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程控放大器

陕西电子科技学院

本科毕业论文（设计）

题目程控增益放大器的设计

（中、英文）TheDesignofprogrammablegainamplifier

作者姓名高亚丽

专业名称电子信息科学与技术

学科门类理学

指导老师余建权

提交论文日期二〇一六年五月

成绩等级评定

摘要

文章主要是论述程控增益放大器这一电子线路元器件，对其主要的功能和结构进行了详细的说明，并且详细的设计了程控增益放大器的使用电路。

在电子技术高度发达的今天，无论是通信技术还是自动在控制，电视还是广播，民用还是军用，大到卫星上天，小到手提电子设备，对电信号的处理都变得尤为重要和不可或缺，而电信号在传递过程中会出现衰减，往往接收设备接收到的信号都比较微弱，所以，对信号的放大就变得尤为重要。

放大器就是因应这样要求而诞生的，它是一种把输入的微弱信号进行必要放大的一种电子电路或仪器设备，可以对输入的电压信号、电力信号或者功率进行必要的放大，这种放大必须保证放大信号保持原有状态，即不失真。

所以，放大电路和具有放大功能的集成电路在各种电子设备和比较常见的电子电路中得到了广泛的应用，比如，常见的手机、音响、电视、雷达和各种工业自动控制等。

在众多的放大电路中，集成运算放大器一枝独秀，被很多电子设备广泛采用。

而程控集成运放因其增益可控的优点，以及可靠性高，成本低成为放大电路的佼佼者。

本文将重点介绍程控放大器。

关键词：

程控增益；集成运放；反馈网络；自动控制

Abstract

Programmablegainamplifierisdesignedinthispaper.Thisstructureandfunctionofprogrammablegainamplifieranditsmainfeaturesaredescribed.Finallycitedtheuseofcircuit.

Amplifierisoneofthemostwidelyusedelectroniccircuits.Itsfunctionistoamplifytheinputsignalwithoutdistortion.Inthebroadcast,communication,automaticcontrol,electronicequipment,theamplifierisanessentialpartofamplifier.Amongallkindsoftheelectroniccircuitsusedinallkindsofelectronicinstrumentsandequipments,theintegratedoperationalamplifieristhemostwidelyusedanalogelectronicdevice.Integratedoperationalamplifierwithdifferentfeedbacknetworkandusingdifferentfeedbackmode,youcanconstituteacompletelydifferentfunctionsandfeaturesavarietyofintegratedoperationalamplifiercircuit,referredtoasthecircuit.Theoperationalamplifiercircuitisthemostbasicpartinvariouselectroniccircuits.Thesystemcanachievegainfromtheprogramcontrol,tomeetthetechnicalindicators,measurementaccuracy,reliability,performanceandpriceisrelativelyhigh.

Keywords:

gainprogrammable;Operationalamplifier;feedbacknetwork;autocontrol;

1引言

电子技术的发展促进了计算机技术的发展，计算机技术的发展又反过来推动了电子技术的发展，是电子技术中一些原本考电路来实现的功能可以通过计算机编程控制来实现，这就大大的提高了电子技术的效能和可控性。

电子技术的发展虽然不能缩短人们空间上的距离，但却大大拉近了人们的沟通距离，这实际上就是人们利用电子技术，迅速而准确地传递信息的结果。

如程控交换机、手机和互联网，无不依赖电子技术。

电子技术在工程控制方面，已经使工程控制由自动化转向智能转变，而智能化的显著特点就是程序控制。

电子技术的这一变化，不是简单意义上的量变过程，就本质来说，他是由模拟信号处理向数字信号处理转变的质地飞跃。

例如，无人机技术、远程遥控技术以及在各种现代通信技术、广播电视技术等领域，数字通信扮演着重要的角色，从传统语音通信到互联网，现在几乎都是数字电路的一统天下。

电子技术的这一转变，使得人们对信号的处理要求越来越高。

而信号的传递过程中，能量衰减不可避免，对衰减的电子信号进行放大就成了电子技术的必然。

所以，放大器就成了信号处理的重要组成部分。

随着数字电子技术和计算机技术的发展，程控增益放大器在现代电子技术中变得越来越重要。

1.1程控增益放大器的简介

1.1.1程控增益放大器的分类

程控增益放大器（ProgrammableGainAmplifier），简称PGA，其放大倍数主要是由由计算机软件编程控制来实现。

对于程控放大电路来讲，根据其处理信号的类型，放大电路可分为两类：

1）数字式可编程放大器。

2）模拟式可编程放大器。

1.1.2程控增益放大器的原理

无论是模拟放大还是程控放大，都利用集成运算放大器来实现信号的放大功能，集成运算放大器由于其高阻抗输入使其具有较高的信号接收能力，由于其输出阻抗很低，所以，集成运放具有很好的带负载能力，另外，利用集成运放，其电路也比传统放大电路简单，且抗干扰能力强，下面先讲讲集成运放的放大原理。

1）由模拟开关控制的集成放大电路

原理图如图1所示

开关S1，S2，…，Sn实现对放大电路增益的控制。

若开关闭合表示逻辑1，开关断开表示逻辑0.

那么增益G为

式中

2）数控放大电路

如果把图1电路中的模拟开关换成数控开关，则电路的增益就可通过数字逻辑控制来实现。

3）数控放大电路

数字控制开关都可以用编程控制来实现，把图2中的数控开关换成程控开关，就很容易实现程控放大。

其放大原理课模拟开关方法原理相同。

1.2程控增益放大器的设计要求和技术指标

1.2.1设计参数的选定

电路设计既要考虑放大增益的要求，又要兼顾电路其他参数，达到理想的放大效果，所以，根据电路的要求，对电路参数的选定如下：

1．电压放大倍数N由拨码开关控制1<=N<=99。

2．输出电压绝对值在1-10v范围。

3．输入电阻Ri>=8MΩ。

4．输出电阻Ro<=20Ω。

5.输入电压有效值Vi<=20mV,

6．电压增益Av>=40DB,而且在0—40DB范围内连续可调。

7．3DB通频带0—5MHZ；在0—4MHZ通频带内增益起伏<=1DB。

1.3总结设计方案

1.3.1.方案论证和总体设计方案框图及分析

本增益放大器的设计关键在于数字控制，根据设计思路提出以下三种可选方案：

1）方案一：

多路转换开关+MCS-51单片机控制集成运算放大器

电子技术的发展使信号放大器可以通过多种方法实现，有些方法电路复杂，成本高，而且增益无法控制，所以，其适应性受到很多限制。

本设计方案采用MCS-51单片机和放大器扩展多路开关的方式，来实现增益放大的成空可调。

在电路实现方面，选定51单片机、多路转换开关、精密可调电阻网和集成运算放大器来实现。

设计框图如下。

2）方案二：

运放+模拟开关+电阻网络

这一方案是采用模拟开关切换反馈电阻网络，通过这种方法来实现电阻网络阻值的变换，达到控制增益的效果。

是根据网络节点上所满足的基尔霍夫定律和泊松方程的差分方程原理，从而改变放大电路的闭环增益。

虽然这种方法所需要的元器件比较多，电路庞大，而且精度受到限制，但是比较容易实现。

电路框图如下。

3）方案三：

.运算+数字电位器

由于数字电位器在电子电路中使用较为普遍，特别是在音频设备中，它可以基于线路较为简单的电压电阻转换电路。

所以，方案三拟采用固态数字电网器来实现放大电路的增益控制。

但是，鉴于市场上现有的数字电位器在分辨率方面尚无法达到要求，对于位数比较高的数据采集系统例如10位或者12位的还是无法达到要求。

根据可控性，考虑到设计要求和可实现性，本设计选定方案一来完成程控增益放大功能。

1.3.2.总体设计方案及分析

根据增益放大器放大倍数的要求，其放大倍数的范围为0——100，放大的步距为12.5，可以通过编程控制，控制多路电子开关控制增益，增加电子开关数量可缩小放大步距，提高精度。

电阻网络选用8路电阻网络，或者根据参数要求，外接8路电阻，外接电阻可根据参数要求进行调解，便于对增益进行不同要求的设置。

电子开关选用CD4051，由程序根据设计要求控制选同电阻，进而达到控制增益的目的。

单片机选用AT89C51,或者具有同等功能的STC15系列单片机实现程序控制。

增益数据用LCD1602显示。

电路实现如下：

该方案电路简单，控制方便，可以根据增益放大倍数的要求，调整电阻，通过编程控制，实现增益控制，并在液晶上显示增益数值。

通过调整电阻器R3～R10的值还可实现从硬件电路改变增益。

2集成运算放大器

2.1程控开关

设计电路程控开关选择CD4051作为电阻网的程控选择开关，其外形见图2.1。

图2.1模拟开关

其真值表为：

INH

输出

"0"

"1"

"2"

"3"

"4"

"5"

"6"

"7"

均不接通

CD4051是双向可选通控制开关，其连接的内部结构如下：

本设计的连接见原理图。

2.2集成电路运算放大器设计

现存的电子电路基本都是以单晶硅作为芯片的，并且把芯片与电子电路结合在一起，集成运放放大器也不例外，其将输入信号放大的功能使其具有广泛的应用。

集成运放电路主要由输入、中间、输出三部分组成。

输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端；前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致，后者则相反。

中间部分提供高电压放大倍数，经输出部分传到负载。

它把场效应管、晶体管、电阻和电容、二级管、等元器件连接的，也就是高输入电阻、高电压增益和低输出电阻等组成的多级直接耦合放大电路

输入级：

可以采用由双输入差分放大电路组成的电路。

主要作用是提高输入电阻，提高共模信号的抑制能力，。

中间级：

可以采用共射电路和复合管的差放和带恒流源负载的高增益的电压放大级，主要目的是提高电压增益。

输出级：

为了提高电子电路的负载能力，降低电路中的输出电阻，输出电路有射极输出器和互补对称功放电子结构组成。

2.2.1集成电路运算放大器中的电流源

1）基本电流源

分压射极偏置电路是一种基本的电流源电子电路。

对于工作在放大区的三极管来说，由于两个分压电阻决定了射极电流的大小，所以即使工作负载发生了变化，也即集电极的负载电阻发生了改变，输出的电流大小会依然保持不变，这也表明了其具有恒流的特性。

2）有源负载

电流源有一个很明显的特征，就是处于直流电路中电阻小，而处于交流电路中，其电阻大。

所以在信号连续的模拟电路中，它常常被当作有源负载来使用。

3）电流源的应用

1）为集成运放各级提供稳定的偏置电流。

2）作为各放大级的有源负载提高电压增益。

图2.2集成电路运算放大器原理图

2.2.2.偏置电路

偏置电路的作用是向各级放大路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。

F007的偏置电路由T8-T13组成。

基准电流由T12、R5、T11和电源EC（15V）、EE（-15）决定：

T10、T11和R4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供T9所需要的集电极电流，即lc10=lc9+2lB3；T8-T9

像恒流电路，提供T1、T2的集电集电流，即lc1+lc2=lc9，T12与T13组成镜像恒流电路，提供中间级T16、T17的京塔工作电流，并充当有源负载。

2.2.3输入级

众所周知，在集成运放的很多技术指标中，输入级扮演着重要的角色。

为了彰显集成电路制造工艺的先进性，各式各样的差动放大电路就成了输入级最主要的形式。

其中，UP277C的输入级就是一种，其输入是由恒流源T1-T7和有源负载组成的放大电路。

其有源负载是由三个复合管T5,T6,T7以及三个电阻R1,R2,R3组成的一种改进型的恒流电子电路。

这种有源负载使用在差动放大电路中，一方面可以提高电压的放大倍数，另一方面，如果维持电压放大倍数不变的情况下，可以把双端输出简化为单端输出。

T1-T4组成共集电极形式，可以提高电路的输出入阻抗，同时由于UCL=UC2=EC-UBE8，因而共模信号的输入范围；T3，T4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时输还能完成电位移动功能，使输入级的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可以直接接NPN型管；由于PNP型管的发射击穿电压很高，这种类型的差动放大电路的差模输入电压都很高，可达30v以上，此外共基极电路电路由于其输入电阻较小，而输出电阻较大，不但有利于接有源负载，而且还能起到将负载与NPN管隔离的作用。

图2.3集成电路符号

2.2.4中间级

中间级电路的主要作用是不仅能够提高电压的放大倍数，向后续的输出级提供足够大的推动电流，而且还要能够完成电位移动或者双端输出变单端输出的功能。

UPC277C中间级的有源负载是由一个电阻R6和两个复合管T16,T17组成的镜像恒流源，所以可以得到满意的电压放大倍数。

电阻R6的电流负反馈作用使得电压放大的性能得到大大的改善。

2.2.5输出级

输出级的主要特点就是要向输出端提供足够大的电流，这就使得其输出电阻要足够小，而且还要有过载保护，以防电流过大损坏电路。

互补对称输出级是输出级普遍采用的一种形式，其工作原理是两个管交替工作，任何一个管处于工作状态是均可以保持电路在射极输出的状态，所以，具有很强的负载能力。

UPC277c输出级的主要结构是由复合管T18，T19和T14构成的互补对称电子电路。

两个电阻R7,R8和复合管T15构成了一个电压并联负反馈偏置电路，所以T15的c，e两端的电压是恒定不变的，这不但为互补管提供了稳定的电压，而且也消除了文越失真的现象。

为了达到对输出管的保护，加入了保护机制，二极管D1,D2和电阻R9，R10上的压降较小，并且二极管D1,D2均处于截止状态，此时电路处于断开保护状态，如果电路出现了过载，符合管和T14的电流将超过额定值，两个电阻R9和R10的分压能力将明显增强，此时二极管D1,D2将导通，分流了T14和T16的基极电流，避免出现输出电流过大，从而保护输出管的过载损坏。

集成运放的产品现在是层出不穷，性能也越来越好，一些具有特定功能的专用集成运放产品也大量的涌现。

集成运放作为一个应用比较广泛的有源放大器件，在实际的电子电路应用中，常用图Z0608所示符号表示。

大箭头表示信号传输的方向。

它有反向端和同相端两个输入端，一个输出端。

当输入电压信号从反向端输入时，输出电压与输入电压是成反相关系，当输入电压信号从同相端输入时，输出电压与输入电压之间是成同相关系的。

2.3反馈电阻网络

反馈电阻网络是由拨码开关电阻网络组成的可调式反馈电阻网络，1,2断开接放大部分的1.2断开联入反馈网络中。

图2.4反馈电阻网络

2.4增益调整电路设计

拨码开关可以用来改变接通通道的状态，每改变一次输出反馈电阻的阻值，输出电压的增益也相应的发生改变，图中电压Vo为输出电压，反馈网络与1和2号接线端相连。

3整体电路图及工作原理

3.1拨码开关的使用

电源电路为了保证足够的电源供应我们制作一个有±5v、±12v±15v、0到30v可调的电压源。

Vo为输出端。

利用拨码开关输入三位十进制数字时，输出端的电阻值为20欧姆，这就相当于三个位上的电阻是处于并联状态的，类似于一个560千欧姆的电位器，组合情况大致有10x10x10=1000种。

在一边情况下，完全可以取代在模拟电路中广泛使用的无极调节电位器。

这种用法不需要任何外部调整元件件就能可靠的工作，但为了保证效果更好，可以在正，负电压供电端连接一个1uF的旁路铝电容到模拟地，并且应尽可能靠近放大器的电源引脚处，并按如图所示的情况进行点接地处理，使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可以直接接NPN型管；是由于PNP型管的发射结击穿电压很高。

由于电路的共基极的输入电阻比较的小而输出端的电阻值相对较大，并且输入信号的差模输入电压比较的高，这种非常有利于连接有源负载如恒流源等，很好的隔离了NPN管和负载电路。

偏置电路在集成运算放大器电子电路中的主要作用是产生适合的偏置电流作为各个放大电路的输入电流，可以确定各个电路的静态工作点，如果输出端的电阻足够的小，可以保证输出负载用于很大的电流，但是，应该加入一定的保护电路，防止过载。

一般情况下，互补对称输出是输出电路好的选择，两个二极管交替进行工作，当任何一个二极管处于工作状态是，均可以使得电路处于射极输出的状态，所以具有较强的带负载能力，拨码开关可以用来改变接通通道的状态，每改变一次输出反馈电阻的阻值，输出电压的增益也相应的发生改变。

3.2电路参数计算与选择

电路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相应的数值即可，例：

Rx等于20M与25M的并联，即Rx=11.1，相应的Au=1+100/11.1=10.01。

根据电路的放大增益系数可知，如果输入端的电压设定为1到10，那么放大电路的放大倍数就会处于1到100左右。

由相应的拨码开关的形式可以估算出相应的输入电阻和输出电阻的取值范围，分别是输入电阻大于8M欧，输出电阻小于等于20M欧左右，所以，再根据放大增益的计算公式G=20logAu即可得到所要调整的范围。

3.3电路仿真结果

本次设计的增益放大电路不但可以满足各种状态下微小信号的放大，而且可以提高干扰信号的抑制能力。

要检测出缺陷信号，就需要有合适的滤波器和精度较高的测量放大器。

可以使用微控制器来事先检测被测得信号，这样可以适当的调节增益放大器的放大倍数，使得输出信号处于一种最佳的状态，便于观察和测量数据。

由于控制系统中，不同环境的干扰强度以及激励信号的频率事先都是未知的，为了实现检测系统的智能化，以及大的动态调节范围和排除较多的干扰因素，程控滤波和程控放大将会被加入到系统中，从而实现硬件与软件的完美结合。

本次设计的增益放大电路，设计比较的新颖实用，按照此方法设计的放大电路，不仅可以大幅提高增益的范围，而且增益的精度也相应的得到了提升。

通过设计仿真结果可以看出，本设计不但完成了最基本的功能，而且在性能方面有不错的表现，大大超出了预想的结果。

但是鉴于时间较为仓促，系统设计还存在着一些不足之处，比如在一些情况下精度还不太令人满意，由于系统采用了模块化设计，扩展性好，系统仍旧还有很大的升级扩展空间。

最终的仿真结果如下：

4设计总结

首先非常感谢我的导师梁老师对我的悉心指导，在遇到问题和困难时都能够给予极大的支持和帮助。

使我最终克服了多个难点。

本设计通过三种方案的对比选出如下方案：

本设计利用模拟开关作为电阻反馈网络的切换方法，大大的提高了电路的闭环增益，虽然此种方法电路结构相对庞大，所需要的电子元器件比较的多，但是，各个模块结构相对简单，可行性比较好，遇到问题也比较容易调试定位。

本设计采用uPC227C集成运放来实现放大部分，并采用同向比例放大电路来实现放大，用DSWPK_10拨码开关来实现对反馈网络的控制从而实现对增益的控制。

通过Multisim_10仿真设计软件对电路进行了仿真，仿真结果与实际的预期基本吻合，圆满完成了本此设计的设计任务。

参考文献

[1]路勇主编《电子电路实验及仿真》清华大学出版社北方交通大学出版社

[2]何希才主著《新型实用电子电路400例》北京：

电子工业出版社

[3]张卫平张英儒编著《现代电子电路原理与设计》北京：

原子能出版社1997.2.

[4]姚福安主著《电子电路设计与实践》山东省科学技术版社2001

[5]付家才主编《电子实验与实践》北京：

高等教育出版社2004

[6]康华光主编《电子技术基础模拟部分（第五版）》高等教育出版社2012

[7]张大彪主编《电子技术技能训练》北京：

电子工业出版社2002.

附录Ⅰ：

控制程序

#include"reg51.h"

#include"intrins.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

uchardd[]="ZengyiAv=:

sbitrs=P3^5;

sbitrw=P3^6;

sbiten=P3^7;

chartemp,temp1;

voiddelay（ucharus）

{

ucharm,n;

for（m=0;m<100;m++）

{

for（n=0;n

}

voidwriteCOM（ucharcomd）

{

rs=0;

rw=0;

en=0;

P1=comd;

_nop_（）;

en=1;

_nop_（）;

en=0;

}

voidwriteDAT（uchardat）

{

rs=1;

rw=0;

en=0;

P1=dat;

_nop_（）;

en=1;

_nop_（）;

en=0;

}

voidInit1602（）

{

writeCOM（0x38）;

writeCOM（0x06）;

writeCOM（0x0c）;

writeCOM（0x01）;

}

voiddisp（ucharddd）

{

uchari;

writeCOM（0x80）;

for（i=0;i<11;i++）

writeDAT（dd[i]）;

if（（ddd/10）==0）

writeDAT（0x20）;

else

writeDAT（0x30+（ddd）/10）;

writeDAT（0x30+（ddd）%10）;

}

voidmain（）

{

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