可編程放大器設(shè)計(jì)(模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì))

1、<p>　　課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目： 可編程放大器設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　班 級(jí)： 電信 </p>

2、<p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　日 期： </p><p><b>　　可編程放大器設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b

3、></p><p>　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可編程放大器，其要求如下：</p><p>　　1、電壓放大倍數(shù)由計(jì)算機(jī)的指令給定，即計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線將BCD碼N（8bit）送給數(shù)據(jù)鎖存器（它是可編程放大器的一部分，其地址碼由設(shè)計(jì)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(guān)系： </p><p>　　直到計(jì)算機(jī)給它送來(lái)新的數(shù)據(jù)以前，在溫度等因素不

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

5、;　?。?） vI是變化緩慢的直流信號(hào)；</p><p>　　3、輸入電阻不小于100MΩ。</p><p><b>　　二、方案設(shè)計(jì)與論證</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　在查閱資料，對(duì)可編程放大器選擇放大電路，采用UA741放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先給放大器

6、一個(gè)信號(hào)。然后再用8個(gè)不同阻值的電阻。讓它們進(jìn)行不同的并聯(lián)，使其產(chǎn)生不同的變化，出現(xiàn)不同的阻值。74ls161計(jì)數(shù)器的工作是用一個(gè)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用兩個(gè)開關(guān)給它脈沖計(jì)數(shù)器并加一，每個(gè)計(jì)數(shù)器輸出4位BCD碼，兩個(gè)計(jì)數(shù)器就可以產(chǎn)生8位BCD碼。同時(shí)74ls161計(jì)數(shù)器通過(guò)74ls48驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，即顯示電壓的放大倍數(shù)。兩個(gè)74ls161計(jì)數(shù)器初始設(shè)置為0000，以后每次摁一下后面就加1。直到74ls161計(jì)數(shù)器輸出1010時(shí)，74ls161計(jì)

7、數(shù)器的通過(guò)非門74ls04和四位與非門74ls13將計(jì)數(shù)器置0開始重新計(jì)數(shù)，然后依次循環(huán)。在74ls161計(jì)數(shù)器后面有8位npn放大電路控制繼電器的通斷，當(dāng)有高電平時(shí)，繼電器通路，同時(shí)控制后面的8路并聯(lián)電阻來(lái)實(shí)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(guò)選通電阻值的大小進(jìn)而轉(zhuǎn)換為兩位的十進(jìn)制數(shù)值（即放大倍數(shù)）公式為：，當(dāng)計(jì)數(shù)器出現(xiàn)1000 0001

8、時(shí)，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(yùn)用開關(guān)來(lái)控制16種不同的阻值。主要的控制方法用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器接Ui，直接用開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)的閉合控制，8個(gè)不同阻值的大小進(jìn)行了并聯(lián)。使其不同的開關(guān)閉合，出現(xiàn)不同的阻值。從而產(chǎn)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(hào)時(shí)，運(yùn)用了74ls161計(jì)數(shù)器輸出的BCD碼控制模擬開關(guān)4066通斷，使其產(chǎn)生00-99種不同的狀態(tài)。當(dāng)為高電平的時(shí)候?qū)?，使其電路?shí)現(xiàn)2路開關(guān)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(guān)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(hào)時(shí)，運(yùn)用繼電器開關(guān)來(lái)控制電阻電路的通斷，74ls161計(jì)數(shù)器接收到上升沿電平出發(fā)的時(shí)候，74ls161計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換成兩個(gè)4位BCD碼來(lái)控制npn放大電路，使繼電器有足夠的電流工作，進(jìn)而使8路電阻通斷狀態(tài)，實(shí)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(gè)LED燈顯示繼電器的通斷狀態(tài)計(jì)數(shù)器輸出的狀態(tài)同時(shí)使得NPN工作在放大區(qū)。</p><p>　　當(dāng)74ls161計(jì)數(shù)器電路，輸出的BCD碼為0110 0100時(shí)，控制NPN Q2、Q3、Q7工作在放大區(qū)，實(shí)現(xiàn)繼電器RL2、RL3、RL7導(dǎo)通，電路并聯(lián)的電阻為5k、2.5k、25k根據(jù)計(jì)算公式算的放大倍數(shù)是64，與BCD碼的轉(zhuǎn)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(gè)方案它是用了8個(gè)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以做出可編程放大器結(jié)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(gè)方案用4066模擬開關(guān)通過(guò)74ls161計(jì)數(shù)器BCD碼，74ls161

14、計(jì)數(shù)器產(chǎn)生BCD碼可以實(shí)現(xiàn)00-99種不同的狀態(tài)。這個(gè)方案完全達(dá)到題目的要求，它不可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，由于4066內(nèi)部電阻影響，當(dāng)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(gè)電路的最大缺點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)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(gè)方案是用繼電器開關(guān)，通過(guò)74ls161計(jì)數(shù)器BCD控制NPN電流放大進(jìn)而控制電阻的通斷，這個(gè)方案和

15、第二個(gè)方案唯一的不同點(diǎn)是，繼電器斷開是不會(huì)有內(nèi)部電阻的影響，它的最大好處就是可以使大小的信號(hào)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),用簡(jiǎn)單的邏輯數(shù)字電路和模電電路實(shí)現(xiàn)老師的要求，所以沒有加單片機(jī)模塊。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的功能比較強(qiáng)大，在仿真的輸出如果需要復(fù)雜的控制電路可以采用單片模塊。</p><p>　　三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算</p>

16、<p><b>　　3.1計(jì)數(shù)器</b></p><p>　　在電子計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)邏輯電路中，計(jì)數(shù)器是最基本的部件之一，它能累計(jì)輸入脈沖的數(shù)目，就像我們數(shù)數(shù)字一樣，如來(lái)的時(shí)鐘脈沖的寬度一定時(shí)，計(jì)數(shù)器就成了定時(shí)器，在自動(dòng)化控制等許多方面有不可替代的作用。</p><p>　　根據(jù)電路邏輯設(shè)計(jì)的不同，計(jì)數(shù)器可以進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，這樣做比較符合人們的習(xí)慣；計(jì)數(shù)器也可

17、以進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，這種方法在定時(shí)控制中用得比較多，或者可以進(jìn)行兩者兼有的可逆計(jì)數(shù)。</p><p>　　計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)電路中應(yīng)用場(chǎng)合最多的是時(shí)序電路,它不僅能用于對(duì)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),還可以用于定時(shí)\分頻及數(shù)字運(yùn)算等。</p><p><b>　　1、計(jì)數(shù)器的種類</b></p><p>　　按計(jì)數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的時(shí)續(xù)異同分,有同步計(jì)數(shù)器和異

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

19、在計(jì)數(shù)脈沖作用下,有效循環(huán)的狀態(tài)數(shù)為 個(gè);十進(jìn)制計(jì)數(shù)器有效循環(huán)的狀態(tài)數(shù)為10個(gè);狀態(tài)數(shù)不等于2n和10的,就是任意進(jìn)制了。</p><p>　　2、四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161</p><p>　　74LS161 是一個(gè)具有異步清零、同步置數(shù)、可以保持狀態(tài)不變的十六進(jìn)制上升沿計(jì)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(jiǎn)述如下：</p><p>　?。?）清零。Cr是具有最高優(yōu)先級(jí)別的異步清零端，當(dāng) Cr=0時(shí)，不管其他控制信號(hào)如何，計(jì)數(shù)器清零。</p><p>　　（2）置數(shù)。當(dāng)Cr=1時(shí)，具有次優(yōu)先權(quán)的為L(zhǎng)D，當(dāng)LD=0時(shí)，輸入一個(gè)CP上升沿，則不管其他控制端如何，計(jì)數(shù)器置數(shù)，即QDQCQBQA=DCBA。</p><p

21、>　?。?）計(jì)數(shù)。當(dāng) Cr=LD=1時(shí)，且優(yōu)先級(jí)別最低的 使能端S1=S2=1時(shí),在CP上升沿觸發(fā)下，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。</p><p>　?。?）保持。當(dāng)Cr=LD=1時(shí)，且S2和S1中至少有一個(gè)為0時(shí)，CP將不起作用計(jì)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(shí)時(shí)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(jù)74ls161功能表，選擇計(jì)數(shù)器的技術(shù)功能，同時(shí)在輸出是1010對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行置位使得顯示為兩位十進(jìn)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(yùn)放的分類</p><p>　　集成運(yùn)放根據(jù)其用途特點(diǎn)可分為通用型運(yùn)放和專用型運(yùn)放。按封裝類型可分為單運(yùn)放集成塊(741系列)\雙運(yùn)放集成塊(LM358)\四運(yùn)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(yùn)放包括F741\F747\LM324等,價(jià)格便宜,使用方便

25、,可用作一般的模擬信號(hào)放大器和反饋放大器\信號(hào)產(chǎn)生電路和有源濾波電路等。</p><p>　　專用型運(yùn)放種類很多,根據(jù)各種特殊需要而設(shè)計(jì),大致有:</p><p>　　（1）低功耗集成運(yùn)放,如F253\F012\F013。</p><p>　?。?）高精度集成運(yùn)放----漂移和噪聲非常低,增益和共模抑制比非常高的運(yùn)放。包括OP07\F032\F714等。</p

26、><p>　?。?）高輸入阻抗集成運(yùn)放。采用場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的高輸入阻抗集成運(yùn)放,其輸出阻抗可達(dá)1012Ω數(shù)量級(jí)。</p><p>　?。?）高速集成運(yùn)放(如LM318),可用于A/D\D/A轉(zhuǎn)換\有源濾波\模擬乘法器等。另外還有高壓集成運(yùn)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(yùn)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(hào)幅度超過(guò)共模輸入范圍也不會(huì)引起阻塞和自激振蕩。同時(shí)內(nèi)部有頻率補(bǔ)償措施，因此不需外接補(bǔ)償電容。另外，UA741的輸出有過(guò)載保護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間的的輸出短路也不會(huì)損壞元器件。</p><p>　　使用中若要調(diào)零，可在兩調(diào)零端間接一電位器，并把動(dòng)端接電源V-來(lái)進(jìn)行調(diào)零調(diào)節(jié)。</p><p>　?。?）UA741為通用型集成運(yùn)放,主要技

28、術(shù)指標(biāo)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(shí)針?lè)较蚺判?①腳、⑤腳為調(diào)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(fù)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(yùn)算電路</p><p>　　如圖8所示,輸入信號(hào)ui經(jīng)輸入外接電阻R1-R9送到反相輸入端,而同相輸入端通過(guò)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(fù)反饋。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)虛短、虛斷，知他們的關(guān)系是比例放大的關(guān)系只要R5和Rx的阻值足夠精確,就保證了比例運(yùn)算的精度和工作穩(wěn)定性。且R21

30、-R29是一個(gè)平衡電阻,其作用是為了使兩個(gè)輸入端的外接電阻相等,從而保證輸入級(jí)差分放大電路的偏置電路對(duì)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(hào)ui輸入送到同相輸入端,而輸出端不經(jīng)過(guò)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(hào)端電壓跟隨器；同時(shí)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(yùn)算電路,信號(hào)源提供的信號(hào)電流為0,即輸入電阻無(wú)窮大,這是電壓跟隨器電路特有的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　如圖10所示，電壓跟隨器在輸出端可以起到隔離負(fù)載電路的作用，同時(shí)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(duì)值在1-10V，根據(jù)運(yùn)放的性質(zhì)可以控制運(yùn)放輸出電壓為10V，超過(guò)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(duì)值1V。</p><

33、;p>　　故為滿足要求在輸出端加四個(gè)電壓比較器，當(dāng)電壓在-10~-1V、1~10V時(shí)，指示燈不會(huì)發(fā)光，不在此范圍的電壓值指示燈會(huì)發(fā)光。其中LED D10發(fā)光表示電壓超過(guò)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(yùn)放控制輸出絕對(duì)值為10V圖：</p><p>　　圖11 運(yùn)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(diào)試與分析</b></p><p>　　如下圖14、圖15：</p><p>　　圖14 放大20倍仿真調(diào)試圖</p><p>　　圖15 放大40倍仿真調(diào)試圖</p><p><b>　　分析：</b></p>&l

36、t;p>　　輸入信號(hào)振幅是1V時(shí)：當(dāng)電壓放大20倍，振幅是19.42V<0.2+2=2.2V故滿足題意；當(dāng)電壓放大40倍，振幅是運(yùn)放截至限制輸出超過(guò)10.82V就被截止；同時(shí)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(duì)值超出10V。</p><p>　　由于輸入信號(hào)是正旋波故在-1V~+1V指示燈會(huì)閃爍， 10V幅度值的指示燈也可以判斷。</p><p><b

37、>　　六、結(jié)論與心得</b></p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]華成英，模擬電子技術(shù)基本教程，清華大學(xué)出版社，2006；</p><p>　　[2]閻石，數(shù)字電子技術(shù)基本教程，清華大學(xué)出版社，2006；</p><p>　　[3]彭介華，電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，高