電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計---程控增益放大器

1、<p>　　電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）</p><p>　　題目：程控增益放大器</p><p>　　院（系）：電子與信息工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級： 電氣09 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師職稱： </p><p>　　起止時間： </p><p>　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語</p><p>　　院（系）：電子與信息工程學(xué)院

3、 教研室：電子信息工程</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 程增益放大器設(shè)計方案論證1</p><p>　　1.1程控增益放大器的應(yīng)用意義1</p><p>　　1.2程控增益放大器設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)1</p><p>　　1.3 設(shè)

4、計方案論證1</p><p>　　1.4 總體設(shè)計方案框圖及分析2</p><p>　　第二章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計2</p><p>　　2.1 撥碼開關(guān)的設(shè)計2</p><p>　　2.2 集成電路運算放大器的設(shè)計5</p><p>　　2.3增益調(diào)整電路設(shè)計8</p><p

5、>　　第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計8</p><p>　　3.1 整體電路圖及工作原理8</p><p>　　3.2 電路參數(shù)計算9</p><p>　　3.3 整機電路性能分析9</p><p>　　第四章 設(shè)計總結(jié)9</p><p><b>　　參考文獻10</b>&l

6、t;/p><p>　　附錄：器件清單………………………………………………………………………………11</p><p>　　第一章 程控增益放大器設(shè)計方案論證</p><p>　　1.1程控增益放大器的應(yīng)用意義</p><p>　　程控增益放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器符號PGA，在多通道多參數(shù)空間一個測量放大器，多通道放大器的信號的大小并

7、不相同，都是放大至A/D交換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)是電壓，因此對各個通路要求測量放大器的增益也不同。放大器的交流是由數(shù)字信號控制的反反饋電阻完成的，這種電路結(jié)構(gòu)簡單成本低使其幅度程控增益放大器(PGA)主要用于對幅度較小信號進行增益控制，達到ADC轉(zhuǎn)化器所工作的要求。利用撥碼開關(guān)的數(shù)碼代替電位器刻度，具有線性度好、精度高、直觀，可直接或間接取代一般線性電位器或多圈線性電位器。在電子儀器儀表設(shè)備、工業(yè)自動化控制，穩(wěn)壓、恒流、供電、機電保護、電動

8、機保護、溫控、濕度、壓力、重量等自動控制中達到數(shù)字設(shè)定的目的。放大器的增益的變化是由數(shù)字信號控制其反饋電阻完成的。 </p><p>　　1.2程控增益放大器設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.2.1設(shè)計要求：</p><p>　　1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)

9、構(gòu)框圖。</p><p>　　2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。</p><p>　　3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。</p><p>　　4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進

10、右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。</p><p><b>　　1.2.2技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1.電壓放大倍數(shù)N由撥碼開關(guān)控制，1。</p><p>　　2.輸出電壓絕對值在1—10V范圍。</p><p><b>　　3.輸入電阻。</b></p><p

11、><b>　　3.輸出電阻</b></p><p><b>　　1.3設(shè)計方案論證</b></p><p>　　程控增益放大器并不多見，需要采用其它方法來實現(xiàn)，通常有兩種方法：</p><p>　　1）運放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　2）運放+數(shù)字電位器。</p>

12、<p>　　其中，前一種方法利用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需元器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。第二種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來控制放大電路的增益，線路較為簡單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見的有32、64抽頭，少數(shù)可達1024抽頭，因而構(gòu)成的放大器精度有限，無法滿足</p><p>　　10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。本節(jié)采用第二種加以論證</p&

13、gt;<p>　　1.4總體設(shè)計方案框圖及分析</p><p>　　根據(jù)放大倍數(shù)以步距1在1～100范圍內(nèi)變化的要求，可用3位撥碼開關(guān)對D/A置數(shù)來設(shè)置放大倍數(shù)，并用撥碼開關(guān)控制增益。該方案電路簡單，但置的是十六進制數(shù)，使用者必須根據(jù)增益在哪一擋來換算放大倍數(shù)，且只能實現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能</p><p>　　圖1 程控增益放大器框圖</p><p>　　第二

14、章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計</p><p>　　2.1撥碼開關(guān)的設(shè)計</p><p>　　2.1.1所示的電路中，輸入3位10進制數(shù)1－999時，輸出為20Ω，實際上是3個位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個560kΩ的電位器，共有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無級調(diào)節(jié)的電位器。按圖上所標(biāo)的阻值，輸入的3位數(shù)字越大

15、，等效的并聯(lián)電阻越小。</p><p>　　圖2    3位8421撥碼開關(guān)組成的電位器電路</p><p>　　所謂8421碼，也是一種二進制碼，是一種數(shù)字字符編碼，每四位分為一段，該段內(nèi)的四個二進制位分別對應(yīng)2的3次方(8)，2的2次方(4)，2的1次方(2)，和2的0次方(1)。而3、2、1、0是2的冪指數(shù)，稱為對應(yīng)為的權(quán)。它對應(yīng)只有0－－9十個數(shù)字，還

16、有一種是二進制碼，有0－－9加上A－－F共16個數(shù)字。以下是8421bcd碼，二進制碼和十進制數(shù)的對應(yīng)8421碼     二進制碼    對應(yīng)數(shù)字0000        0000       &

17、#160;  00001        0001          10010        0010    

18、60;     20011        0011          30100        0100  

19、;        40101        0101          50110        

20、;0110          60111        0111          71000     &

21、#160;  1000          81001        1001          9   &

22、#160;        1010    </p><p>　　2.1.2   10進制編碼開關(guān)</p><p>　　在圖3所示的電路中，輸入3位10進制數(shù)0～999時，若電阻器R1～R9取1kΩ 電阻器R10～R18取100Ω，電阻器R19～R27取

23、10Ω，則輸出為0～10kΩ的等效電阻，實際上是3個位上的電阻器串聯(lián)，相當(dāng)于1個10kΩ的電位器，也有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，也可以取代在模擬電路中廣泛使用的無級調(diào)節(jié)的電位器。顯然，輸入的3位數(shù)字越大，等效的串聯(lián)電阻也越大。</p><p>　　圖3    3位10進制編碼開關(guān)組成的電位器電路</p><p>

24、　　2.2集成電路運算放大器設(shè)計</p><p>　　集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路輸入級：通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。主要作用是提高抑制共模信號能力，提高輸入電阻?！　≈虚g級：帶恒流源負(fù)載和復(fù)合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級，主要作用是提高電壓增益。　　輸出級：采用互補對稱功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。</p&

25、gt;<p>　　2.2.1集成電路運算放大器中的電流源</p><p>　　1．基本電流源　　分壓式射極偏置電路為基本電流源電路。當(dāng)三級管工作在放大區(qū)，由于射極電流僅由兩分壓電阻決定，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（也即集電極電阻發(fā)生變化），輸出電流（即集電極電流）保持不變，體現(xiàn)了恒流特性。</p><p>　　2．有源負(fù)載　　由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點，因此在模擬

26、集成電路中，常把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。</p><p>　　3．電流源的應(yīng)用（1）為集成運放各級提供穩(wěn)定的偏置電流；（2）作為各放大級的有源負(fù)載，提高電壓增益。</p><p>　　圖4集成電路運算放大器原理圖</p><p>　　2.2.2偏置電路     偏置電路的作用是向各級放大電路提供合適的偏置電流，決

27、定各級的靜態(tài)工作點。F007的偏置電路由T8～T13組成?；鶞?zhǔn)電流由T12、R5、T11，和電源EC（15V）、EE（- 15V）決定：      T10、T11和R4組成微電流源電路，提供輸入級所要求的微小而又十分穩(wěn)定的偏置電流，并提供T9所需的集電極電流，即IC10＝IC9 ＋2IB3；T8與T9 組成鏡像恒流源電路，提供T1、T2的集電極電流，即IC1＋IC2＝IC9

28、，T12與T13組成鏡像恒流源電路，提供中間級T16、T17的靜態(tài)工作電流，并充當(dāng)其有源負(fù)載。    2.2.3輸入級     輸入級對集成運放的多項技術(shù)指標(biāo)起著決定性的作用。它的電路形式幾乎都采用各種各樣的差動放大電路，以發(fā)揮集成電路制造工藝上的優(yōu)勢。F007的輸入級電路是由T1～T7組成的帶有恒流源及有源負(fù)載的差動放大電路。有源負(fù)載是由T5，T6

29、、T7及R1、R2、R3組成的改進型鏡象恒流源電路。用它作差動放大電路的有源負(fù)載，不僅可以提高電壓放大倍數(shù)，還能在保持電壓放大倍數(shù)不變的條件下，將雙端輸出轉(zhuǎn)化為單端輸出。  </p><p><b>　　圖5集成電路符號</b></p><p>　　輸還能完成電位移動功能，使輸入級出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級就可直接接NPN型管；由于P

30、NP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動放大電路的差模輸入電壓也很高，可達30V以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與NPN管隔離開的作用。    2.2.4中間級     中間級電路的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，并向輸出級提供較大的推動電流，有時還要完成雙端輸出變單端輸出，電位移動等功能。F007的

31、中間級是由復(fù)合管T16、T17和電阻R6組成的共發(fā)射極放大電路，T12、T13組成的鏡象恒流源作為它的有源負(fù)載，因而可以獲得很高的電壓放大倍數(shù)。R6起電流負(fù)反饋作用可以改善放大特性。</p><p>　　2.2.5輸出級     輸出級的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過載保護措施。輸出級大都采用互補對稱輸出級，兩管輪流工作，且每個管于導(dǎo)電時均

32、使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強。F007輸出級采用的就是由T14和復(fù)合管T18、T19組成的互補對稱電路。R7、R8和T15組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路，使T15的c、e兩端具有恒壓特性，為互補管提供合適而穩(wěn)定的偏壓，以消除文越失真。     D1、D2和R9、R10組成過載保護電路，正常工作時，R9、R10上的壓降較小，D1、D2均處于截止?fàn)顟B(tài)，即保護電路處于斷開狀態(tài)，一旦因某種原

33、因而過載，T14及復(fù)合管的電流超過了額定值，則R9、R10上的壓降明顯增大，D1、D2將導(dǎo)通，從而對T14和T15的基極電流進行分流，限制了輸出電流的增加，保護了輸出管。     集成運放的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，它們的性能更加優(yōu)越，除通用型集成運放外，還出現(xiàn)了一些專用集成運放。      集成運放作為一個有源放大器件應(yīng)用于實際電路時，常用圖Z0608所示符

34、號表示。它有兩個輸入端、一個輸出端。大箭頭表示信號傳輸方向。當(dāng)信號從</p><p>　　利用撥碼開關(guān)接通通道改變一個狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。</p><p>　　第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計</p><p>　　3.1整體電路圖及工作原理</p><p>　　電源電路為了保證足夠的電源供應(yīng)，我們制作了一

35、個有±5V、±12V、±15V、0~30V可調(diào)的電壓源。</p><p>　　圖6程控增益放大器整體電路</p><p>　　撥碼開關(guān)輸入3位10進制數(shù)1－999時，輸出為20Ω，實際上是3個位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個560kΩ的電位器，共有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無級調(diào)節(jié)的

36、電位器。這種用法不需任何外部調(diào)整元件件就能可靠地工作。但為了保證效果更好，應(yīng)該在正、負(fù)電源供電端連接一個1μF的旁路鉭電容到模擬地，且應(yīng)盡可能靠近放大器的電源引腳，并按圖中所示點接地。使輸入級輸出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級就可直接接NPN型管；由于PNP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動放大電路的差模輸入電壓也很高，可達30V以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與NPN管隔離開的作

37、用。集成電路運算放大器偏置電路的作用是向各級放大電路提供合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點  輸出級的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過載保護措施。輸出級大都采用互補對稱輸出級，兩管輪流工作，且每個管于導(dǎo)電時均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強。該電路是利用接通通道改變一個狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的</p><p><b>　　3.2電路參

38、數(shù)計算</b></p><p>　　電路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相應(yīng)的即可，如數(shù)據(jù)0011，Rx等于20M與25M的并聯(lián)，即Rx=11.1.相應(yīng)的Au=1+100/11.1=10.01.在輸出電壓為1—10v之間求出相應(yīng)的相應(yīng)的放大倍數(shù)在1—99之間，根據(jù)相應(yīng)的撥碼開關(guān)計算出輸入電阻與輸出電阻的適當(dāng)值即Ri≥8M,Ro≤20.所以，增益公式G=20㏒Au得到所要調(diào)整的范圍。</p>

39、<p>　　3.3整機電路性能分析</p><p>　　本電路滿足微小信號在各種狀態(tài)下的放大調(diào)節(jié)，同時能夠有效地抑制干擾信號，可靠地檢測出缺隱信號，常常需要高精度的測量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測信號的大小，用微控制器來檢測，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號調(diào)到最佳，獲得最佳測量數(shù)據(jù)。又因為不知控制系統(tǒng)中激勵信號的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實現(xiàn)大動態(tài)范圍、多干擾因素

40、的檢測系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實現(xiàn)軟件與硬件有機地結(jié)合。這是目前比較新穎、實用的電路設(shè)計按照上述方法設(shè)計的可編程增益放大電路，克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍小的缺點，，擴大了增益范圍、提高了增益精度?；就瓿闪讼到y(tǒng)基本及發(fā)揮部分的要求，在某些方面性能有極大的提高，大大超過了要求。但由于時間緊張等原因，整個系統(tǒng)還存在著設(shè)計簡陋，測量精度不是很高等問題。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，系統(tǒng)還有很大的升級擴展空間。經(jīng)過進一步

41、的完善，完全可以應(yīng)用于實際測量中。</p><p><b>　　第四章 設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過本次課設(shè)，我懂得了課設(shè)的過程是艱辛的，但是最終我的收獲是非常巨大的。首先，我們再一次的加深鞏固了對學(xué)過知識的理解及認(rèn)識；其次，我們第一次將課本知識運用到了實際設(shè)計上，使得所學(xué)的知識在更深層次上得到了加深。再次，因為這次課程設(shè)計的過程中有一定難度，這對我們來

42、說不為是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料等等的能力；再有，計算操作過程中，我曾經(jīng)面臨過很多的失敗、品味過了茫然，但是最后我們還是堅持了下來，另一方面對于課外的相關(guān)知識也有了許多理解。也給了我們這一代生活在幸福中的大學(xué)生上了一堂艱苦樸素的教育課。通過本次課設(shè)還有就是能夠掌握EWB軟件的基本使用方法。為我以后做課設(shè)提供了很大的幫助，這就是我們意</p><p>　　本次課程設(shè)計雖然基本滿足了設(shè)計要求，但因為是第

43、一次做課程設(shè)計所以還有很多的缺點和不足之處，希望老師加以批評和指正，找出我的薄弱環(huán)節(jié)，使我在以后的設(shè)計中能夠設(shè)計出優(yōu)秀的電子課設(shè)。</p><p>　　展望：采用程控放大，可以方便地調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，實現(xiàn)多量程、寬動態(tài)范圍的信號測量；采用程控濾波設(shè)計，可以根據(jù)信號的不同特點，設(shè)計不同濾波器模式，完全復(fù)現(xiàn)信號。因此，采用這向項智能化技術(shù)，可以使測量系統(tǒng)有寬的適用范圍，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，同時提高系統(tǒng)的測量精度。</

44、p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 新編電子電路大全 。第二卷。通用模擬電路/中國計量出版社組編</p><p>　　---北京：中國計量出版社，2001，1.</p><p>　　[2]現(xiàn)代電子電路原理與設(shè)計/張衛(wèi)平。張英儒編著---北京：原子能出版社。1997.2.</p>

45、<p>　　[3]新型實用電子電路400例/何希才等編著。---北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　[4]電子電路設(shè)計與實踐. 姚福安編著. 山東省科學(xué)技術(shù)出版社.2001</p><p>　　[5] 付家才主編. 電子實驗與實踐. 北京:高等教育出版社.2004</p><p>　　[6]張大彪主編. 電子技術(shù)技能訓(xùn)練.