1、1.3方案论证.2 1.3.1模数转换模块.2 1.3.2模拟开关模块.21.3.3电压放大模块.31.4电路工作原理.3 1.4.1总电路工作原理.31.4.2窗口比较器.41.4.3CD4051模块.51.4.4LMS324放大模块.61.5电路设计计算.81.6元器件的选择.8二、 仿真电路的搭建.92.1总仿真电路图.9 2.2仿真调试步骤.92.3仿真数据.10三、 仿真结果分析.103.1设计结果与数据处理.10 3.2设计总结.113.2.1实际电路中可能存在的问题.113.2.2电路改进措施.113.2.3设计电路总体总结.12四、 设计心得体会.12 五、 附录.131、系统
2、总体设计1.1设计要求1)输入信号为050mv时,放大100倍;2)当输入信号为50mv500mv时,放大10倍;3)当输入信号为500mv5v时,放大1倍;(根据输入信号大小,自动改变放大倍数。)1.2系统框图模拟开关(八选一数据选择器)模数转换模(窗口比较器)块输入信号输出信号正比例放大模块图1.2.1 系统总体设计框图1.3方案论证 本设计为增益可变直流放大电路,主要由三大模块组成模数转换模块(窗口比较器)、模拟开关(八选一数据选择器)、正相比例放大模块。模数转换模块 本模块需实现电压比较功能,将模拟电路中的不同档位的电压转换成数值电路中的高低电平,故需要用到电压比较器,常见的几种电压比
3、较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器。1)单限比较器 电路只有一个阈值电压,即只有一个电压比较值,而本设计要有500mV和50mV的两个阈值电压,故不能采用。2)滞回比较器 电路中虽然有两个阈值电压UT1和UT2,但当输入电压向单一方向变化时,输出电压只越变一次。这一点不符合本设计电压比较模块的功能要求,故也不采用。3)窗口比较器 电路有两个阈值电压,输入电压U1从小变大或从大变小过程中使输出电压U0产生两次跃变。窗口比较器与前两种比较器的区别在于:输入电压向单一方向变化过程中,输出电压跃变两次。而这一特性正是本模块设计所需要的,故本模块采用窗口比较。模拟开关模块 本模块需要实现对放大电路
4、中接地电阻的自动选取,故需要数据选择芯片,市场上常见的芯片有很多,单本模块采用CD4051芯片。该芯片接口操作简单,易于上手,并且完全满足本模块的设计要求,故本模块采用之。电压放大模块 在电压放大模块中,我选用LM324四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如下图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点 ,故本模块采用LM324四运放集成电路。图1.3.1 LM324四运放集成电路符号 1.4电路工作原理1.4.1总电路工作原理 利用LM324放大器构成的窗口
5、比较器,将模电信号转化为数字电路中的高低电平.设定门限电压为500mV和50mV,当输入不同的电压就将信号转化为高低电平.当输入为大于500mV时, B端输出为高电平,A端输出为低电平。电压Ui介于于500mV与50mV之间时,B端输出为低电平,A端输出为低电平。当输入电压Ui小于50mV时,B端输出为低电平,A端输出为高电平。在利用CD4051八选一数据选择器,选择不同的电阻值实现不同的放大。1.4.2模数转换模块(窗口比较器)1)当输入电压Ui50mV时,B端输出为低电平,A端输出为高电平。2)当输入电压50mVUi500mV时,B端输出为高电平,A端输出为低电平。表1.4.1 数模转换数
6、据表输入电压A B50mV1 050mV0 1图1.4.2 窗口比较器仿真电路图(其中两个发光二极管分别检测两个LM324是否正常工作)1.4.3模拟开关(八选一数据选择器) 本设计选用CD4051作为数据选择器. CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如,若VDD+5V,VSS0,VEE-13.5V,则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态
7、无关。当INH输入端“1”时,所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道,可连接该输入端至输出. 图1.4.3 CD4051管脚图 注:CD4051引脚功能描述: (A0A2 地址端 I0/O0I7/O7 输入输出端 INH 禁止端 O/I 公共输出/输入端 VDD 正电源 VEE 模拟信号地 Vss 数字信号地 )图1.4.4 CD4051逻辑真值表注:CD4051参数(电源电压范围3V15V 输入电压范围0VVDD 工作温度范围 M类55125 E 类.4085 极限值: 电源电压.0.5V18V 输入电压0.5VVDD+0.5V 输入电流.10mA 储存温度65150)1.4.4
8、正相比例放大模块 本设计正相比例放大模块采用LM324集成运放将输入电压进出行放大。设计采用同相比例运算电路,供电模式采用+5V单电源供电。由于LM324集成运放只能工作在电压正半轴,因此只能选择正相比例放大。电路引入了电压串联负反馈,因此可以认为输入电阻为无穷大,输出电阻为零。由“虚短”与“虚断”可得,集成运放的净输入电压为零。由此可以得到:Uo=(1+Rf/R)*Ui 经综合考虑选取反馈电阻Rf=100K(即图中R5的值)。 当Av=1+Rf/R=1时,选取用R=1M的电阻。 当Av=1+Rf/R=10时,选取用R=10K的电阻。 当Av=1+Rf/R=100时,选取用R=1k的电阻。图1
9、.4.5 正向比例放大电路图1.5电路设计计算 窗口比较器两阈值电压UT1=50mV UT2=500mV;(滑动变阻器RV1和RV2分别调节两阈值电压到所需值,其阻值一般选为10k) LM324通过CD4051数据选择器中对三电阻阻值的选取反馈电阻Rf=100k;由公式Au=U0/Ui=(1+Rf/R)可得:a.当Av=1+Rf/R=1时,选取用R3=1M的电阻。b.当Av=1+Rf/R=10时,选取用R2=10K的电阻。c.当Av=1+Rf/R=100时,选取用R4=1k的电阻。1.6元器件的选择表1.6.1 元器件参照表序号元件名称参数备注1电阻1K、10K、100K、1M2发光二极管(两个)红色3滑动变阻器10K(三个)4LM3245CD40516直流电源+5V二、仿真电路的搭建2.1总仿真电路图图2.1.1总仿真电路图2.2仿真调试步骤1)先给电路上+5V电的直流电。2)调节滑动变阻器RV1和RV2,使2点电压输出为500mV,5点电压为5mV。3)分别输入不同范围值的电压,分别测试模拟开关CD4051数据选择器的芯片管脚10,11即A,B端输出的高低电平。当输入信号小于50mV时,A为高电平,B为低电平;当输入信号为50mV500mV时,B为低电平,A也为低电平;当输入信号大于500mV时,B为高电
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