实验二;增益自动切换电压放大电路的设计;吴健雄学院

1、东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电子电路实践 第 2 次实验实验名称： 增益自动切换电压放大电路的设计 院 （系）： 吴健雄学院 专 业： 电类强化班 姓 名： 学 号： 610111 实 验 室: 101 实验组别： 同组人员： 实验时间：2012 年 4 月 17日 评定成绩： 审阅教师： 实验二 增益自动切换电压放大电路的设计一、实验内容及要求用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100k，输出阻抗不大于1k，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。电路应实现的功能与技术指标如下：1. 基本要求1） 放大器能够具有0.1、1、10三档不同增益，并能够以数字方式切

2、换增益。2） 输入一个幅度为0.110V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.55V范围内，设计电路根据输入信号的情况自动切换调整增益倍率。3） 放大器输入阻抗不小于100k，输出阻抗不大于1k。2. 提高要求1） 输入一个交流信号，频率10kHz，幅值范围为0.110V（峰峰值Vpp），要求输出信号电压控制0.55V（峰峰值Vpp）的范围内。2） 能显示不同的增益值。3. 创新要求1）利用数字系统综合设计中FPGA构建AD采集模块，来实现程控增益放大器的设计。分析项目的功能与性能指标：1.项目功能 首先是基础部分：输入直流电压信号，设计的系统可以自动根据输入信号电压的大小选择放大的倍数

3、讲信号放大并输出。根据题意，三个档位的具体情况为： 输入信号电压：0V0.5V 0.5V5V 5V10V 增益： 10 1 0.1 输出信号电压： 0V5V 0.5V5V 0.5V1V 然后是提高部分：输入交流电压信号（实验中使用正弦信号），系统能够检测出交流信号的峰峰值大小，然后根据这个值并按照基础部分的档位要求实现信号的放大输出，且能够实现增益的显示。 创新要求：使用FPGA进行设计。2.性能指标 此系统是可以自动切换三个档位的，所以档位之间的临界值出的相关指标就相当重要了。具体来说，主要是0.5V处是否准确完成了增益由10到1的跳变，信号的失真度，增益的准确度，以及5V处是否准确完成了增

4、益由1到0.1的跳变，信号的失真度，增益的准确度。从另一个角度来说，也可以考察三个增益的电压值范围是否分别为0V0.5V、0.5V5V、5V10V。 其次，就是增益是否能够正常的显示，并且不对原电路产生过大的影响。 二、电路设计（预习要求）(1) 电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述）： 1.基本要求首先考虑的是输入信号会根据电压值的大小调整增益，而比较的标准就是0.5V与5V，所以要设计比较电路。在此实验中考虑使用集成的Lm311比较器。其次，在比较之后，需要选择档位，这样的话就需要类似于之前接触过的74LS153数据比较器这类功能的器件。与数据选择器不同的是，选通的不是高

5、低电平信号，而是选通输入信号，所以综合考虑选择了4052模拟开关。选通了不同的信号之后，就是要实现信号的放大了。对于我们来说，最容易想到，也是掌握最熟练的就是反向比例放大电路了，只要控制/的值就可以实现同的增益。但是还要考虑两个问题：A. 反向比例放大电路会使信号反向，所以要保持信号原来的指标就要在输出端之后再加上一个增益为1的反向比例放大电路（UA741），以此来保证相位的不变。 B. 电路的增益在表达式中只与/有关，那么具体应当选择多大的电阻呢？考虑到题目中要求输入阻抗不小于100K，所以R1就选择100k，而对应于0.1、1、10三种增益分别选择10k，100k，1M，将其分别连接于40

6、52的三个输出端即可完成实验所要求的功能。 2. 提高要求 提高要求用的是交流信号，而题目中要求参与档位选择比较的值是输入信号的峰峰值，所以提高要求中最主要的任务就是提取输入交流信号的峰峰值。综合考虑，决定使用精密整流滤波电路来实现峰峰值的提取。其余的部分均与基础部分的设计相同。 另外对于增益的显示，由于增益加上小数点一共只需要有三个符号，为了简便设计考虑用三个试验箱上面的LED灯来表示：第一个灯为十位，亮为一，灭为零；第二个灯为小数点，亮为有小数点，灭为无小数点；第三个灯为个位，亮为一，灭为零。而这三个灯的控制使用简单的门电路来完成。值得注意的是，由于试验箱上的LED灯的阻抗比较大，所以在连

7、入电路之后会对LM311的输出电平产生影响，所以考虑将比较器的输出端经过电压跟随器再接入到门电路中，保证原电路的正常工作。另外，考虑到LM311输出电平为15V，还要设计分压电路把输出电压降为5V。4. 创新要求 考虑使用Verilog-HDL语言进行编程，依托开发板进行功能的实现。(2) 电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出）： 1.基本要求比较器模拟开关选通反相器直流信号三种增益档位放大信号增益显示门电路，电压跟随器 2.提高要求比较器模拟开关选通反相器直流信号三种增益档位放大信号整流滤波交流信号 3. 创新要求增益显示，电路控制FPGA开发板直流信号（3）电路原理图（各

8、单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明）： 1. 比较电路 电路图如下： 图中LM311的输出端通过上拉电阻接到了15V电压源上，所以根据LM311的器件特性，当时，输出电压为约为15V，当时，输出电压为0，这正好符合4052的工作电压的要求。由于两个基准电压分别为5V与0,5V，而电压源为15V，所以要设计分压电路。为了使基准电压受电路影响较小，所以分压电阻要较大，加之器材购买方便的原因，选择200k，90k，10k的分压方式。值得说明的是，电路图中LM311输出端的上拉电阻选择的是1k，但在实际中发现电阻略小，是的电阻发热，有烧坏的迹象，所以在实际测试中使用的是10K。 2.增益

9、及输出电路电路图如下： 由于Multisim软件中没有4052，所以用4066代替仿真。 如图所示，左边一个UA741的功能是实现0.1,1,10三个增益，右边一个UA741作为反相器使用。根据/分别为0.1,1,10三种情况，R1均选为100K，所以RF相应选为10k，100k，1M。如前所述，通过增益电路与反向电路就可以得到相应的放大后的信号。 注：基准电压为5V的LM311的输出接到4052的B输入端，基准电压为0.5V的LM311的输出端接到4052的A输入端，以此来控制4052的通道的选通。3.整理滤波电路电路图如下： 这个电路是查阅资料直接获得。4.增益显示电路： 电路图如下： 首

10、先在实际电路的测试中会发现，由于试验箱上LED灯的内阻过大，所以如果直接将LM311的输出连到LED灯上，就会造成即使比较器，输出也只有5V左右，这会导致4052无法正常工作。所以考虑使用电压跟随器来解决这个问题。另外由于门电路的高电平为5V，所以电压跟随器的输出的电压还要进行分压，使输出的电压降为原来的三分之一（分压电路电路图中没有画出）。对于门电路的设计，可以参照下面逻辑表格： B A X3 X2 X1001000100111011由此设计出相关的门电路。5.FPGA模块 由于器材限制的原因，在实验中只设计了通过FPGA开发板自动显示放大电路增益的这个部分，而且开发板上的面包板管脚绑定文件

11、无法得知，所以用开发板上的滑动开关模拟比较器的输出。 具体的设计是用Verilog-HDL语言写的，代码列举如下：A. 模拟比较器输出模块：module in(input b,input a,input clk_1k,output reg3:0c5,output reg3:0c4,output reg t );always(clk_1k)begin if(b=1) if(a=1) beginc5=1;c4=0;t=1;endelse begin c5=0; c4=0; t=0; endelse if(a=1) begin c4=0; c5=1; t=0; endelse begin c4=1;

12、 c5=0; t=0; endendendmoduleB数码管显示及译码模块module test2( input 3:0 key, input clk_1k, input 3:0 c0, input 3:0 c1, input 3:0 c2, input 3:0 c3, input 3:0 c4, input 3:0 c5, output reg7:0op, output reg en0, output reg en1, output reg en2, output reg en3, output reg en4, output reg en5, input t ); reg 3:0 b;

13、reg 3:0 n; always(posedge clk_1k) begin /*if(clr) begin*/ case(n) 0: begin en0=1; en1=0; en2=0; en3=0; en4=0; en5=0; b=c0; end 1: begin en0=0; en1=1; en2=0; en3=0; en4=0; en5=0; b=c1; end 2: begin en0=0; en1=0; en2=1; en3=0; en4=0; en5=0; b=c2; end 3: begin en0=0; en1=0; en2=0; en3=1; en4=0; en5=0;

14、b=c3; end 4: begin en0=0; en1=0; en2=0; en3=0; en4=1; en5=0; b=c4; end 5: begin en0=0; en1=0; en2=0; en3=0; en4=0; en5=1; b=c5; end endcase if(n=5) n=0; else n=n+1; /*end else begin en0=0; en1=0; en2=0; en3=0; en4=0; en5=0; end*/ if(t=1)begincase(b)4'b0000: op=8'b10111111;4'b0001: op=8&#

15、39;b00000110;4'b0010: op=8'b01011011;4'b0011: op=8'b01001111;4'b0100: op=8'b01100110;4'b0101: op=8'b01101101;4'b0110: op=8'b01111101;4'b0111: op=8'b00000111;4'b1000: op=8'b01111111;4'b1001: op=8'b01101111;4'b1010: op=8'b01110111

16、;4'b1011: op=8'b01111100;4'b1100: op=8'b00111001;4'b1101: op=8'b01011110;4'b1110: op=8'b01111001;4'b1111: op=8'b01110001; endcase end else begin case(b)4'b0000: op=8'b00111111;4'b0001: op=8'b00000110;4'b0010: op=8'b01011011;4'b0011:

17、 op=8'b01001111;4'b0100: op=8'b01100110;4'b0101: op=8'b01101101;4'b0110: op=8'b01111101;4'b0111: op=8'b00000111;4'b1000: op=8'b01111111;4'b1001: op=8'b01101111;4'b1010: op=8'b01110111;4'b1011: op=8'b01111100;4'b1100: op=8'b0

18、0111001;4'b1101: op=8'b01011110;4'b1110: op=8'b01111001;4'b1111: op=8'b01110001; endcase end end endmodule(4)列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出，提高要求、创新要求多用到的器件请注明）： 1.基本要求器件名称 型号 数量 电阻 1K 2 10K 10 100K 20 1M 1 运算放大器 UA741 2 模拟开关 CD4052 1 比较器 LM311 2 导线- 若干 2.提高要求 器件名称 型号 数量 电容 0.1F 1 检波二极管

19、 1N4148 2 运算放大器 UA741 4 74LS04 74LS04 1 74LS00 74LS00 1 74LS20 74LS20 1 3.创新要求FPGA开发板 (5)电路的仿真结果（请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出）：1.基本要求：输入为0.4V时： 从波形可看出，输入为0.4V时，输出增益几乎为10，误差很小，符合要求输入为4V时： 从数据可以看出，输出增益几乎为1，较为准确，符合要求 输入为10V时： 由数据可看出输出增益几乎为0.1，比较准确，符合要求。 2.提高要求： 注：波形CH1为输出波形，CH2为输入波形。 输入峰峰值为430mV时： 由数据可知增

20、益为10，非常准确。 输入峰峰值为4V时： 输出增益几乎为1，十分准确。 输入峰峰值为10V时： 增益几乎为0.1，非常准确，符合要求。综上所述，仿真结果是符合电路设计预期的，非常成功。三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析(1) 硬件实物图（照片形式）： (2) 制定实验测量方案：1. 基础部分：由于只有一个稳压电源，所以使用电位器来产生0-10V的电压。从0V开始，逐渐增加电压。在0.5V，5V这两个标志位要着重、细致的观察。在标志位的前后都要作记录。例如5V左右，要记录到5V之前增益为1的最大输入电压与相应的输出电压，以及超过5V之后增益为0.1的最小输入电压与相应的输出电压。2.

21、提高部分：用函数发生器产生峰峰值为0-10V，频率为10KHZ的正弦信号，其余的方 法与基础部分相同，但是要记录下相应的波形。(3) 使用的主要仪器和仪表：3. 数字万用表4. 数字示波器5. 数字函数发生器6. 实验箱7. 面包板8. 稳压直流电源(4) 调试电路的方法和技巧：1. 进行接线操作的时候一定要断开电源2. 电路搭接完毕进行测试时难免会有错误，在查错是可以分模块进行检查，例如本实验的整流滤波电路，可以将其与之后的电路断开，单独测试，然后以此类推，一点点排查。3. 测量各个位置的电压时，可以将面包板的地线接到实验箱上，然后将万用表黑表笔接到地线端，这样测量电压的时候就只需移动红表笔

22、了。4. 注意不同器件的工作电压，分清是15V还是5V，以免烧坏器件。5. 使用器件之前一定要认真阅读手册，完全弄清楚器件特性之后再连入电路调试。6. 高频的信号测试难以成功时，可以将信号频率适当调低。(5) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析：1.基础部分数据表格增益0.1110输入（V）输出（V）输入（V）输出（V）输入（V）输出（V）4.904-10.240.506-1.040.509-4.9130.509-4,9020.015-0.4950.149-4.802.提高部分数据表格增益0.1110输入（V）输出（V）输入（V）输出（V）输入（V）输出（V）5.6-10.20.576-1.

23、080.568-5.120.560-5.120.104-0.5121.08-5.123.提高部分波形图 注：以下波形图中CH1均为输入信号，CH2为输出信号 增益为1的上限电压的输入与输出增益为1的下限电压的输入与输出增益为0.1的下限电压的输入与输出输入信号峰峰值为10V时的输入与输出输入信号的峰峰值为0.1mV时的输入与输出增益为10的上限电压的输入与输出比较分析： 从实际的测试情况来看，用直流信号的时候输出的电压，以及增益跳变的电压节点都与仿真的时候十分接近，也比较符合题目的要求，误差较小。但是在使用交流信号的时候，增益为1的下限电压、增益为1的上限电压以及增益为0.1的下限电压都有着大

24、约10%误差，其余的部分都比较准确。具体分析来说，误差的来源主要有两部分：首先是整流滤波部分滤出的正弦信号的峰峰值就已经有一定的误差了，这就造成了跳变点有所偏移；其次是在使用交流信号时，放大电路的增益也出现了略微的误差，但是还是比较准确的。 总体来说，实际测试的结果与仿真的结果以及题目的要求均误差不大，较为准确，实验设计比较成功。(6) 调试中出现的故障、原因及排除方法：1. 对4052数据手册阅读的不透彻导致实验结果错误百出：这次对4052的使用主要出现了两个错误：对于选通方式的错误理解以及选通电平的错误理解。一开始误认为4052的选通电压为5V，所以比较器输出端接的是5V电压，导致了一直无

25、法正确选通，浪费了很多时间。最后还是重新认真阅读了数据手册才解决了问题。2. 在调试交流电路的时候会发现输出端输出的电压不符合要求，然后往上一级排查，发现4052模拟开关也不正确，没有起到选择的作用。在确认4052的使用没有问题之后便接着向上一级排查。由于在直流电路工作时比较电路工作很正常，所以也排除了比较电路的问题。最后聚焦到整流滤波电路。为了正确的检测出电路的问题，便将该部分与后续电路断开，单独测试。就这样一点点排查，最后发现接线出现了问题，然后顺利地解决了问题。3. 在电路运行过程中发现LM311输出端的上拉电阻非常的烫手，几乎要烧掉了。所以考虑到可能是上拉电阻过小，换为10K之后电路便恢复了正常。4. 在测试电路显示增益部分的时候，发现一将实验箱上的LED灯接入电路之后并不能够正确显示增益。在排除了门电路逻辑错误的可能之后，测量LM311输出端电压时，发现出现了5V电压，这是明显不正确的。分析之后认为是实验箱上的LED灯的内阻过大影响了原电路，所以在灯与电路之间加上了电压跟随器，顺利地解决了问题。 四、总结(1) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：1. 在设计电路的过程中发现在交流电路部分设计是基