基于OP07的程控放大器设计.docx
《基于OP07的程控放大器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于OP07的程控放大器设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于OP07的程控放大器设计
模拟电路课程设计报告
设计课题：
程控放大器设计
班级：
15级电子科学与技术
姓名：
学号：
指导老师：
设计时间：
2017年6月12日~14日
学院：
物理与信息工程学院
程控放大器的设计与实现
摘要
本文介绍了一种可数字程序控制增益的放大器。
该电路由两片OP07CP芯片组成两级反相放大器，采用CD4051芯片作为增益切换开关，通过控制开关改变反馈电阻来达到改变电路的增益的目的，可适应大范围变化的模拟信号电平。
文章首先对两种系统方案进行详细介绍与优劣对比，接着概述了电路的设计过程及思路，然后又介绍了系统的调试过程与过程中遇到的问题的解决。
该系统可以很好的完成目标要求，即增益范围为10DB—60DB，在40DB处有40KHZ的带宽。
关键词
程控放大器；运算器放大器；增益
TheDesignandRealizationofProgram-controlledAmplifier
Abstract
Thispaperpresentsanamplifierwithdigitallycontrolledgain.ThecircuitconsistsoftwoOP07CPchipleveltwoinvertingamplifierusingCD4051chipasthegainswitch,changethefeedbackresistancebycontrollingtheswitchtochangethegainofthecircuittoadapttochangesinthescopeoftheanalogsignallevel.Thispaperfirstintroducesthetwosystemschemesindetail,andcomparestheadvantagesanddisadvantages,thensummarizesthedesignprocessandideasofthecircuit,andthenintroducesthedebuggingprocessofthesystemandthesolutionstotheproblemsencounteredintheprocess.Thesystemcanachievethetargetrequirementsverywell,thatis,thegainrangeis10DB-60DB,andthereis40KHZbandwidthat40DB.
Keywords
Program-controlledamplifier;operationalAmplifier;gain
1前言
在这个数字电路高速发展的时代，许多模拟电路已被数字化，似乎数字将完全取代模拟，当然，这是不可能实现的，因为事物的本源是数字的，自然界的信息也是连续的模拟的，因此研究模拟电路也是十分有必要的。
而本文介绍的程控增益放大器则巧妙的结合了数字电路和模拟电路，用数字控制模拟对信号进行放大，这大大方便了对该电路的使用，而这也将成为一种趋势。
本文介绍的放大器可以对信号进行大范围放大，而且在中频段的线性性吻合的特别好。
该电路最大限度的利用了OP07的优点。
在这个越来越重视数据的时代，程控增益放大器在数据采集系统、自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用。
2.指标要求
设计和实现一程控放大器，增益在10～60dB之间，以10dB步进可调；当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.电压增益误差≤10％，最大输出电压≤10V。
3．总体方案设计
3.1方案一
图3.1仪表放大器框图
该方案是通过将信号输入由三运放构成的仪表放大器（如图3.2）中，该电路的增益公式为
。
第一级为由两对称同相放大器构成的差分放大器，通过调整两运放间公用的反馈网络电阻Rg的大小，从而达到改变第一级的增益，而第二级用的是一个减法电路。
对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。
由于没有电流流过RG（也就无电流流过R1和R2），因此对于公模信号来说放大器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作。
因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2RF/RG）〕的增益系数被放大。
这也就意味着该电路的第一级共模抑制比是〔1＋（2RF/RG）〕。
第二级普通减法电路，如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入极高的CMRR但是由于电阻阻值存在误差，而这一电路要求电阻对R4/R6和R3/R5的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。
例如，当增益等于1时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电阻值有0.1%失配，其CMRR便下降到66dB（2000:
1）。
同样，如果源阻抗有100Ω的不平衡将使CMRR下降6dB。
因此靠这一级提高CMRR明显是靠不住的。
图3.2
3.2方案二
图3.3两级反相放大器框图
该方案将交流信号经过两级反相放大，可通过改变反馈电阻的阻值来调节放大倍数，其原理图以及增益公式如图3.4所示。
该电路较为简单，其增益公式也比较简单，他的共模抑制必须依靠运放的内部差分放大器，由于经过两次反向，因此其输出的信号将与输入的同相位。
图3.4
3.3方案选择
方案1具有如下优缺点：
优点：
具有极高的CMRR，通过调节RG也足以完成10DB---60DB的增益范围。
缺点：
该电路第一级为同相放大器，放大倍数必须是1以上，而课程设计的放大倍数必须是3.1到1000倍，因此第二级放大倍数不可能超过3.1，这意味着第一级放大器将承受最大为330倍的增益。
而0P07的GBP只有0.6M，说明当放大倍数为100时，第一级将放大33倍，这样的话其最大3DB带宽上限频率只有18.8M，而题目要求达到当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.所以这个电路明显达不到这个要求。
方案2具有如下优缺点：
优点：
电路结构较为简单，两个输入端电压相等并等于零，故没有共模输入信号，从而对运放的共模抑制没有要求；且该形式的电路增益调节十分方便，增益可以在0以下，这是同相放大做不到的。
而该系统可以完成所有指标要求，甚至超过。
缺点：
深度负反馈条件下，输入电阻为R1，输入电阻不能达到理想情况。
这里选择优点更多且更方便调节的方案2。
4．单元模块设计
4.1单元模块功能介绍
4.1.1两级放大
图4.1.1两级放大
放大部分采用了反相放大电路，输入部分串入耦合电容可以除去直流量，它的抗干扰能力强，在输入级正是要有这个特点，能够有效抑制噪声；通过调节反馈网络的阻值可方便的改变放大倍数，电路结构也很简单。
4.1.2程控部分
图4.1.2程控部分
通过控制拨码开关输入三位的二进制代码，可以使模拟开关选择不同的档位，来选择不同的电阻连接到电路中，如上图所示，其中A1与A2分别与上个模块中的对应A1,A2连接。
4.1.3电源退耦部分
电源退偶，可将电源上的噪声电压引入到地平面，让电源电压保持在一个稳定的值，这样系统才可能稳定工作。
用一个大电容并联一个小电容，并且在布局时尽量将电容放在运放电源引脚旁。
4.2电路参数计算
4.2.1放大参数计算
放大倍数计算表达式：
A=Rf1/R1，选定R1为1
，第二级放大10倍，则根据计算式可得如下表格：
3.162
10
31.62
100
316.2
1000
10dB
20dB
30dB
40dB
50dB
60dB
Rf1
0.3162K
1K
3.162K
10K
31.62K
100K
4.2.2第二级放大参数计算
放大倍数计算表达式：
A=Rf2/R2，选定R2为1
，则Rf2=10
。
4.2.3元器件的选择
运放
OP07CP
2个
模拟开关
CD4051BE
1个
拨码开关
六脚
1个
电位器（
）
203
1个
204
6个
电阻
1K、10K
各5个
电容
103、104
各5个
4.3各单元模块连接
图4.3单元模块连接
第一级放大与程控部分相结合，便为可控增益的反相放大器，其放大倍数可通过程控电阻选择电路，第二级放大倍数定为10倍左右。
5.1硬件调试
5.1.1调试内容
（1）调节第二级放大倍数为10倍；
（2）调第一级各个档次放大倍数使总的放大倍数达到预期目标。
（3）调试40DB处的带宽，如果带宽不够适当调整耦合电容的大小。
5.2.2调试方法
（1）将10KHZ,100mv交流小信号（无偏置）直接输入到二级放大器Vi2处，输出接到示波器，调整二级放大反馈电阻，使输出为1v且不失真；
（2）将拨码开关拨到1档（
=000），输入10KHZ10mv正弦信号，输出接示波器，调整第一级放大反馈电阻，使得输出VPP约为31.62mv；
（3）将拨码开关拨到2档（
=001），调整反馈电阻大小，使得输出VPP为100mv；
（4）将拨码开关拨到3档（
=010），调整反馈电阻，使得使得输出VPP为316.2mv；
（5）将拨码开关拨到4档（
=011），调整第一级放大反馈电阻使得输出VPP为1v；
（6）将拨码开关拨到5档（
=100），调整反馈电阻，使得使得输出VPP为3.16v且不失真；
（7）拨码关拨到第6档（
=101），调整第一级放大反馈电阻，输出应为VPP=10v；
（8）在第4档即100倍处，将频率上升至50KHZ，输出VPP应不低于707mv且波形无失真。
调试完毕。
6.系统功能和指标参数
6.1功能
系统可通过数字信号输入控制放大器的增益大小，实现从10dB到60dB的增益,以10dB步进可调，总共六档切换，且在40DB的增益处有40KHZ以上的带宽。
6.2指标参数测试
6.2.1测试方法
将10mv交流小信号输入到放大器第一级的反相输入端，然后将输出接到示波器，拨动微动开关调到对应档位（1~5档，即
=000~101），观察示波器的波形峰峰值。
6.3实测结果与设计要求的对比
输入正弦信号：
10mv10KHZ
档位
1
2
3
4
5
6
输出
31.6mv
96.8mv
312mv
1.07V
3.16V
9.92V
实际增益
3.16
9.68
31.2
107
316
992
10dB
19.72DB
29.88DB
40.55DB
49.99DB
59.93DB
放大倍数
3.162
10
31.62
100
316.2
1000
增益
10dB
20dB
30dB
40dB
50dB
60dB
增益误差
0
1.4%
0.4%
1.37%
0.02%
0.11%
输入正弦信号：
10mv50KHZ
输出
728mv
放大倍数
72.8
增益
37.24DB
分析
该级放大应为40DB，40HZ带宽下最小不能低于37DB即下降范围在3DB以内
6.4波形记录
10DB增益10mv10KHZ输入
20DB增益10mv10KHZ输入
30DB增益10mv10KHZ输入
40DB增益10mv10KHZ输入
40DB增益10mv30KHZ输入
40DB增益10mv50KHZ输入
50DB增益10mv10KHZ输入
60DB增益10mv10KHZ输入
7．设计总结
通过此次课程设计学习，我收获良多。
首先是学会了查看芯片手册，了解了OP07和CD4017的各种参数，并懂得了在调试的时候应时刻注意那些相关的参数，做到心中有数，不至于调试的时候盲目不知所措。
在查看完芯片手册之后，再来看课题要求，并根据要求确定方案，设计出符合条件的电路。
而调试运放也有许多技巧，例如当电路设计完成后，如果给了输入，输出若不正常，那应该要一级一级查错，可以先将两级断开，单看第一级，如果第一级没问题，那再来查第二级，直到问题全部解决。
做该电路最大的难处就是保证10到60DB的增益范围，但是，中间也是有技巧的，只要做到10DB和60DB的放大没问题，那么中间的增益也是不会有太大问题的。
此次的学习最大的收获就是提高了动手能力，对函数发生器和示波器的使用也更熟练了。
对模拟电路的设计也有了初步的了解，虽然中间出了许多问题，但最后都解决了。
【参考文献】
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.[M].第四版.高等教育出版社,2009.
升级会员 