提高部分中,输入为交流信号,根据输入电压的峰值大小,电路的增益仍满足基本要求。
在本设计中,增益自动切换的临界值应尽量接近要求的值0.5和3,而且增益的倍数也应分别无限接近10、1、0.1。
二、电路设计
(1)电路设计思想(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基本要求:
将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较,对
应某一输入电压值,只有相应的一个比较电路输出为高电平(或低电平),其余比较器输出为低电平(或高电平)。
根据比较器的输出状态,通过模拟开关的控制,选择相应的增益。
提高要求:
可以先采用峰值取样或整流滤波电路对交流信号进行处理,再将处理后得到的交流信号峰值按基本要求进行处理。
(2)电路结构框图(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基本要求:
比较分档电路
模拟开关
增益放大电路
提高要求:
峰值取样电路
比较分档电路
模拟开关
增益放大电路
(3)电路原理图(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基础要求:
提高要求:
(4)系统工作原理(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基础要求:
将直流信号加到基准电压分别为3V和0.5V的比较电路输入端进行分档比较,
对应某一输入电压值,相应的比较电路输出为高电平或低电平,将比较器的输出状态通过模拟开关的控制,选择不同的增益电路,从而实现增益的自动切换。
提高部分:
采用峰值采样电路,先将交流信号输入峰值采样电路,再将输出的峰值加到比较电路输入端进行分档比较,其他同上。
(5)参数计算和元器件选择说明(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基础要求:
放大电路电阻:
R8=10kΩ,R6=100kΩ,R5=10kΩ,R7=1kΩ.
分压电阻:
要满足分压分别为3V和0.5V,则设置Rw=90kΩ,R5=25kΩ,R6=5kΩ,可满足上述要求。
提高要求:
峰值采样电路:
IN4018二极管、10nF电容放大电路电阻及分压电阻同基础部分。
(6)列出系统需要的元器件清单(请设计表格列出)(请写明基本要求、提高要求、发
挥部分):
基础要求:
元器件名称
运算放大器
模拟开关
电阻
CD4052
型号及数量
4
1
90kΩ
*1
25kΩ
*1
5kΩ
*1
10kΩ
*4
1kΩ
*3
100kΩ
*1
提高部分:
元器件名称
运算放大器
模拟开关
电阻
电容
二极管
CD4052
型号及数量
4
1
90kΩ
*1
10nF
IN4018
25kΩ
*1
5kΩ
*1
10kΩ
*
4
1kΩ
*3
100kΩ
*1
(7)电路的仿真结果(请写明基本要求、提高要求、发挥部分):
基础要求:
1)输入0.3V直流信号:
2)输入1.5V直流信号:
3)输入4V直流信号:
提高要求:
(CH1为输出信号、CH2为输入信号)
1)输入10KHz、峰值0.1V交流信号:
2)输入10KHz、峰值1.5V交流信号:
3)输入10KHz、峰值4V交流信号:
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)制定实验测量方案:
按照电路原理图搭出电路,接入函数发生器,用以产生交流信号,输出接到示波器
上,用以观察输出波形。
根据要求进行调试。
(3)使用的主要仪器和仪表:
数字示波器,函数信号发生器,直流稳压电源,数字万用表
(4)调试电路的方法和技巧:
首先测试峰值取样电路,将峰值取样的结果输入到示波器中,观察其近似为直流分量,且其约等于交流信号的峰值。
再测试比较电路,输入不同的值,测其输出使结果满足要求。
最后对整个电路进行调试。
(5)测试的数据和波形并与设计结果比较分析:
输入10KHz、峰值0.2V的交流信号:
输入10KHz、峰值2.6V的交流信号:
10KHz、峰值3.5V的交流信号:
分析:
由上述结果可以看出,电路是存在一定误差的,但是基本上实现了电路要求的功能。
(6)调试中出现的故障、原因及排除方法:
在实验中当比较器输出为负电压时,直接接到4052的选择端会损坏放大器,根据观察,发现会将放大器的输出强行拉到-1V左右,而放大器开路输出为负-13V左右,经过一段时间以后放大器会过热,模拟开关也可能损坏。
加上一个限流电阻可以解决问题,不会损坏放大器和模拟开关。
实验中的数据与模拟的有很大不同。
整流的电容电压不等于峰值,与峰值的关系也不是线性变化的,所以增益变化点与模拟的结果差距很大,于是实际测量了不同峰峰值下的电容电压,并以此为基准,改变分压大小,才使增益变化点接近要求,最终是靠调变阻器达到较高的精度的。
四、总结
(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法:
问题:
怎样对交流信号进行峰值取样?
解决方法:
采用二极管以及电容构成最简
单的峰值取样电路,满足实验的要求。
(2)总结设计电路和方案的优缺点:
优点:
采用反向增益电路,可避免无法产生0.1倍的增益的问题,只需再加以反向
器即可;同时使用二极管和电容来实现峰值取样,非常简单且实用。
缺点:
采用二极管和电容来实现峰值取样有一定的误差,会使临界值发生偏移,从
而不符合实验的要求。
(3)指出课题的核心及实用价值,提出改进意见和展望:
本课题的核心为增益自动切换,这在许多方面都有应用。
希望可以加上更多的功能,
来实现更多的功能。
(4)实验的收获和体会:
通过本次实验,加深了对运算放大器的理解,学会了使用运算放大器设计简单的电
路,了解了怎样对交流信号进行峰值取样,提高了动手实践的能力。
五、参考文献