自动增益控制放大器设计

1、增益可变的交流放器的设计报告报告人年级专业联系电话电子邮箱2010年11月15日内容摘要本设计主要采用分立元件与集成元件搭建而成，基本部分以险741为放大核心，辅以频率产生电路、延时电路、脉冲计数电 路、显示电路、选择电路以及人机接口电路组成。首先采用 555 芯片产生1Hz的方波脉冲以及5s的单稳态脉冲，两个脉冲相或 后通过计数器74LS90对脉冲进行计数，再通过双四选一选择器 CD4052对74LS90的计数结果与键盘输入数据进行选择后分别送 入数码管译码器 CD4511和放大反馈电阻选择电路，通过CD4511 驱动数码管显示当前的放大倍数， 放大部分分为反馈电阻选择电 路和反相比例放大电

2、路两部分，放大反馈电阻回路通过送入的信号不同选择不同的反馈电阻实现对输入信号相应数码管示数的 放大。发挥部分分为峰峰值检测电路、比较电路、译码电路、显示电路、反馈电阻选择电路以及放大电路等六部分，其中峰峰值检测电路采用运放V A741将输入的交流信号转化为直流电压信号， 转化结果送入由LM324以及分压电阻组成的选择电路进行分档， 将交流信号的大小转化为两位高低电平，通过译码电路对两位数 字信号进行编码译码后分别送入显示电路驱动数码管显示以及设计任务第一部分设计任务反馈电阻选择电路，选择电路通过选择不同的反馈电阻实现对应 输入电压大小的不同增益的放大。一、设计任务设计制作一个增益可变的交流放大

3、器。二、设计要求1. 基本部分(1) 放大器增益可在0.5倍、1倍、2倍、3倍四档问巡回切换，切换频率1 Hz;(2) 可以随机对当前增益进行保持，保持时间为5s,保持完后继续巡回状态；(3) 对指定的任意一种增益进行选择和保持(保持时间为 5s),保持完后返 回巡回状态；(4) 通过数码管显示当前放大电路的放大倍数， 用0、1、2、3分别表示0.5、1、2、3倍；2. 发挥部分(1) 对于不同的输入信号自动变换增益：a. 输入信号峰值为0 1V,增益为3;b. 输入信号峰值为1 2V,增益为2;c. 输入信号峰值为2-3V,增益为1;d. 输入信号峰值为3V以上，增益为0.5;(2) 通过数

4、码管显示当前放大电路的放大倍数， 用0、1、2、3分别表示0.5、 1、2、3 倍。三、仪器设备及器件1. 仪器设备：计算机：1台；面包板：1块；双路直流稳压电源：1台;示波器：1台；数字万用表：1台； 51单片机实验箱。2. 器件清单:集成电路：LM324、A741 OP07、NE555、74LS32、74LS90、74LS00、74LS138、CD4511、CD4051、CD4052 等；常用多圈电位器；常用定值电阻；常用电容；开关共阴七段数码显示管。第二部分设计方案选择一、实现途径的选择方案一：通过51单片机编程来控制模块功能电路实现对本次设计所要求的 功能，优点是电路简单、稳定性性强、

5、可移植性好，操作简单，但是单片机对外 电路的要求比较高，成本较高。方案二：通过硬件分立与集成元件实现，虽然硬件电路比较繁琐，开发周期 长，但硬件电路相对软件可靠性强，更加直观。综合两个方案以及个人的情况，选择方案二。二、计数模块的选择方案一：选用74LS160, 74LS160是一个具有异步活零、同步置数、可以保 持状态不变的十进制上升沿计数器，完全符合设计需要。方案二：选择74LS90,74LS90为二-五-十进制计数器，通过复位亦可实现本 设计对计数的需要。综合两个方案均符合设计要求，基于现实条件及实现的难度选择方案二。三、反馈电阻选择模块的选择方案一：选用CD4051, CD4051是单

6、8通道数字控制模拟电子开关，有三 个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。方案二：选用CD4052,是一个差分4通道数字控制模拟开关，有 A、B两 个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。综合考虑，本设计需要二位的双通道数据选择器，故选择方案二。四、放大模块的选择方案一：选择运放LM324 , LM324是四运放集成电路，正负电源供电，无 需外部偏置元件，但对高频信号的放大效果不好。方案二：选用运放从A74,是高增益单运算放大器，也是正负电源供电，适 应电压范围广，对高频信号的放大效果较好。综合两个方案，选择方案二。五、显示模块的选择

7、方案一：选择74LS47, 74LS47是低电平有效的BCD码显示芯片，因此需 要共阳极的数码管和它进行匹配，不适合本设计。方案二：选用常用的CD4511译码芯片，它是高电平有效，输出信号可以直 接送入对应数码管管脚驱动数码管显示，实现比较简单。综合两个方案，选择方案二。六、比较电路模块的选择方案一：继续选用从A74,比较效果比较好，可靠性强，但成本比较高，实 现电路比较复杂。方案二：选择LM324 , LM324为四运放，集成度较高，连接比较简答，成 本较低，虽然对高频信号的放大效果不好，但对丁实现对电压的比较绰绰有余。综合两个方案，选择方案二。七、整体方案流程图基本部分流程图:发挥部分流程

8、图:祥峰值晾测电路比 较 电 路译蚂电暗反馈电阳选择电路放大电雎第三部分硬件电路频率脉冲产生电路本设计需要三个脉冲信号，一个 1HZ的时钟脉冲、两个5S的保持脉冲， 所以需要三个555电路，分别产生1HZ的脉冲和5S的延时保持脉冲，三个信号555定时器的引脚图如下都是从555的3脚输出的1 -GND2 - Trigger3 Oulput4 - Reset5 - Contro* w&ttsge6 - Thre孚hold7 - Dk$C'harg|e8-Vcc上图为用555定时器组成的多谐振荡器用丁产生1Hz方波信号，其输出状 态在0和1之间周期性跳转，其频率计算公式为：二 1 _

9、 L 43r T _ (RP1+2R1)C1其中 RP1=R1=100KQ , C1=4.7uF, C2=10nF，其中 C2 为保护电容。5S的延时脉冲电路图如下：5s延时脉冲是利用555定时器搭建的单稳态触发器，在没有触发信号时， 其输出为低电平，当触发按键按下时，555的3号管脚会输出延时为Tw的高电 平，其中Tw=1.1RC，若想得到延时为5S的脉冲，在这可以选R=450K Q （用定 值电阻加可调电位器调出），C1=10uF, C2=0.01uF,其中C2为保护电容。上图也是对计数器的输入与按键输入的选择电路，其中555的3号管脚的输出接CD4052的选择端AB,当按键没有按下时，C

10、D4052选通计数器的两个输 入X0、Y0,当按键按下时，CD4052选通按键的输入X3、Y3,从而实现对指定 增益的设定与保持。计数脉冲电路计数部分采用74LS90,其真值表如下:籁入幼出功 fir洁0置9时 伸Q*。4 4*Rji (1) * Ri、&CP： g 10x丫0XX0 0 0 0消 0Cxx01 1X¥10 0 1置 9n输出-进制计数110奶输出君谜制计数0<魅00KK0JQQ.Q.Q Qdt 出早劾EB码1送制计数5；QQ.QQ辆出5421BCD 码十进制计数L1不 受保 样74LS90引脚图74LS90计数器电路连接图1Hz的脉冲信号与5s的延时脉

11、冲信号相或后送入计数器的输入端，当延时 电路的按键没有按下时，计数器的计数脉冲为1Hz的脉冲信号，实现增益的循环与显示，当延时电路的按键按下时，计数器的输入信号为5s的延时脉冲，计数器的输出保持五秒不变，从而实现随机的 5s保持。计数结果送到CD4052的 X0、Y0端，由CD4052对其进行选择。三.计数输入与按键输入的选择计数输入与按键输入通过CD4052进行的选择其真值表及引脚图如下:匕4 】3技| u| w| g 8|CP： NC 8 Qd CND 伽 UcI74LStJ0m Ro(l) Ro NC VccS羽)CD4052G PDIP. CERDIP) TOP VIEWCD4052B

12、INHIBITr o0001计亲#蜡人AY1| 4 3| 4| S|7|上图为CD4052对计数输入与按键输入进行选择的电路， 第二个555的3号 管脚的输出接CD4052的选择端AB,当按键没有按下时，CD4052选通计数器 的两个输入X0、Y0,当按键按下时，CD4052选通按键的输入X3、Y3 ,将按键 的输入送入CD4511及反馈电阻选择电路，实现对特定增益的放大、显示以及延 时，延时时间设定为5s,当按键一直被按下时，设定按键的输入一直有效，指 定的增益一直保持。四. CD4511译码及数码管显示电路-1Q4.511BD 5V经4052选择后的输出A、B分别送入CD4511的输入端，

13、译码器CD4511 将编码得到的二进制转换成十进制以便用数码管显示， CD4511的真值表及引脚 图如下所示：CD451引脚图其输出电平可直接驱动共阴数码管进行 09的显示高电平，而八个输出端则接共阴数码管的输入端， 数码管注意接保护电阻，以免因电流过大而烧坏五.反馈电阻选择电路功峰其中：A、8 C、D为数据输入端,LT战、LE为控制端。ag为输出端,根据CD451的真值表，要使译码电路正常工作,L或低电平,CIAOilBC 虹III L巳4 |。h GW 共阴数码管VEE输出状态定在上-个LEL时.Ae也的犒人状志.GMDTQI* /ft*经4052选择后的输出A、B分别送入反馈电阻选择电路

14、的 CD4052,当A、 B为不同的0、1组合时，CD4052会选通不同阻值的电阻接入放大器的反馈回路， 实现不同放大倍数的选择。当控制端A和B为不同数值时，电路的几种工作状态：当A=0 , B=0时，即Y与Y0接通，即此时的增益为1倍。当A=1 , B=0时，即Y与Y1接通，即此时的增益为2倍。当A=0 , B=1时，即Y与Y2接通，即此时的增益为3倍。当A=1 , B=1时，即Y与Y3接通，即此时的增益为4倍。六.放大电路s765放大电路选用集成单运放h A741，其管脚图如下：1 . Ofcit null 12 - Irivcrmfl input3 - Non-rwrSng irput4

15、 - CC5 -。应a nu I 2t - DLtSJt7 - ycc+t> - N ".1和5为偏置（调零端）,2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输 出，7接电源8空脚根据题目要求需要放大0.5、1、2、3,则比例放大电路应选择反相比例放 大，放大后再对输出进行反相。放大电路如下：VEERd "-wvn2 o :rm:“a:»KI-R7m 一其中放大器的2号与6号引脚连接反馈电阻选择电路，根据反相放大电路的放大倍数公式：Av=-R2/R1.则当R1=10K Q时，放大倍数分别为 0.5、1、2、3是R2应对选择5K Q、10K Q、20K Q、3

16、0K Q。最后加一个电压增益为1的反 相放大电路即可。七.峰峰值检测电路峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak,为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或 电路复位。如图，交流信号从从A741的3号管脚输入，根据运放的虚短法则，引脚 2 与3具有相同的波形，第二个运放是电压跟随器。当引脚3的电压大丁电容C1的电压时，电阻R2上产生压降，电流从右到左，根据运放的虚断法则，引脚 2 不能提供电流，则这个电流只有经过 D3进入U1,电压跟随器的输出电压与电 容电压一致二极管D4截止，电容不能通过D4进行放电，电压保持不变。电容 并有一个

17、放电电阻R8,放电时间T为100ms如果1s后没有后续的电压输入，则 电容的电压下降到0V。八. 比较电路根据题目要求需要对输入的电压进行比较实现等级的划分， 实现这个功能的 电路连接图如下：其中峰峰值检测电路的输出送入比较器的正相输入端，反向输入端接分压电阻的分压电压，当输入的峰峰值电压大丁对应分压电压时，比较器输出为正，反之为负，根据题目要求的电压等级划分需要分压电压分别为1V、2V、3V,则对应电阻可选10KQ、10KQ、10KQ、20KQ,对应不同的交流信号的峰峰值电 路输出不同的0、1组合，这样就实现了交流信号的 AD转换。九. 译码及显示电路比较电路的输出与对应BCD码如下：输入电

18、压C B A （比较电路输出） D C B A （CD4511输入） 数码管显示00.5V00 000110.51V10 000101 2V11 000012 3V11 10000则根据上表，画出卡诺图如下：CD4511的1号输入端3210(Hiin11N1 =B11*4*I*0M*01Ifl110I .N7=C+ABC1U*1(1则对应采用与非门及或门实现此功能的电路如下:74L5Q0C -|J11日SEMMSEC74_£0DD !r 4511B> SV -:74LS32C'-7+LS0DD74LS3ZJ :放大及反馈电阻选择电路反馈电阻选择电路及放大电路与基础部分一

19、致，在此就不再赘诉0基础部分与发挥部分总电路图卜 4 阳BA以Iu第四部分仿真调试经过multisim对电路进行仿真，除却仿真软件没有CD4052芯片不能进行仿 真外，电路其余的各个功能模块均能达到设计要求， 以下是对设定增益部分的仿 真截图：0.5倍增益时的仿真结果。1倍增益时的仿真结果（输入信号与输出信号重合）2倍增益时的仿真结果。在频率为50Hz,峰峰值为2V的输入信号条件下峰峰值检测电路的输出与 输入的比较。第五部分组装调试一、硕件电路搭建把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路，分别进行安装和调试，在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试C调试时应注意

20、做好调试记录，准确记录电路各部分的测试数据和波形，以 便丁分析和运行时参考和撰写设计报告。具体调试步骤如下：1. 通电前检查电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。2. 通电检查接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。 如果出 现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。3. 单元电路调试在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观 察波形。调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后 一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。4. 整机联调整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系, 主要观察动态结 果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求， 对发现 的故障和问题及时采取处理措施。二、调试过程：这次