多级程控放大器实现.docx
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多级程控放大器实现
目录
一前言…………………………………………2
二设计要求……………………………………2
三硬件设计…………………………………..2
3.1程控放大器的基本原理………………………..2
3.2方案论证……………………………………....4
3.3电路设计……………………………………….5
四测试…………………………………………
五小结…………………………………………
六附页………………………………………….
一前言
放大电路应用很广泛，尤其在小信号的处理中，更是不可或缺的部分。
如在数据采集中，传感器采集信号都很微弱，对于输入的模拟信号一般都需要加前置放大器，以使放大器输出的模拟电压适合于模数转换器的电压范围，但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围，信号电平可以从微伏级到伏级，模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配，如果采用单一的增益放大，往往使A／D转换器的精度不能最大限度地利用，或致使被测信号削顶饱和，造成很大的测量误差，甚至使A／D转换器损坏。
使用程控增益放大器就能很好地解决这些问题，实现量程的自动切换，或实现全量程的均一化，从而提高A／D转换的有效精度。
因此，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。
二设计要求
程控放大器设计
设计一个多级程控放大器，放大倍数分别为50、500、2000、5000。
要求采用模拟电位器控制，可放大mv级信号。
可以用拨码开关或按键组合控制
具体要求：
●用PROTEL绘制原理图、PCB图
●采用仿真软件分析幅频特性、相频特性
●对每级放大器分别测试，然后再联测。
要求测试出相应的幅频特性、相频特性；
●撰写完整的实验报告，要求包含：
设计方案、仿真结果、调试方案、实测结果、误差分析等,尽可能多采用图表形式记录数据。
三硬件设计
3.1程控放大器的基本原理
程控增益放大器（ProgrammableGainAmplifier，PGA）的基本形式是由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络组成，其基本原理如图1所示。
模拟开关则由数字编码控制。
数字编码可用数字硬件电路实现，也可用计算机硬件根据需要来控制。
由图1可知放大器增益G：
图1
电路通过数字编码控制模拟开关切换不同的增益电阻，从而实现放大器增益的软件控制。
3.2方案论证
⑴采用模拟开关，与电阻网络加上普通运算放大器组成。
其特点是可通过选用精密测量电阻和高性能模拟开关组成精密程控增益放大器，但缺点是漂移较大，输入阻抗不高，电路线路比较复杂。
鉴于设计时间和设计成本考虑，在排除其缺点的影响之后，本小组最终选用了此套方案。
⑵采用数字开关，用控制芯片去控制。
让单片机等一类的微控芯片去写数字电位器的寄存器值。
从而改变反馈电阻的值。
如图2示。
此方案的优点是放大的级数多，且搭建的电路简单可靠。
但在设计过程中，并没有用此方案，一是由于对数字电位器和微控芯片知识的缺乏，二十由于时间关系，所以放弃了此方案。
图2
⑶选用集成程控运算放大器 随着半导体集成电路的发展，目前许多半导体器件厂家将模拟电路与数字电路集成在一起，已推出了单片集成数字程控的增益放大器，例如BURR－BROWN公司的PGAXXX系列产品PGA101、PGA203、PGA206等等，它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽的通频带等优点，使用简单方便，但其增益量程有限，只能实现特定的几种增益切换。
另外由于成本问题，和老师切实的设计要求，所以此方案是不可用的。
3.3电路设计
采用第一个方法的设计，用protel做出的原理图如图3所示。
由图见，运算放大器采用了常用的模拟器件公司的OP07集成芯片。
因为题目要求的是最高5000倍放大，所以采用了两级放大的形式。
第一级可放大5倍和50倍，第二级可程控放大，为10倍、40倍、100倍，分别为1倍，由放大器的级联放大倍数A=A1*A2可得，最后结果会得到题目要求的放大倍数。
图3
Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
特点：
超低偏移：
150μV最大。
低输入偏置电流：
1.8nA。
低失调电压漂移：
0.5μV/℃。
超稳定，时间：
2μV/month最大
高电源电压范围：
±3V至±22V
工作电源电压范围是±3V~±18V；OP07完全可以用单电源供电，也可以双电源供电。
本设计中，我用+12V，-12V双电源供电。
可以在较大信号放大时避免平顶失真的产生。
其引脚图及封装图见图4，图5
图4
图5
四测试
在焊接实物之前，用proteus做了电路仿真。
仿真图如图6所示。
仿真结果亦可以见下图。
图6
五小结
在课堂上学过的关于放大器的知识，通过本次实践设计与制作，是的我们更能清楚的明白放大器的原理。
也将强了我们的动手能力和自己思考学习的能力。
小组成员之间合作共进，使我们明白了一个团队的团结的重要性。
在以后的训练中，我们小组会更加积极的去努力，去尝试，去创新。
努力做好自己，学到知识。
锻炼一个不同与课堂上的自己。
六附页
本页所附上的为设计过程中绘制的原理图，PCB，仿真图及测试结果。
具体图形见下。
①protel原理图
②protelPCB图
③proteus仿真图
④测试结果
单级放大5倍
单级放大50倍
单级放大10倍
单级放大40倍
单级放大100倍
输入
输出
增益
输入
输出
增益
输入
输出
增益
输入
输出
增益
输入
输出
增益
12mV
60mV
5
2mV
100mV
50
10mV
0.10V
10
16mV
0.66V
41.25
4mV
0.4V
100
16mV
80mV
5
4mV
200mV
50
20mV
0.21V
10.5
20mV
0.82V
41
8mV
0.8V
100
20mV
100mV
5
6mV
300mV
50
30mV
0.31V
10.3
24mV
0.98V
40.8
12mv
1.2V
100
24mV
120mV
5
8mV
0.4V
50
40mV
0.42V
10.5
28mV
1.14V
40.7
16mV
1.6V
100
28mV
140mV
5
10mV
0.5V
50
50mV
0.54V
10.8
32mV
1.32V
41.3
20mV
2.0V
100
32mV
160mV
5
12mV
0.6V
50
60mV
0.64V
10.6
36mV
1.48V
41.1
24mV
2.4V
100
36mV
175mV
4.86
14mV
0.7V
50
70mV
0.74V
10.5
40mV
1.65V
41.3
28mV
2.8V
100
40mV
190mV
4.75
16mV
0.8V
50
80mV
0.84V
10.5
44mV
1.8V
40.9
32mV
3.2V
100
44mV
210mV
4.77
18mV
0.9V
50
90mV
0.96V
10.6
48mV
2.0V
41.7
36mV
3.6V
100
48mV
230mV
4.79
20mV
1.0V
50
180mV
1.95V
10.8
52mV
2.1V
40.38
40mV
4.0V
100
平均增益
4.92
平均增益
50
平均增益
10.51
平均增益
40.91
平均增益
100
级联放大50倍
级联放大500倍
级联放大2000倍
级联放大5000倍
输入
输出
增益
输入
输出
增益
输入
输出
增益
输入
输出
增益
4mV
200mV
50
8mV
3.8V
475
2mV
3.6V
1800
2.0mV
9.6V
4800
8mV
0.4V
50
10mV
4.8V
480
2.4mV
4.6V
1916.7
2.2mV
10.4V
4727.3
12mV
0.62V
51.7
12mV
5.8V
483
2.8mV
5.4V
1928.6
2.4mV
11.6V
4833.3
16mV
0.8V
50
14mV
6.6V
471
3.2mV
6.4V
2000
2.6mV
12.6V
4846.2
20mV
1.0V
50
16mV
7.7V
481.3
3.6mV
6.9V
1916.7
2.8mV
13.6V
4857.1
24mV
1.2V
50
18mV
8.4V
466.7
4.0mV
8.4V
2100
3.0mV
14.6V
4866.7
28mV
1.44V
51.4
20mV
9.6V
480
4.4mV
8.8V
2000
3.2mV
15.6V
4875
32mV
1.65V
51.6
22mV
10.4V
472.7
4.8mV
9.6V
2000
3.4mV
16.5V
4852.9
36mV
1.9V
52.8
24mV
11.4V
475
5.2mV
10.4V
2000
3.6mV
18.0V
5000
40mV
2.0V
50
26mV
12.4V
476.9
5.6mV
11.2V
2000
3.8mV
19.0V
5000
平均增益
50.75
平均增益
476.2
平均增益
1966.2
平均增益
4865.9
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