的切换频率由时钟脉冲决定；对放大倍数的选择有手动输入来控制选择。
由此得出大致设计方案如下图：
二、电路设计
1、1Hz的切换频率可以用555构成的多谐振荡器提供1Hz的时钟脉冲。
左图是由555定时器组成的多谐振荡器，其振荡频率为
。
要使f=1Hz，这里可取R1=R2=10K，C1=47uF,C2=10nF,其中，C2为保护电容。
2、放大倍数选择电路
因为交流放大倍数是自动循环，所以可以用计数器来自动循环通过4532译码器来选择反馈电路，放大倍数只有四种情况，所以用161（或160）做一个四进制的计数器即可。
四进制计数器的设计过程：
接入时钟信号后，161可以自动计数，如下图，从零开始计数，当到0100时清零信号有效，直接清零不等时钟，所以计数器可以0000~0011四个数内自动循环。
左图是由161构成的四进制的计数器，当接入时钟信号（此处的时钟信号由555构成的1Hz的信号）后开始计数。
而放大倍数选择可以有不同方法构成，此处将类出两种一共参考：
1>.通过控制时钟信号，来控制161的计数与否，因为161时等时钟的下降沿来计数的，控制555的时钟产生，使之维持一个输出不变，则161将不再计数，放大电路将维持当前的放大倍数不变，此后将555继续工作，那么161等到时钟的下降沿后会继续计数，从而由当前的放大状态进入循环。
左图所示，将555的清零端接低电位后清零，计数器维持0输出不变，则161不能计数，放大电路维持当前放大倍数；接高电位正常工作，产生时钟信号，161等到时钟信号后继续工作，进入循环。
上述方法简单，但是不能自主选择放大倍数，只有当电路进入循环后工作到当前的放大倍数才可以选择，并且，选择时可能是时钟信号产生下降沿从而使放大倍数后移而不是自己所想要的放大倍数。
2>.直接控制置数端和161的输入来选择需要的放大倍数，如果置数端有效则置数，保持相应的放大倍数，置数端无效时计数器由当前状态工作进入循环。
左图所示，采用此方法后，选择放大倍数只需将置数端的电平置于低电平，此时即使时钟信号有效，计数器也不会计数；当置数端置于高电平的时候，由当前放大倍数进入循环。
（图示为置数有效且输入为0001）
3、其余的电路部分类似于支流放大电路，此处我采用的是直接用1、2、3、4表示放大倍数1、2、3、4。
各器件工作原理不再赘述，电路图如下图：
（此处数码管显示的2即表示放大倍数2）
三、小结
1、在设计电路的过程有些芯片在multisim中难以找到，只有用类似功能的芯片来替代，如4052模拟开关没有，用4066模拟开关替代，但4066接通后自身有一定的内阻，使得放大倍数存在一定的误差，但相对于所采用的电阻，内阻影响并不是很大，最后的放大情况与要求的接近，但不是严格意义上的整数。
2、设计电路前各部分功能的电路设计并不困难，主要的是如何将它们连接到一起，所以在连整个电路前在multisim中先找到设计过程中所需的芯片，利用网络资源查找相应的功能，了解每个引脚该如何连接，其功能表等，再考虑如何将它们连到一个电路中。
3、本次设计将模电和数电知识结合，在以前的实验中没有碰到过，所以思路一开始并不是很开阔。
利用网络资源后，发现自己大胆的想象有可行之处，所以敢大胆地着手电路设计。
当然电路的调试过程并不是一帆风顺的，比如模拟开关的选择会对电路放大倍数的影响，就4066而言，我所采用的版本的multisim中不同型号道统后的内阻相差很
大，4066BD和4066BP的内阻就不同，前者的内阻达到MΩ，后者只有350Ω左右，一开始没有测量，在阅读其功能后以为导通内阻都一样，所以一开始的放大倍数出现严重的错误。
一开始以为是电路设计有问题,但用万用表测量各部分电路并没有发现有错误,考虑到是输出与输入比例严重错误后测量反馈电阻，发现不是电路错误，而是模拟开关的内阻太大，换取不同型号后再次测量，输出与理论值相接近。
在555时钟信号电路中,由于参数不可能确切的满足1Hz的要求，产生的信号是1.2s的时钟信号。
在设计交流放大器时，不仅要使放大倍数能自行循环，还要能手动选择一个放大倍数，并且能从当前的放大倍数进入循环，我一开始考虑得是用锁存器，但是要保持当前状态的话，计数器还在工作，那么后面的放大电路还在选择,所以此方法被否决。
后来考虑到计数器是靠时钟的下降沿工作的，就在555时钟发生器上考虑如何使时钟保持输出，就采取直接清零的方法，此方法的不足在上文已讲明。
在同学的帮助下，开始考虑计数器方面使得电路保持当前放大倍数，一开始只考虑到上面的方法，直接控制计数器的使能和输入，但上述方法需要知道二进制的表达，如果想要通过外部直接输入放大倍数则只需要再输入端加一个编码器，通过编码器给161置数。
左图所示，采用此方法后，选择放大倍数只需将置数端的电平置于低电平，此时即使时钟信号有效，计数器也不会计数；当置数端置于高电平的时候，由当前放大倍数进入循环。
4532编码器将所需的放大倍数的选择信号编码送至计数器的输入端。
（除使能开关，输入表示的放大倍数以此为1、2、3、4倍）
通过这次实习让我学到了很多，首先在资源利用方面，网络不再是简单的娱乐工具，在学习方面的帮助更大；再者，帮助我们结合数电和模电的知识，让我们对芯片的工作和电路的工作进一步了解；还有，在设计电路的时候考虑的不仅是各器件单独工作情况，要考虑对整体电路的影响，还有优化电路也是很重要的工作。
指导教师意见
内容及要求
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