可編程放大器設計(模擬電子技術課程設計)

1、<p>　　課程名稱： 模擬電子技術課程設計 </p><p>　　題 目： 可編程放大器設計 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　班 級： 電信 </p>

2、<p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　日 期： </p><p><b>　　可編程放大器設計</b></p><p><b>　　一、設計任務與要求</b

3、></p><p>　　設計并制作一個可編程放大器，其要求如下：</p><p>　　1、電壓放大倍數(shù)由計算機的指令給定，即計算機通過數(shù)據線將BCD碼N（8bit）送給數(shù)據鎖存器（它是可編程放大器的一部分，其地址碼由設計者選定）后，放大器的輸出電壓與輸入電壓符合下列函數(shù)關系： </p><p>　　直到計算機給它送來新的數(shù)據以前，在溫度等因素不

4、變的條件下，這個函數(shù)關系保持不變。 </p><p>　　2、電壓放大倍數(shù)的實際值與上述函數(shù)關系中的N之差的絕對不超過，其條件是：</p><p>　?。?） 1≤N≤99；</p><p>　?。?） vO的絕對值在1V至10V范圍以內；</p><p>　　（3） 溫度在100C至300C范圍內；</p><p>

5、;　?。?） vI是變化緩慢的直流信號；</p><p>　　3、輸入電阻不小于100MΩ。</p><p><b>　　二、方案設計與論證</b></p><p><b>　　1、設計思路</b></p><p>　　在查閱資料，對可編程放大器選擇放大電路，采用UA741放大器來實現(xiàn)。首先給放大器

6、一個信號。然后再用8個不同阻值的電阻。讓它們進行不同的并聯(lián)，使其產生不同的變化，出現(xiàn)不同的阻值。74ls161計數(shù)器的工作是用一個開關來實現(xiàn)，用兩個開關給它脈沖計數(shù)器并加一，每個計數(shù)器輸出4位BCD碼，兩個計數(shù)器就可以產生8位BCD碼。同時74ls161計數(shù)器通過74ls48驅動數(shù)碼管顯示，即顯示電壓的放大倍數(shù)。兩個74ls161計數(shù)器初始設置為0000，以后每次摁一下后面就加1。直到74ls161計數(shù)器輸出1010時，74ls161計

7、數(shù)器的通過非門74ls04和四位與非門74ls13將計數(shù)器置0開始重新計數(shù)，然后依次循環(huán)。在74ls161計數(shù)器后面有8位npn放大電路控制繼電器的通斷，當有高電平時，繼電器通路，同時控制后面的8路并聯(lián)電阻來實現(xiàn)電壓的放大。8路電阻值分別是100k、50k、25k、12.5k、10k、5k、2.5k、1.25k，這樣就可以8位的BCD碼通過選通電阻值的大小進而轉換為兩位的十進制數(shù)值（即放大倍數(shù)）公式為：，當計數(shù)器出現(xiàn)1000 0001

8、時，它的放大倍數(shù)為81倍：。</p><p>　　2、可編程放大器整體電路原理方框圖</p><p><b>　　如圖1所示： </b></p><p>　　圖1 整體電路原理框圖</p><p><b>　　2、方案選擇</b></p><p><b>　　方案

9、1</b></p><p>　　在這電路圖中主要是運用開關來控制16種不同的阻值。主要的控制方法用函數(shù)信號發(fā)生器接Ui，直接用開關進行手動的閉合控制，8個不同阻值的大小進行了并聯(lián)。使其不同的開關閉合，出現(xiàn)不同的阻值。從而產生00-99種不同的現(xiàn)象</p><p>　　如圖2所示，仿真圖見壓縮包SW01.DSN：</p><p>　　圖2 SWITCH控

10、制電阻的放大電路</p><p><b>　　方案2</b></p><p>　　方案2是Ui輸入信號時，運用了74ls161計數(shù)器輸出的BCD碼控制模擬開關4066通斷，使其產生00-99種不同的狀態(tài)。當為高電平的時候導通，使其電路實現(xiàn)2路開關控制電壓的放大倍數(shù)。</p><p>　　如圖3所示，仿真圖見壓縮包SW02.DSN：</p&

11、gt;<p>　　圖3 4066模擬開關控制電阻的放大電路</p><p><b>　　方案3</b></p><p>　　方案3是Ui輸入信號時，運用繼電器開關來控制電阻電路的通斷，74ls161計數(shù)器接收到上升沿電平出發(fā)的時候，74ls161計數(shù)器轉換成兩個4位BCD碼來控制npn放大電路，使繼電器有足夠的電流工作，進而使8路電阻通斷狀態(tài)，實現(xiàn)電壓

12、的放大效果。在npn放大電路為了使得集電極反偏，電路并聯(lián)一個LED燈顯示繼電器的通斷狀態(tài)計數(shù)器輸出的狀態(tài)同時使得NPN工作在放大區(qū)。</p><p>　　當74ls161計數(shù)器電路，輸出的BCD碼為0110 0100時，控制NPN Q2、Q3、Q7工作在放大區(qū)，實現(xiàn)繼電器RL2、RL3、RL7導通，電路并聯(lián)的電阻為5k、2.5k、25k根據計算公式算的放大倍數(shù)是64，與BCD碼的轉換一致。</p>

13、<p>　　如圖4所示，仿真圖見壓縮包SW03.DSN：</p><p>　　圖4 繼電器的控制電阻仿真電路</p><p>　　方案1 這個方案它是用了8個開關來實現(xiàn)，這樣可以做出可編程放大器結果。但這不符合老師所給選的題目要求，所以不選此方案。</p><p>　　方案2 這個方案用4066模擬開關通過74ls161計數(shù)器BCD碼，74ls161

14、計數(shù)器產生BCD碼可以實現(xiàn)00-99種不同的狀態(tài)。這個方案完全達到題目的要求，它不可以對信號進行放大，由于4066內部電阻影響，當輸入電壓增大放大變大所造成的誤差值很明顯超出老師的要求，這是這個電路的最大缺點。在實驗開始一直選擇的是這種電路，但是沒有解決誤差原因所以我沒有選這種方案。</p><p>　　方案3 這個方案是用繼電器開關，通過74ls161計數(shù)器BCD控制NPN電流放大進而控制電阻的通斷，這個方案和

15、第二個方案唯一的不同點是，繼電器斷開是不會有內部電阻的影響，它的最大好處就是可以使大小的信號都可以放大。所以我選擇了這種方案。</p><p>　　本課題還可以利用單片機來實現(xiàn),用簡單的邏輯數(shù)字電路和模電電路實現(xiàn)老師的要求，所以沒有加單片機模塊。因為單片機的功能比較強大，在仿真的輸出如果需要復雜的控制電路可以采用單片模塊。</p><p>　　三、單元電路設計與參數(shù)計算</p>

16、<p><b>　　3.1計數(shù)器</b></p><p>　　在電子計算機和數(shù)學邏輯電路中，計數(shù)器是最基本的部件之一，它能累計輸入脈沖的數(shù)目，就像我們數(shù)數(shù)字一樣，如來的時鐘脈沖的寬度一定時，計數(shù)器就成了定時器，在自動化控制等許多方面有不可替代的作用。</p><p>　　根據電路邏輯設計的不同，計數(shù)器可以進行加法計數(shù)，這樣做比較符合人們的習慣；計數(shù)器也可

17、以進行減法計數(shù)，這種方法在定時控制中用得比較多，或者可以進行兩者兼有的可逆計數(shù)。</p><p>　　計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)電路中應用場合最多的是時序電路,它不僅能用于對時鐘脈沖個數(shù)進行計數(shù),還可以用于定時\分頻及數(shù)字運算等。</p><p><b>　　1、計數(shù)器的種類</b></p><p>　　按計數(shù)器中觸發(fā)器翻轉的時續(xù)異同分,有同步計數(shù)器和異

18、步計數(shù)器,同步計數(shù)器中各觸發(fā)器均采用同一個CP脈沖觸發(fā),而異步計數(shù)器中各觸發(fā)器的CP在兩個以上。</p><p>　　按計數(shù)器的功能,即其數(shù)字的變化規(guī)律分,有加法(遞增)計數(shù)器\減法(遞減)計數(shù)器和可逆(加法\減法)計數(shù)器。</p><p>　　按計數(shù)體制來分,有二進制計數(shù)器\二--十進制計數(shù)器(或稱十進制計數(shù)器)\任意進制(或稱N進制)計數(shù)器。如果構成計數(shù)器的觸發(fā)器個數(shù)為n,二進制計數(shù)器

19、在計數(shù)脈沖作用下,有效循環(huán)的狀態(tài)數(shù)為 個;十進制計數(shù)器有效循環(huán)的狀態(tài)數(shù)為10個;狀態(tài)數(shù)不等于2n和10的,就是任意進制了。</p><p>　　2、四位同步二進制計數(shù)器74LS161</p><p>　　74LS161 是一個具有異步清零、同步置數(shù)、可以保持狀態(tài)不變的十六進制上升沿計數(shù)器 , 各腳功能見表1、管腳圖見圖5</p><p>　　表1 74ls161功能

20、圖</p><p>　　控制端的作用簡述如下：</p><p>　?。?）清零。Cr是具有最高優(yōu)先級別的異步清零端，當 Cr=0時，不管其他控制信號如何，計數(shù)器清零。</p><p>　?。?）置數(shù)。當Cr=1時，具有次優(yōu)先權的為LD，當LD=0時，輸入一個CP上升沿，則不管其他控制端如何，計數(shù)器置數(shù)，即QDQCQBQA=DCBA。</p><p

21、>　?。?）計數(shù)。當 Cr=LD=1時，且優(yōu)先級別最低的 使能端S1=S2=1時,在CP上升沿觸發(fā)下，計數(shù)器進行計數(shù)。</p><p>　?。?）保持。當Cr=LD=1時，且S2和S1中至少有一個為0時，CP將不起作用計數(shù)器保持原狀態(tài)不變。</p><p>　　圖5 74ls161管腳圖</p><p>　　3.2反相器74LS04</p>&l

22、t;p><b>　　參數(shù):</b></p><p>　　電源電流最大值6.6mA</p><p>　　傳輸延時時間 tPLH≤15ns tPHL≤15ns </p><p>　　74LS04真值表：見表2</p><p>　　表2 74ls04功能圖</p><p>　　74LS04管腳圖

23、：見圖6</p><p>　　圖6 74ls04管腳圖</p><p>　　3.3數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　根據74ls161功能表，選擇計數(shù)器的技術功能，同時在輸出是1010對計時器進行置位使得顯示為兩位十進制的數(shù)字。</p><p>　　如下圖7，仿真圖見壓縮包7SEG.DSN:</p><p>　　圖7

24、 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　3.4 集成運放的分類</p><p>　　集成運放根據其用途特點可分為通用型運放和專用型運放。按封裝類型可分為單運放集成塊(741系列)\雙運放集成塊(LM358)\四運放集成塊(LM324)等。 按功率分類,有微功耗型和大功率型等等。</p><p>　　通用型運放包括F741\F747\LM324等,價格便宜,使用方便

25、,可用作一般的模擬信號放大器和反饋放大器\信號產生電路和有源濾波電路等。</p><p>　　專用型運放種類很多,根據各種特殊需要而設計,大致有:</p><p>　?。?）低功耗集成運放,如F253\F012\F013。</p><p>　　（2）高精度集成運放----漂移和噪聲非常低,增益和共模抑制比非常高的運放。包括OP07\F032\F714等。</p

26、><p>　?。?）高輸入阻抗集成運放。采用場效應管構成的高輸入阻抗集成運放,其輸出阻抗可達1012Ω數(shù)量級。</p><p>　?。?）高速集成運放(如LM318),可用于A/D\D/A轉換\有源濾波\模擬乘法器等。另外還有高壓集成運放,可以解決高輸出電壓或高輸出功率的要求。</p><p>　　2、通用型集成運算放大器F741(F007、UA741)</p&g

27、t;<p>　　UA741的共模輸入電壓范圍寬，即使信號幅度超過共模輸入范圍也不會引起阻塞和自激振蕩。同時內部有頻率補償措施，因此不需外接補償電容。另外，UA741的輸出有過載保護，長時間的的輸出短路也不會損壞元器件。</p><p>　　使用中若要調零，可在兩調零端間接一電位器，并把動端接電源V-來進行調零調節(jié)。</p><p>　　（1）UA741為通用型集成運放,主要技

28、術指標為:開環(huán)電壓增益80dB以上,差模輸入電阻不小于1MΩ,輸入偏流小于50uA,KCMR大于86dB。</p><p>　?。?）雙列直插式UA741管腳如圖所示圖中,管腳按逆時針方向排序,①腳、⑤腳為調零電位器;②腳為反相輸入端;③腳為同相輸入端;⑥腳為輸出端;④腳為負電源;⑦腳為正電源;⑧腳為空腳。UA741通常采用雙電源供電,電源電壓為±12V～±15V。</p>&l

29、t;p>　　3.5反相比例運算電路</p><p>　　如圖8所示,輸入信號ui經輸入外接電阻R1-R9送到反相輸入端,而同相輸入端通過電阻R21-R29接地。反饋電阻R5跨接在輸出端和反相輸入端之間,形成電壓并聯(lián)負反饋。</p><p>　　根據運算放大器工作在線性區(qū)時虛短、虛斷，知他們的關系是比例放大的關系只要R5和Rx的阻值足夠精確,就保證了比例運算的精度和工作穩(wěn)定性。且R21

30、-R29是一個平衡電阻,其作用是為了使兩個輸入端的外接電阻相等,從而保證輸入級差分放大電路的偏置電路對稱。</p><p>　　圖8 UA741反相放大電路圖</p><p>　　3.6 電壓跟隨器電路</p><p>　　輸入信號ui輸入送到同相輸入端,而輸出端不經過電阻直接反饋給反相端。將輸出電壓全反饋給反相端，這樣既可以完成控制輸入電阻不小于100M，如圖9

31、輸入信號端電壓跟隨器；同時也可以滿足控制溫漂限制溫度在100C至300C，如圖10輸出端電壓跟隨器。</p><p>　　如圖9所示,電壓跟隨器即是同相比例運算電路,信號源提供的信號電流為0,即輸入電阻無窮大,這是電壓跟隨器電路特有的優(yōu)點。</p><p>　　如圖10所示，電壓跟隨器在輸出端可以起到隔離負載電路的作用，同時電壓跟隨器很好的控制溫漂，可以滿足溫度在100C至300C。<

32、;/p><p>　　圖9 輸入端電壓跟隨器</p><p>　　圖10 輸出端電壓跟隨器</p><p>　　3.7 限幅控制電路</p><p>　　由題意要求需要控制電壓輸出電壓絕對值在1-10V，根據運放的性質可以控制運放輸出電壓為10V，超過10V截至即可。但是電路不能滿足控制最小輸出電壓值為絕對值1V。</p><

33、;p>　　故為滿足要求在輸出端加四個電壓比較器，當電壓在-10~-1V、1~10V時，指示燈不會發(fā)光，不在此范圍的電壓值指示燈會發(fā)光。其中LED D10發(fā)光表示電壓超過10V或低于-10V，D9發(fā)光表示電壓在-1V~1V之間。</p><p>　　如下圖11，運放控制輸出絕對值為10V圖：</p><p>　　圖11 運放控制V輸出仿真圖</p><p>

34、　　如下圖12，指示燈提示電路圖：</p><p>　　圖12 指示燈提示電路</p><p>　　四、總原理圖和元器件清單</p><p>　　1、如下圖13，總原理圖：</p><p><b>　　圖13 總原理圖</b></p><p><b>　　2、元器件清單</b&

35、gt;</p><p><b>　　五、仿真調試與分析</b></p><p>　　如下圖14、圖15：</p><p>　　圖14 放大20倍仿真調試圖</p><p>　　圖15 放大40倍仿真調試圖</p><p><b>　　分析：</b></p>&l

36、t;p>　　輸入信號振幅是1V時：當電壓放大20倍，振幅是19.42V<0.2+2=2.2V故滿足題意；當電壓放大40倍，振幅是運放截至限制輸出超過10.82V就被截止；同時可以觀察指示燈閃爍情況知道電壓輸出幅度是否在輸出幅度絕對值超出10V。</p><p>　　由于輸入信號是正旋波故在-1V~+1V指示燈會閃爍， 10V幅度值的指示燈也可以判斷。</p><p><b

37、>　　六、結論與心得</b></p><p><b>　　七、參考文獻</b></p><p>　　[1]華成英，模擬電子技術基本教程，清華大學出版社，2006；</p><p>　　[2]閻石，數(shù)字電子技術基本教程，清華大學出版社，2006；</p><p>　　[3]彭介華，電子技術課程設計指導，高