而上拉电阻不能选择过大,因为,Uo=15(上拉电压)-I0*R,虽然I很小,但是若R过大,则很容易导致输出电压远小于15V,不属于高电压,故在这选择2kΩ。
2、参考电压通过一个分压电路将15V分出所需的5V和0.5V,首先调节滑动变阻器得到5V电压,接着通过一个9V和1V的电阻便可以得到0.5V电压。
注:
由于multisim中无4052故仿真时采用的是4066,这样就必须通过一些与非门来实现Rf的选择。
增益电路:
说明如下:
由于模拟开关4066的工作原理与4052不同,故正如前所述必须将比较器所得结果通过一些与非门才能实现Rf的选择。
至于电阻参数的选择,在电路设计部分已经提及:
由于输入阻抗不得小于100kΩ,且由虚短虚断的概念容易得运放的输入阻抗即为R1,故选择R1=100kΩ,Rf为1MΩ、100kΩ、10kΩ。
同时由于采用的反相比例放大,故对于输出结果必须同过一个反相器才能得到真正结果。
精密整流及滤波电路:
一、当无电容C3,且R4为20kΩ时:
1、若Ui为正时,则D3断路,D1导通,Uo1=-Ui,时,U0=-2Uo1+(-Ui)=Ui。
故Ui>0,Uo=Ui。
2、若Ui为负,则D3导通,Uo1=0,则此时Uo=-Ui。
故实现了精密整流。
二、当接上电容后,可实现滤波,但是由傅里叶级数展开可知,滤出的直流分量为峰值的2/π,故为了得到峰峰值(即两倍的峰值),需提高R4的大小,故R4=20*π=62.8kΩ(通过调节实验箱的滑动变阻器得到)。
增益显示:
由于增益显示部分无法用multism仿真,尽在此处以文字作简要说明:
Led显示:
由于实际电路采用4052,而4052中有两个四选一开关,故可采用与选择Rf一样的方法选择不同颜色的led灯亮,区别仅在于一端采用输入5V电压,另外三端接led灯。
数码管显示(FPGA译码电路VHDL程序如下):
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_arith.all;
useieee.std_logic_signed.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitydecodeis
port(data_in:
instd_logic_vector(2downto0);
output:
outstd_logic_vector(1downto0));
enddecode;
architectureaofdecodeis
begin
process(data_in)
begin
ifdata_in="001"then
output<="11";
elsifdata_in="010"then
output<="10";
elsifdata_in="100"then
output<="01";
elseoutput<="00";
endif;
endprocess;
endarchitecturea;
6、列出系统需要的元器件清单(请设计表格列出,提高要求、创新要求多用到的器件请注明):
元件
数量
元件
数量
电阻100K
10
模拟开关4052
1
电阻10K
10
检波二极管1N4148(提高)
2
电阻1M
1
比较器LM311
2
电阻2K
2
集成运放LM324
1
1uF电容(提高)
1
导线
若干
7、电路的仿真结果(请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出):
基本要求:
A、当输入为0.1V时:
从仿真波形看出,当输入为0.1V时,输出为0.96V,增益≈10,基本达到要求
B、当输入为0.5V时:
从波形可知,当输入为0.5V时输出为4.965V,增益≈10,达到要求
C、当输入为0.51V时:
从波形可知,当输入为0.51V时,输出为0.507V,增益≈1,达到要求,通过B和C可知,在跳变点0.5V的地方输出误差较小。
D、当输入为4.9V时:
从波形可知,当输入为4.9V时,输出为4.912V,增益≈1,达到要求
E、当输入为5.1V时:
从波形可知,当输入为5.1V时,输出为0.52V,增益≈0.1,达到要求,且通过观察D和E可知在跳变点5V的地方,误差也较小。
F、当输入为10V时:
从波形可知,当输入为10V时,输出为1.03V,增益≈0.1,达到要求
综合分析:
当输入为直流电压时,通过仿真可知,该电路能够根据其电压大小,选择放大的倍数实现输出,即当Ui为0.1~0.5V时,增益为10倍;当Ui为0.5~5V时,增益为1倍;当Ui为5~10V时,增益为0.1倍。
输出范围为0.5~5V。
提高要求:
A、当输入信号峰值为5V(峰峰值为10V)时:
精密整流加滤波结果:
从波形可知,当输入峰峰值为10V时,精密整流加滤波后的直流信号为9.8V,与输入峰峰值基本接近。
输出波形:
从波形可知,当输入峰值为5V(峰峰值为V)时,输出峰值为0.51V,增益≈0.1,达到要求
B、当输入信号峰值为2.6V(峰峰值为5.2V)时:
精密整流加滤波后波形:
从波形可知,当输入峰峰值为5.2V时,精密整流加滤波后的直流信号为5.1V,与输入峰峰值基本接近。
此时输出波形:
从波形可知,当输入峰值为2.6V(峰峰值为5.2V)时,输出峰值为2.5V,增益≈0.1,达到要求。
C、当输入信号峰值为2.4V(峰峰值为4.8V)时:
精密整流加滤波:
从波形可知,当输入峰峰值为4.8V时,精密整流加滤波后的直流信号为4.7V,与输入峰峰值基本接近。
此时输出波形:
从波形可知,当输入峰值为2.4V(峰峰值为4.8V)时,输出峰值为2.38V,增益≈1,达到要求。
通过观察B和C可知在跳变峰峰值为5V附近,仿真基本符合要求。
D、当输入信号峰值为0.3V(峰峰值为0.6V)时:
精密整流加滤波后波形:
从波形可知,当输入峰峰值为0.6V时,精密整流加滤波后的直流信号为0.57V,与输入峰峰值基本接近。
此时输出波形:
从波形可知,当输入峰值为0.3V(峰峰值为0.6V)时,输出峰值为0.3V,增益≈1,达到要求。
E、当输入信号峰值为0.2V(峰峰值为0.4V)时:
此时输出波形:
从波形可知,当输入峰值为0.2V(峰峰值为0.4V)时,输出峰值为1.9V,增益≈10,达到要求。
通过观察D和E可知在跳变峰峰值为0.5V附近,仿真基本符合要求。
F、当输入信号峰值为0.05V(峰峰值为0.1V)时:
此时输出波形:
从波形可知,当输入峰值为0.05V(峰峰值为0.1V)时,输出峰值为0.45V,增益≈10,达到要求。
综上:
该电路对于交流信号,也基本达到了实验要求。
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)
(3)制定实验测量方案:
将输入信号、输出信号分别接入示波器CH1、CH2通道。
直流信号通过实验箱上滑动变阻器分压获得,通过调节滑动变阻器输入0.1V~10V信号;主要观察0.1V,0.5V(跳变点)附近,5V(跳变点)附近以及10V的输入输出电压情况。
交流信号来自函数信号发生器,设定频率为10KHz,幅宽通过旋动