模擬電路課程設計報告-程控放大器

1、<p>　　模擬電子線路課程設計報告</p><p>　　題 目： 程控放大器 </p><p>　　專 業(yè)： 電子工程類 </p><p>　　2011年6月16日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、課

2、程設計任務 ……………………………………………………… 2</p><p>　　二、系統(tǒng)設計方案論證及析分析 ……………………………………… 3</p><p>　　1．實現(xiàn)程控放大器的方案 ……………………………………… 3</p><p>　　2．電路原理分析 ………………………………………………… 5</p><p>　

3、　三、 單元電路的設計 ………………………………………………… 9</p><p>　　1．模擬開關電路 ………………………………………………… 9</p><p>　　2．放大電路 ……………………………………………………… 10</p><p>　　四、安裝與調(diào)試 ………………………………………………………… 12</p><

4、;p>　　1．主要儀器、儀表 ……………………………………………… 12</p><p>　　2．實驗數(shù)據(jù) ……………………………………………………… 12</p><p>　　3．誤差分析 ……………………………………………………… 12</p><p>　　4．組裝與調(diào)試 …………………………………………………… 13</p>

5、<p>　　5．電路特點及改進意見 ………………………………………… 14</p><p>　　6．元器件列表 …………………………………………………… 14</p><p>　　五、結論和心得 ……………………………………………………… 14</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………… 15<

6、;/p><p><b>　　一、課程設計任務</b></p><p>　　設計電路名稱：程控放大器</p><p><b>　　設計目的：</b></p><p>　　通過設計與實驗，了解實現(xiàn)程控放大器的方法，進一步理解設計方案與設計理念，擴展設計思路與視野。</p><p>&

7、lt;b>　　指標要求：</b></p><p>　　設計和實現(xiàn)一程控放大器，增益在10～60dB之間，以10dB步進可調(diào)；當增益為40dB時，－3dB帶寬≥40kHz.電壓增益誤差≤10％，最大輸出電壓≤10V。</p><p>　　3． 設計說明與思路提示：</p><p><b>　　不可用專用集成塊。</b></

8、p><p>　　實現(xiàn)程控放大器的方案有多種，如：</p><p>　?。?）用繼電器改變運算放大器的反饋網(wǎng)絡；</p><p>　?。?）用模擬開關來控制運算放大器的反饋網(wǎng)絡；</p><p>　　（3）用數(shù)模轉換器（D/A）的電阻網(wǎng)絡來改變增益。</p><p><b>　　4．設計內(nèi)容：</b>&

9、lt;/p><p>　?。?）、進行方案論證；（2）、設計電路；（3）、焊接，組裝、調(diào)試硬件，測試結果；（5）、撰寫實驗報告，要求有電路圖、原理說明、電路所需元件清單、電路參數(shù)計算、元件選擇、測試結果分析等。</p><p><b>　　5.設計報告的撰寫</b></p><p>　　設計報告的撰寫應包括以下內(nèi)容：</p>&l

10、t;p><b>　　設計電路名稱。</b></p><p><b>　　內(nèi)容提要。</b></p><p><b>　　設計任務和要求。</b></p><p>　　總體方案選擇的論證，內(nèi)容包括曾考慮過的各方案框圖、簡要原理和優(yōu)缺點以及所選定方案的理由等。</p><p>

11、;　　單元電路的設計、元器件選擇和參數(shù)計算。</p><p>　　繪出總體電路圖及必要的波形圖，并說明電路的工作原理。</p><p>　　組裝與調(diào)試，內(nèi)容含：</p><p>　　使用主要儀器、儀表。應列出名稱、型號、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)日期等；</p><p>　　測試的數(shù)據(jù)、波形，必要時應與計算結果比較并進行誤差分析；</p>

12、<p>　　組裝與調(diào)試的方法、技巧和注意事項；</p><p>　　調(diào)試中出現(xiàn)的故障及其診斷與排除方法；</p><p>　　所設計電路的特點及改進意見。</p><p>　　所用元器件的編號列表。列表項目為序號、符號與編號、名稱、型號與規(guī)格、數(shù)量以及必要的說明等。</p><p>　　列出參考文獻，格式為作者、文獻名、刊物名、出版

13、單位、出版時間、卷號和頁碼。</p><p>　　二、系統(tǒng)設計方案論證及分析</p><p>　　1．實現(xiàn)程控放大器的方案：</p><p>　　方案一：用繼電器改變運算放大器的反饋網(wǎng)絡</p><p>　　如圖，用繼電器改變運算放大器的反饋網(wǎng)絡。運放選用TLE2027、LM318、OP37、OPA227等均可，因為要求最大輸出電壓≤10V，

14、所以電源電壓選用±12V。</p><p>　　當增益為60dB時，放大器輸入電壓為10mV。此類放大器的增益頻率帶積GBW≥8MHz，當增益為40dB時，－3dB帶寬≥200KHz。用單級實現(xiàn)大增益，則帶寬比較緊張。所以，為滿足增益和帶寬的要求，才有三級級聯(lián)。各級增益分配如下：</p><p>　?、俚谝患売袃蓚€繼電器（A，B）控制，增益分別為：1倍（0dB）,3.162倍（1

15、0dB）,10倍（20dB）</p><p>　　②第二級由一個繼電器（C）控制，增益分別為1倍（0dB），10倍（20dB）.</p><p>　?、鄣谌売梢粋€繼電器（D）控制，增益分別為1倍（0dB），10倍（20dB）</p><p>　　三級級聯(lián)，可實現(xiàn)增益按10 dB ，20 dB ，30 dB ，40 dB ，50 dB ，60 dB步進，即分6檔變化

16、。</p><p>　?、墚斣鲆孀畲鬄?000倍時，帶寬最窄。采用OP37，LM318(GBM=15MHz),OPA227(GBW=8MHz),TLE2027(GBW=13MHz)等帶寬可超過要求，用測試結果驗證之。</p><p>　　方案二:采用數(shù)模轉換器（ D/A）的電阻網(wǎng)絡來改變增益</p><p>　　首先用三級放大電路構成一個增益為1000（60dB）的

17、放大器，然后將其輸出信號u作為D/A轉換器的參考信號（Uref），用D/A作為衰減器來實現(xiàn)增益的變化，如圖所示：</p><p>　　+12v +12v</p><p><b>　　-12v</b></p><p><b>　　… …</b></p>

18、<p><b>　　D0-07D</b></p><p>　　D/A采用AD7520，這是一個10位、并行數(shù)據(jù)輸入、R-2R結構，電流輸出型的D/A轉換器。實際上考慮到D/A低位容易受干擾，所以為了保證精度，應采取12位D/A。</p><p>　　方案三：采用三級運算放大器和模擬開關實現(xiàn)的程控放大器</p><p>　?、龠\放選用T

19、LE2027、LM318、OP37、OPA227等均可，級聯(lián)增益可達1000以上，同頻帶也能夠很好的符合要求，但由于器件限制，運放只能選用OP07C。增益公式為： Au=（1+R1/(Rg/2)）*(-R3/R2)，只要調(diào)節(jié)Rg就能夠達到調(diào)節(jié)增益的目的。</p><p>　?、谀M開關選用CC4051，CC4051相當于一個單刀多擲開關，可以選擇不同的Rg。</p><p>　?、垭娐房驁D

20、如圖所示：</p><p>　　… +5v +12v</p><p>　　A0 A1 A2 -12v</p><p><b>　　。</b></p><p>　　由于儀器放大器具有很大的共模抑制比、極高的輸入電阻，且增益能在大范圍內(nèi)

21、可調(diào)。模擬開關可用專用集成片。電路原理簡單、易操作。故采用方案2，即應用八選一模擬開關和三運放儀用放大器實現(xiàn)程控放大器</p><p><b>　　2．電路原理分析：</b></p><p><b>　　（1）儀用放大器</b></p><p><b>　　基本作用：</b></p>&

22、lt;p>　　儀用放大器常用來精確放大載于高共模電壓上的微弱差動信號</p><p><b>　　主要特點：</b></p><p>　　差動輸入，具有較高的共模抑制比；</p><p><b>　　較高的電壓增益；</b></p><p><b>　　低噪聲；</b>&

23、lt;/p><p><b>　　高輸入阻抗。</b></p><p>　　基本儀用放大器的工作原理：</p><p><b>　?、烹娐方Y構：</b></p><p>　　儀用放大器是在差動放大器基礎上發(fā)展起來的一種比較完善的放大器。它由三個運放（A1、A2、A3）和一些精密電阻構成。</p>

24、;<p>　　A1、A2為高輸入阻抗的同相放大器。A3為差動放大器。</p><p>　　注意：兩個同相放大器不是通過Rg直接接地而是相連。這是很有必要的，下面加以說明。</p><p><b>　?、齐娐贩治觯?lt;/b></p><p>　　對于運放A1、A2由運放的虛短虛斷：</p><p>　　Vo1=

25、ig*R1+Vi1，Vo2=-ig*R2+Vi2</p><p>　　當R1=R2=R時：</p><p>　　Vo1- Vo2=（1+2R/Rg）(Vi1- Vi2)</p><p>　　A3為差動放大器，取匹配電阻R5=R3，R4=R6，采用電路理論中的迭加原理及運放的虛短虛斷的概念可以求出放大器的輸出為：</p><p>　　Vo=-V

26、o1*R4/R3+（1+R4/R3）Vo2*R6/（1+R4/R3）</p><p>　　當R3=R5,R4=R6時：</p><p>　　Vo=-R4/R3*（1+2R/Rg）(Vi1- Vi2)</p><p>　　所以儀器放大器的差值電壓增壓</p><p>　　可見，放大器要求電阻匹配。若將A1、A2接成兩個獨立的同相放大器，另外需要

27、保證A1、A2的放大器數(shù)相等，兩個R1相等，否則會帶來較大誤差。這在制造時有很大的困難。</p><p><b>　　差模放大倍數(shù)：</b></p><p>　　Afv=-（1+2R/Rg）R4/R3</p><p>　　由上式可見，只要改變Rg，即可改變增益，很方便。</p><p>　　討論：制造時，應盡量將A1，A

28、2特性 相等，R1和R2，R3和R5，R4和R6要盡量配成對，才能減少電路的誤差。</p><p>　　由于A1和A2為近似相同的同相放大器，由共模電壓引起的輸出也近似相等，位差動放大器A3相差后可以補償?shù)鬉1和A2共模放大倍數(shù)引起的誤差。這時放大器的共模誤差主要取決于A3的共模抑制比。由于A1A2具有相同的溫度漂移特性，通過差動放大器A3的相減作用而達到補償，改善了其溫度特性。</p><

29、p><b>　　（2）運放的選擇</b></p><p>　　運放選用OP07. OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低

30、失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放 大傳感器的微弱信號等方面。</p><p><b>　　特點：</b></p><p>　　超低偏移： 150μV最大。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5μV/℃ 。 超穩(wěn)定，時間： 2μV/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V </p>

31、;<p>　　OP07芯片引腳功能說明：</p><p>　　1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ </p><p><b>　?。?）模擬開關</b></p><p>　　CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關，有三個二進控制輸入端A、B、C和INH輸

32、入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號可控制-13.5～4.5V的模擬信號。這些開關電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當INH輸入端＝“1”時，所有的通道截止。三位二進制信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。 </p>

33、;<p>　　CD4051引腳功能說明　</p><p>　　CD4051真值表　</p><p><b>　　CD4051管腳圖</b></p><p>　　三、 單元電路的設計</p><p><b>　　1．模擬開關電路：</b></p><p><

34、b>　　工作原理：</b></p><p>　　模擬開關選擇電路是通過CD4051的9，10，11管腳輸入高低電平來選通相應的13，14，15，12，1，2擋，之后串接對應的Rg電阻。其中輸入的高低電平由3位撥碼開關提供。</p><p><b>　　參數(shù)計算：</b></p><p>　　由增益計算公式：Au=（1+R1/(

35、Rg/2)）*(-R3/R2)，與所要求的放大倍數(shù)10dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB可計算出Rg的大小分別為：Rg1=740.74K、Rg2=17.143K、Rg3=8.119K、Rg4=4.192K、Rg5=2.254K、Rg6=1.237K。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)輸入電路：</b></p><p><b>　　撥碼開關

36、輸入端電路</b></p><p><b>　　電阻選擇電路：</b></p><p>　　CC4051Rg選擇電路</p><p><b>　　模擬開關總體電路：</b></p><p><b>　　2．放大電路：</b></p><p>

37、<b>　　工作原理：</b></p><p>　　該部分由OP07運放和電阻組成反饋網(wǎng)絡， 對輸入信號進行放大，U1,U2組成第一級放大電路，再將信號輸入至第二級放電路，實現(xiàn)所要求的放大倍數(shù)。</p><p><b>　　參數(shù)計算：</b></p><p>　　由于器件原因將第一二級放大設定為50dB，第二級設定為10d

38、B。由級聯(lián)運放增益計算公式:前端：Vo1-Vo2=(1+2R/Rg)(Vi2-Vi1)，后端：Vo=-R4/R3(Vo2-Vo1)可得電阻應選取如下值：R1=20K、R2=10K、R3=30K。輸入端接10K電阻以減小對運放的輸入電流。</p><p><b>　　前端放大電路：</b></p><p><b>　　后端放大電路：</b><

39、/p><p><b>　　總體放大電路：</b></p><p><b>　　整體程控電路:</b></p><p><b>　　四、安裝與調(diào)試</b></p><p>　　1．主要儀器、儀表：</p><p><b>　　雙蹤示波器</b&

40、gt;</p><p><b>　　萬用表</b></p><p><b>　　函數(shù)信號發(fā)生器</b></p><p><b>　　交流毫伏表</b></p><p><b>　　模擬電路實驗箱</b></p><p><b&

41、gt;　　2．實驗數(shù)據(jù)：</b></p><p><b>　　幅頻特性曲線：</b></p><p><b>　　Av/倍</b></p><p><b>　　31.62</b></p><p><b>　　22.36</b></p>

42、;<p><b>　　f/HZ</b></p><p>　　0 2.3HZ 24KHZ</p><p><b>　　3．誤差分析：</b></p><p>　　各檔位誤差均在10%以內(nèi)，符合設計要求</p><p>　　誤差原因綜合

43、分析可以知道在測試電路的過程中可能帶來的誤差因素有:</p><p>　　A．元件本身存在誤差；</p><p>　　B．焊接時，焊接點存在微小電阻；</p><p>　　C．萬用表本身的準確度而造成的系統(tǒng)誤差；</p><p>　　D．測量方法造成的人為誤差。</p><p><b>　　4．組裝與調(diào)試：&

44、lt;/b></p><p><b>　　組裝：</b></p><p>　　對電路進行組裝：按照自己設計的電路，在在通用板上焊接。焊接完畢后，應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過反復的調(diào)整和測量，使電路的性能達到要求。</p><p>　　安裝前應

45、檢查元器件的質(zhì)量，安裝是特別要注意電位器、集成芯片等主要器件的引腳和極性，不能接錯。從輸入級開始向后級安裝。 </p><p>　　開始安裝穩(wěn)壓電源，檢查萬能板內(nèi)部結構，確定其內(nèi)部的電氣連接屬性．</p><p>　　1.檢查元器件看是否有損壞，或者不符合規(guī)格的，要及時更換。</p><p>　　2.安裝一個元器件，先要用尖嘴鉗將其引腳成型，然后用鑷子把引腳放入孔內(nèi)

46、．高度要適中，符合電氣標準．完畢后，要用萬用表測量元器件引腳和電路板之間是否接觸良好，然后再安裝下一個元器件。</p><p>　　3.對于導線要用斜口鉗切成適當?shù)拈L度，然后成型安裝．安裝時必須采用絕緣良好的絕緣導線,在畫連線的時候要取好元件與元件的距離.連接的時候線與線之間不能交叉。</p><p>　　4.應避免元器件損壞的發(fā)生，插元器件時候要垂直插拔以免行成不必要的損壞。</p

47、><p><b>　　調(diào)試：</b></p><p><b>　　1．靜態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　當連好電路板的線路時，先不要急著通電，而因該從以下幾個方面進行檢測：</p><p>　　A、對照原理圖，用萬用表一一檢查線路的各個接口是否接通，是否有短路、斷路或漏接的現(xiàn)象，如果有，因該及時改好

48、電路連線。</p><p>　　B、對照原理圖，檢查各元件是否接正確。</p><p><b>　　2．動態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　接通電源，開關撥至對應檔位，測試輸出波形及放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)對應電位器使輸出盡量接近理論設計值</p><p>　　5．電路特點及改進意見：</p><p>　

49、　本次課程設計所用電路具有性能優(yōu)良，工作可靠，外圍元件少，以及安裝方便等特點，各放大倍數(shù)檔位均能正常工作。</p><p>　　由于運放元件采用OP07器件，其理論放大倍數(shù)和實際放大倍數(shù)存在較大差異，其帶寬與理論值相差也較大，因此可選用OP37等更為理想的運放，以提高電路的性能。</p><p><b>　　6．元器件列表：</b></p><p&

50、gt;<b>　　五、心得體會</b></p><p>　　在這次設計中，我遇到了很多難以解決的問題同時也學會了很多知識。掌握了程控放大器的設計與制作，掌握了如何去檢查電路中的錯誤與線路是否導通，進一步熟練萬用表的使用等等。制作電路板的問題有很多，例如如何布局布線，還有焊接技術的要求。在測試自己的電路板時有點心驚膽戰(zhàn)，和同學們互相討論，傳授經(jīng)驗，讓我感到那種學習的氛圍很好，同學們的互相幫助讓