增益可变直流放大器

1、模拟电路课程设计题 目 增益可变直流放大器 学 号 * 姓 名 * * 专业班级 * 学 院 电气工程学院 指导教师 * * * 摘要在电子电路的世界里，各种信号的采集都需要经过信号放大，从而进行信号处理。在测量电路中，信号的放大处理显得尤为重要。在实际的工程应用中，有许多信号放大处理方法，而本设计采用增益可变的直流放大电路，即无需换挡可以自动调节的直流增益放大器来实现信号的放大。本设计是基于数字电路与模拟电路相结合的信号处理技术，由模数转换模块(窗口比较器)、模拟开关(八选一数据选择器)、正相比例放大模块等部分构成，从而实现相应功能，完成信号的放大处理。关键字：信号 放大处理 增益可变 数字

2、电路 模拟电路目录1、 系统总体设计.11.1设计要求.11.2系统框图.11.3方案论证.2 1.3.1模数转换模块.2 1.3.2模拟开关模块.21.3.3电压放大模块.31.4电路工作原理.3 1.4.1总电路工作原理.31.4.2窗口比较器.41.4.3CD4051模块.51.4.4LMS324放大模块.61.5电路设计计算.81.6元器件的选择.8二、 仿真电路的搭建.92.1总仿真电路图.9 2.2仿真调试步骤.92.3仿真数据.10三、 仿真结果分析.103.1设计结果与数据处理.10 3.2设计总结.113.2.1实际电路中可能存在的问题.113.2.2电路改进措施.113.2

3、.3设计电路总体总结.12四、 设计心得体会.12 五、 附录.131、 系统总体设计1.1设计要求1）输入信号为050mv时，放大100倍；2）当输入信号为50mv500mv时，放大10倍；3）当输入信号为500mv5v时，放大1倍；（根据输入信号大小，自动改变放大倍数。）1.2系统框图模拟开关（八选一数据选择器）模数转换模（窗口比较器）块输入信号输出信号正比例放大模块图1.2.1 系统总体设计框图1.3方案论证 本设计为增益可变直流放大电路,主要由三大模块组成模数转换模块(窗口比较器)、模拟开关(八选一数据选择器)、正相比例放大模块。模数转换模块 本模块需实现电压比较功能，将模拟电路中的不

4、同档位的电压转换成数值电路中的高低电平，故需要用到电压比较器，常见的几种电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器。1）单限比较器 电路只有一个阈值电压，即只有一个电压比较值，而本设计要有500mV和50mV的两个阈值电压，故不能采用。2）滞回比较器 电路中虽然有两个阈值电压UT1和UT2，但当输入电压向单一方向变化时，输出电压只越变一次。这一点不符合本设计电压比较模块的功能要求，故也不采用。3）窗口比较器 电路有两个阈值电压，输入电压U1从小变大或从大变小过程中使输出电压U0产生两次跃变。窗口比较器与前两种比较器的区别在于：输入电压向单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。而这一特性正是本

5、模块设计所需要的，故本模块采用窗口比较。模拟开关模块 本模块需要实现对放大电路中接地电阻的自动选取，故需要数据选择芯片，市场上常见的芯片有很多，单本模块采用CD4051芯片。该芯片接口操作简单，易于上手，并且完全满足本模块的设计要求，故本模块采用之。电压放大模块 在电压放大模块中，我选用LM324四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如下图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点 ，故本模块采用LM324四运放集成电路。图1.3.1 LM324四运放集成电路符

6、号 1.4电路工作原理1.4.1总电路工作原理 利用LM324放大器构成的窗口比较器,将模电信号转化为数字电路中的高低电平.设定门限电压为500mV和50mV,当输入不同的电压就将信号转化为高低电平.当输入为大于500mV时, B端输出为高电平，A端输出为低电平。电压Ui介于于500mV与50mV之间时,B端输出为低电平，A端输出为低电平。当输入电压Ui小于50mV时,B端输出为低电平，A端输出为高电平。在利用CD4051八选一数据选择器,选择不同的电阻值实现不同的放大。1.4.2模数转换模块(窗口比较器)1） 当输入电压Ui<50mV时,B端输出为低电平，A端输出为高电平。2）当输入电

7、压50mV<Ui<500mV时,B端输出为低电平，A端输出为低电平。3）当输入电压Ui>500mV时,B端输出为高电平，A端输出为低电平。表1.4.1 数模转换数据表输入电压A BUi<50mV1 050mV<Ui<500mV0 0Ui>500mV0 1图1.4.2 窗口比较器仿真电路图（其中两个发光二极管分别检测两个LM324是否正常工作）1.4.3模拟开关(八选一数据选择器) 本设计选用CD4051作为数据选择器. CD4051是单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。幅值为4.5

8、20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD+5V，VSS0，VEE-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出. 图1.4.3 CD4051管脚图 注：CD4051引脚功能描述：（A0A2 地址端 I0/O0I7/O7 输入输出端 INH 禁止端 O/I 公共输出/输入端 VDD 正电源 VEE 模拟信号地 Vss 数字信号地 ）图1.4.4 CD4051

9、逻辑真值表注：CD4051参数（电源电压范围3V15V 输入电压范围0VVDD 工作温度范围 M类55125 E 类.4085 极限值： 电源电压.0.5V18V 输入电压0.5VVDD+0.5V 输入电流.±10mA 储存温度65150）1.4.4正相比例放大模块 本设计正相比例放大模块采用LM324集成运放将输入电压进出行放大。设计采用同相比例运算电路，供电模式采用+5V单电源供电。由于LM324集成运放只能工作在电压正半轴，因此只能选择正相比例放大。电路引入了电压串联负反馈，因此可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。由“虚短”与“虚断”可得，集成运放的净输入电压为零。由此可以

10、得到：Uo=(1+Rf/R)*Ui 经综合考虑选取反馈电阻Rf=100K（即图中R5的值）。当Av=1+Rf/R=1时，选取用R=1M的电阻。当Av=1+Rf/R=10时，选取用R=10K的电阻。当Av=1+Rf/R=100时，选取用R=1k的电阻。图1.4.5 正向比例放大电路图1.5电路设计计算窗口比较器两阈值电压UT1=50mVUT2=500mV;(滑动变阻器RV1和RV2分别调节两阈值电压到所需值，其阻值一般选为10k)LM324通过CD4051数据选择器中对三电阻阻值的选取反馈电阻Rf=100k;由公式Au=U0/Ui=(1+Rf/R)可得：a.当Av=1+Rf/R=1时，选取用R3

11、=1M的电阻。b.当Av=1+Rf/R=10时，选取用R2=10K的电阻。c.当Av=1+Rf/R=100时，选取用R4=1k的电阻。1.6元器件的选择表1.6.1 元器件参照表序号元件名称参数备注1电阻1K、10K、100K、1M2发光二极管（两个）红色3滑动变阻器10K（三个）4LM3245CD40516直流电源+5V二、仿真电路的搭建2.1总仿真电路图图2.1.1总仿真电路图2.2仿真调试步骤1）先给电路上+5V电的直流电。2）调节滑动变阻器RV1和RV2，使2点电压输出为500mV，5点电压为5mV。3）分别输入不同范围值的电压，分别测试模拟开关CD4051数据选择器的芯片管脚10，1

12、1即A,B端输出的高低电平。当输入信号小于50mV时，A为高电平，B为低电平；当输入信号为50mV500mV时，B为低电平，A也为低电平；当输入信号大于500mV时，B为高电平，A为低电平；4）使输入电压接地，即输入为0，测量输出是否有电压，如有电压输出，可微调滑动变阻器RV3，使输出接近于0。5）当数据选择器正常工作时，即可分别输入不同范围值的电压，测量输出端的电压U0。6）通过Ui和U0即可计算出电压放大倍数Au。2.3仿真数据表2.3.1 仿真数据表实测值理论值位选端Ui（v）Uo(v)AvUi(v)Uo(v)AvBA32.950.98331012.52.460.982.52.51011

13、.31.270.971.31.31010.353.549.820.353.510000.171.699.830.171.710000.10.979.70.1110000.0323.1297.50.0323.2100100.0161.5395.60.0161.6100100.0121.1696.60.0121.210010三、仿真结果分析3.1设计结果与数据处理表3.1.1 仿真数据处理表实测值理论值位选端A相对误差Ui（v）Uo(v)AvUi(v)Uo(v)AvBA32.950.98331010.033%2.52.460.982.52.51010.022%1.31.270.971.31.310

14、10.044%0.353.549.820.353.510000.262.6%0.171.699.830.171.710000.181.8%0.10.979.70.1110000.55%0.0323.1297.50.0323.2100102.52.5%0.0161.5395.60.0161.6100104.44.4%0.0121.1696.60.0121.2100103.43.4% 计算可得：平均相对误差=2.96%3.2设计总结3.2.1实际电路中可能存在的问题在调试过程中，由于5V直接分到50mV很难调，电压跃变相当大，可能出现RV1和RV2无法正常分压不能分到50mV和500mV的电压。实

15、际电路中可能存在某个模块电压电流过大而损坏某些器件，从而使实验测量失败。实际电路中的零点漂移现象可能会对实验测试造成很大的影响。3.2.2电路改进措施在分压之前加上一个电阻进行分压，可尽可能让RV1和RV2分到50mV和500mV的电压。在实际测量前，仔细测量各个模块相关参数，对于某些模块可加上限流电阻，以防止元器件的烧毁。为了抑制零点飘移，电路的输入可以采用差动放大电路可以有效的抑制。电路图如右图所示。使用差动放大电路可以使电路的抗干扰性和稳定性得到显著的提高。 图3.2.1差动放大电路3.2.3设计电路总体总结 1）优点：能自动检测输入信号的大小并输出相应的放大倍数的电压。电路具有高输入电

16、阻，低输出电阻的优点。2）缺点：输入电压过大会造成电路和芯片的损坏；零点漂移可能会造成放大倍数的偏差即输出的电压值的误差。因为电路放大模块采用同相比例放大，共模干扰就比较明显。四、设计心得体会 本设计是增益可变直流放大器，虽然说相对于基于单片机的电路设计简单，但以上三个模块的设计还是经过了许多的修改和完善，费了一定的功夫，也用到了Proteus电路仿真软件。这次课程设计的完成真的要感谢班上同学和学长的帮助，在这里真诚的感谢张立德学长跟我安装调试Proteus电路仿真软件，感谢杨星学长叫我应用Proteus软件并提出了一些好的建议，同时也感谢同宿舍杨再林同学给出的一些好的建议。感谢的话就说到这吧！ 这次课程设计总的来说收获还是挺大的，我其实是尝试着将这个课程设计当做论文来书写，因为以后我应该会尝试着发表一些论文，现在就全当是小试牛刀吧！另一方面，我学到了一些新的知识，像CD4051数据选择器，虽然说是数电里面的芯片，也虽然说数电比较简单，但我之前这个芯片还真的不懂，这次课程设计可谓是让我一辈子都会记住它，还有Proteus这个软件的操作，这个可是单片机仿真电路模拟的必备软件。同时，对于一些以前学过的知识，我也有了更加深刻的印象，像模电里面的窗口比较器、LM324集成运放电路，现在可是这些书本上的理论知识派上用场了，理论与实