增益自动切换放大电路 模电实验

1、东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电子电路基础 第 2 次实验实验名称： 增益自动切换放大电路 院 （系）： 吴健雄 专 业： 电类强化 姓 名： 学 号： 实 验 室: 实验组别： 同组人员： 实验时间： 2010 年 4 月 14 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、实验内容及要求设计一个电压放大电路，能够根据输入信号幅值自动切换调整增益。设输入信号频率为020KHz，其幅值范围为0.110V（峰峰值Upp）。电路应实现的功能与技术指标如下：1. 基本要求当输入为直流信号时，要求设计的电路达到以下要求：(1) 当<0.5V时，电路的增

2、益约为10倍。(2) 当0.5<<3V时，电路的增益约为1倍。(3) 当3<<10V时，电路的增益约为0.1倍。2. 提高要求当输入为交流信号时，根据输入电压的峰峰值大小，电路增益仍满足基本要求。3. 发挥部分（1） 对输入电压值分档再细化；（2） 增益值的显示。分析项目的功能与性能指标：功能：如题目所说，本实验的目的就是根据电压值的（交流时为峰峰值）的大小，来自动切换增益倍数，对于不同范围的电压值，放大电路增益的倍数不同。性能：本次实验中的电压范围为三段，即：V<0.5、0.5<V<3、V>3。增益的倍数对应一次为10倍、1倍和0.1倍。对于直

3、流信号，电路设计相对较容易，将输入电压经过0.5v和3.0V的电压比较器比较后的输出信号通过模拟开关选择相应的放大模块，实现增益的切换。而对于交流信号，还需要在直流信号的基础上再添加一个整流电路，即将交流信号的峰峰值以直流信号的形式表现出来，再通过直流信号的放大增益控制电路实现交流的增益自动切换。实验中，电压划分值可能与实验要求有所偏差，这是主要是由于实验器材的不精确造成的，属于系统误差。二、电路设计(1) 电路设计思想（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：主体的电路设计思想如下图：图1.增益自动切换放大原理图由上图可以看出：运放A2、A3作为电压比较器。它们的反相输入端分别接基准电压和，这

4、两个基准电压可由及、组成的分压器获得。输入信号同时加在A2、A3的同相输入端，与和进行比较，决定它们的输出、是高电平还是低电平。用、去信号控制模拟开关的工作状态，切换反馈电阻即可实现增益的自动转换。增益的大小受模拟开关的控制，电阻-与运放A1构成增益可控的同相放大电路。模拟开关CD4052的状态受电压比较器A2、A3的控制，同相放大器A1的反馈电阻可切换为、或，则放大电路的增益分别为、和。可以实现题目要求的不同倍数的电压增益。而对于提高部分，在直流信号放大电路的基础上还需要增加一个整流电路，将交流信号的峰峰值以直流信号的形式输出，再通过直流增益切换电路实现对交流信号的增益自动切换。(2) 电路

5、结构框图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）： 基本部分： 图2.基础部分增益切换电路交流的整流电路：图3.交流整流电路(3) 电路原理图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：增益选择及放大整流电路比较电路图4.直流部分原理图图5.交流部分原理图注：因为考虑到同相放大电路的增益无法达到0.1，而反相可以。因此我采用了两个反相比例放大器，前一级实现-10、-1、-0.1的增益，而后一级实现-1的增益。从而避免了由同相放大器带来的增益不足。(4) 系统工作原理（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）： 基础部分的电路主要由三个部分构成：比较电路，增益选择以及放大电路。其中比较电路是用运算放大器作

6、为电压比较器，在反相输入端输入待比较的电压0.5和3.0V，正相端输入待比较的信号。当正相端输入的直流电压为00.5,0.53.0,3.010V时，两个电压比较器输出值分别为：00,10,11。将这两个输出信号作为模拟开关的输入信号，来选择通道的选通，三个通道选用不同的电阻参数，分别实现10倍，1倍和0.1倍的电压增益。而交流部分，比直流多一部分的电路：精密整流。通过精密整流电路将交流信号的峰峰值以直流形式表示出来，在进行直流部分的增益切换，实现交流电路的增益切换。(5) 参数计算和元器件选择说明（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：当<0.5V时， 当0.5<<3V时，。

7、当3<<10V时，。上述增益公式对直流和交流均有效(6) 列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出）（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）： 器件及参数个数（直流信号输入）个数（交流信号输入）510 221k 222k 1110k 56100k 111M 01100uF 01IN4148 02表1.实验器件清单(7) 电路的仿真结果（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：注：由于波形重合，分辨不出输出和输入波形，因此我将输出波形反相显示出来，和输如波形区别开来。对于直流的增益：输出波形输入波形图6. 直流增益为10倍图7. 直流增益为1倍图8. 直流增益为0.1倍对于交流增益：图9

8、. 交流增益为10倍图10. 交流增益为1倍图11. 交流增益为0.1倍三、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）：交流整流电路 图12. 硬件实物图电压比较器CD4052放大电路(2) 制定实验测量方案：对于直流的测量：由于实验中不能直接提供所需要的3v和0.5v的比较电压，因此我通过电位器分压，将15v的电压分配。输入的直流信号也是通过电位器不断的改变电压值。对于直流的电压值的测量，我选用了万用表，较为方便。对于交流的测量：将函数信号发生器产生的交流信号通过整流电路输出直流信号进行增益切换。实验中，我选用了数字示波器观察函数发生器产生的交流信号以及最后的输出信

9、号，判断放大的倍数是否满足实验要求。(3) 使用的主要仪器和仪表： 函数发生器、数字示波器、万用表、功率表等。(4) 调试电路的方法和技巧： 调试直流增益时，可以先用万用表测量两个电压比较器的比较电压是否满足在0.5和3.0v附近，调试过程中按照从后往前的顺序来判断电路故障发生的位置，可将电路分割成三块来分别调试，三块分别为：电压比较、模拟开关和增益放大区域。而对于交流信号，可以将交流信号的整流单独调试。(5) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析： 经测试，本次实验中，我的实验数据如下：1直流部分：a) 当<0.7V时，电路的增益约为10倍。b) 当0.7<<3.2V时，电

10、路的增益约为1倍。c) 当3.2<<10V时，电路的增益约为0.1倍。2. 交流部分：(1) 当<0.6V时，电路的增益约为10倍。(2) 当0.6<<3.0V时，电路的增益约为1倍。(3) 当3.0<<10V时，电路的增益约为0.1倍。波形如下所示：输出波形CH2输入波形CH1图13. 增益为10倍波形图输出波形CH2输入波形CH1图14. 增益为1倍波形图输入波形CH1输出波形CH2图15. 增益为0.1倍的波形图结果分析：实验中发现电压实际的分档和实验要求有所差异，并不是0.5和3.0，误差在允许范围内，原因主要由于实验器材的数值存在误差，属于系

11、统误差。(6) 调试中出现的故障、原因及排除方法： 一开始的调试过程中，-10倍的运放的输出电压值始终为-13.5V，我猜想是由于整个运放并未在工作状态，有两种可能，一是由于运放本身的电路问题，二是模拟开关并未导通，造成该运放没有反馈。鉴于此，我将该运放从模拟开关中独立出来，发现原来的问题依然存在，因此确定是运放本身电路的连接问题，与模拟开关无关。在对运放电路测试过程中发现2号引脚的10k电阻两端的电压值始终为0，因此发现该电阻被短路。后面的调试过程比较顺利。四、总结(1) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法： 直流部分的设计相对比较顺利，而在提高部分的设计时，主要的问题集中在如何将交流

12、信号和标准直流电压做比较。起先，我的方案是将交流输入超过比较电压时的信号用D触发器锁存起来，在把同样的信号经过两个反相器的延时传给D触发器的时钟端，这样当交流信号的峰峰值超过比较电压时，就可以把高电平信号传给模拟开关，实现增益的切换。仿真过程中发现当交流信号的峰峰值由小变大时，没问题，但当信号的峰峰值由大变小时，问题出现了，增益无法得到切换。经过激烈的思想斗争，我放弃了原先的方案，采用更加是实际化的交流整流电路，将交流信号的峰峰值以直流信号的形式提取出来，剩余的和基础部分的电路设计思想完全一致。(2) 总结设计电路和方案的优缺点： 优点：由于采用精密整流，实验精准度较高，直接反映在实验中是增益临界电压值与实验要求相差无几。缺点：由于采用精密整流，电路结构较为复杂，实现起来也比较难。(3) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望： 核心是增益随着输入信号的变化而变化，实际应用价值比较大，可以