增益自动切换的放大电路的设计 2 - 图文

兰州交通大学2015年大学生电子设计

中文摘要：

在这次设计中增益的改变是通过改变放大器反馈电阻的阻值来实现，因此只要改变反馈电阻就能切换不同的电压增益。电阻的自动选择，可以通过模拟开关来实现。在本次设计中，采用模拟开关 CD4052 实现电压增益的自动切换。CD4052 是一个双路四选一模拟开关，开关的工作状态由控制信号 A、B 来决定。通过输入基准电压与A、B比较得到不同的A、B值，这样通过改变模拟开关的导通通道就可以改变反馈电阻，电压增益也随之改变。

关键字：增益自动切换、基准电压、比较单元、模拟开关

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目 录

一、电路设计 ....................................................................... - 1 - 1.1电路设计思想 ............................................................ - 1 - 1.2电路结构框图 ............................................................ - 1 - 1.3系统工作原理 ............................................................ - 3 - 1.4参数计算和元器件选择说明 ....................................... - 3 - 二、电路的仿真结果 ............................................................. - 5 - 三、硬件电路功能指标，测试数据与误差分析 ...................... - 8 - 3.1制定实验测量方案 ..................................................... - 8 - 3.2使用的主要仪器和仪表 .............................................. - 8 - 3.3调试电路的方法和技巧 .............................................. - 9 - 3.4测试的数据和波形并与设计结果比较分析 .................. - 9 - 四、调试中出现的故障、原因及排除方法 ........................... - 10 - 五、总结 ............................................................................ - 11 - 5.1设计中遇到的问题、原因分析及解决方法 ................ - 11 - 5.2设计电路和方案的优缺点 ................................. - 11 - 5.3课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望 ......... - 11 - 5.4实验的收获和体会 ................................................... - 11 -

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实验 增益自动切换电压放大电路的设计

一、电路设计

1.1电路设计思想（基本要求、提高要求、发挥部分）：

基本要求：将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，只有相应的一个比较电路输出为高电平（或低电平），其余比较器输出为低电平（或高电平）。根据比较器的输出状态，通过模拟开关的控制，选择相应的增益。

1、根据方向比例运算电路可知，增益Au=-Rf/R1,故只需改变Rf的值便可实现不同的增益。且由虚断的概念容易得运放的输出阻抗为R1，故选择R8=10kΩ，R6=100kΩ，R5=10kΩ,R7=1kΩ.

2、由于要实现增益自动切换，增益Au=-Rf/R1，故必须将输出电压与参考电压1、5V和5V相比较，使得输入信号的范围，进而选择其放大倍数。

3、将比较器得到的结果，通过模拟开关（4052）可以非常方便的选出所需的Rf,从而选择出所需的增益，即实现了增益的自切换。

提高要求：可以先采用峰值取样或整流滤波电路对交流信号进行处理，再将处理后得到的交流信号峰值按基本要求进行处理。

1、基本思路与基本要求相同，关键在于如何提取出输入交流信号的峰值。

2、得到交流信号的峰值有两种办法：一为峰值检波电路：即用一个二极管与一个电容。但是考虑到二极管的导通压降，故采用此方法，误差较大。另一种方法为先通过精密整流，接着通过滤波，虽然此方法更加麻烦，但是效果好，精度高，故采用此方法。

3、增益显示两种方法均采用，对应于LED灯的显示，由于4052开关两个四选一开关，故一个四选一用来选择Rf而另一个则用来实现增益的LED显示。而数码管的显示，则可以用FPGA来实现，将比较器比较所得的结果通过一个译码电路，即可方便的译出放大倍数。

1.2电路结构框图（基本要求、提高要求、发挥部分）：

基本要求：

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(1) 电路原理图（基本要求、提高要求、发挥部分）： 基础要求：

拓展要求：

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1.3系统工作原理（基本要求、提高要求、发挥部分）：

基础要求：将直流信号加到基准电压分别为5V和1.5V的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，相应的比较电路输出为高电平或低电平，将比较器的输出状态通过模拟开关的控制，选择不同的增益电路，从而实现增益的自动切换。

提高部分：采用峰值采样电路，先将交流信号输入峰值采样电路，再将输出的峰值加到比较电路输入端进行分档比较，其他同上。

1.4参数计算和元器件选择说明（基本要求、提高要求、发挥部分）：

基础要求：放大电路电阻：R8=10kΩ，R6=100kΩ，R5=10kΩ,R7=1kΩ.

分压电阻：要满足分压分别为3V和0.5V，则设置Rw=90kΩ，R5=25kΩ， R6=5kΩ，可满上述要求。

提高要求：峰值采样电路：IN4018二极管、10nF电容放大电路电阻及分压电阻同基础部分。 基础要求： 比较电路：

说明如下：

1、LM324为专门集成比较器，工作时需接一上拉电阻，当输入端U+>U-时，输出为所接的上拉电压，当输入端U+

2、参考电压通过一个分压电路将15V分出所需要的5V和0.5V首先调节变阻器得到5V一个电压，接着通过9V和1V的电阻可以得到0.5V电压。

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增益电路：

说明如下：

由于模拟开关4066的工作原理与4052不同，故正如前所述必须将比较器所得结果通过一些与非门才能实现Rf的选择。至于电阻参数的选择，在电路设计部分已经提及，同时由于采用的反相比比例放大故对于输出结果必须同过一个反相器才能得到的真正结果。

提高部分： 整流滤波电路

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(1)、当无电容C3,且R4为20kΩ时：

1、若Ui为正时，D3短路，D1导通，Uo1=-Ui时，Uo=-2Uo1+(-Ui)=Ui。故Ui>0,Uo=Ui。 2、若Ui为负，则D3导通，Uo1=0,则此时Uo=-Ui。 故实现了精密整流。

（2）、当接上电容后，可实现滤波，但是由傅里叶级数展可知，滤出的直流分量为峰值的2/π,故为了得到峰峰值（即两倍的峰值），需提高R4的大小，故R4=20*π=62.8kΩ(通过调节实验箱的滑动变阻器得到)。

增益显示：由于增益的显示部分无用multism仿真，尽在此处以文字作简要说明： Led显示：由于实际电路采用4052，而4052中有两个四选一开关，故可采用与选择Rf一样的方法选择不同颜色的Led灯亮，区别仅在于一端采用输入5V电压，另外三端接Led灯。

二、电路的仿真结果

基本要求：

A、当输入为0.5V时：

从仿真波形看出，当输入为0.5V输出为4V,增益约为7，基本达到要求。 B、当输出为5V:

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提高要求：

A、当输入信号峰值为5V时： 精密整流加滤波结果：

从波形可知，基本接近峰值。

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输出波形：

从波形可知，当输入峰值为5V时，输出为5.1V，基本达到要求。 B、当输入信号峰值为2.4V（峰值为4.8V）时： 精密整流加滤波：

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从波形可知，当输入峰值为时，精密4.8V,精密加滤波后的直流信号为4.7V，与输入峰值基本接近。

此时输出波形：

从波形可知，当输入峰值2.4时，输出峰值为2.38V，增益约为1，达到要求。 综上：该电路对于交流信号，也基本达到了实验要求。

三、硬件电路功能指标，测试数据与误差分析 3.1制定实验测量方案

将输入信号、输出信号分别接入示波器CH1、CH2通道。

直流信号通过实验箱上滑动变阻器分压获得，通过调节滑动变阻器输入0.1V~10V信号；主要观察0.1V,0.5V（跳变点）附近，5V（跳变点）附近以及10V的输入输出电压情况。

交流信号来自函数信号发生器，设定频率为10KHz，幅宽通过旋动旋钮调节，获得0.1Vpp~10Vpp的正弦波，主要观察输入信号峰峰值为0.1V，0.5V（跳变点）附近,5V（跳变点）附近以及10V的输入输出电压情况。

3.2使用的主要仪器和仪表

数字万用表、数字示波器。

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3.3调试电路的方法和技巧

分模块调试：

1、对于模拟开关，将地址端直接接高低电平选通指定的开关； 2、将信号输入比较器，看逻辑是否正确;

3、再看增益放大电路，手动选择不同的，看是否有相应的增益；

4、再单独调试整流滤波电路，因为电阻并不是十分精确，因此需要通过电位器调节增益，使得滤出来的直流信号与峰峰值十分接近。

3.4测试的数据和波形并与设计结果比较分析

由于此次试验基础与提高两部分是分别验收的，基础部分忘记拍下波形，仅拍了部分提高部分的波形。

A、

当输入为4.08Vpp时，输出为4.40V，增益为1.08，基本达到要求。 B、

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当输入峰值为6V时，输出为4V,增益为0.12，偏大。

四、调试中出现的故障、原因及排除方法

在实验中当比较器输出为负电压时，直接接到4052的选择端会损坏放大器，根据观察，发现会将放大器的输出强行拉到-1V左右，而放大器开路输出为负-13V左右，经过一段时间以后放大器会过热，模拟开关也可能损坏。加上一个限流电阻可以解决问题，不会损坏放大器和模拟开关。

实验中的数据与模拟的有很大不同。整流的电容电压不等于峰值，与峰值的关系也不是线性变化的，所以增益变化点与模拟的结果差距很大，于是实际测量了不同峰峰值下的电容电压，并以此为基准，改变分压大小，才使增益变化点接近要求，最终是靠调变阻器达到较高的精度的。

1）比较器LM324以及模拟开关4052的问题：

初次接触电路时，LM324集电极开路接上拉电压5V，课时不论怎么调节输入信号，增益始终未6，似乎模拟开关并没有呈现应有的作用，后查询数据数据手册的得知，比较器比较得到的结果，作为地址段输入模拟开关时，高低电频与开关VCC大小有关，由于开关电源接了+/-5V在开关看来也是低电平，解决方法：一、将上拉电压改为15V；二、将模拟开关电源接+/-5V。由于+/-5V需要分压产生，故为了方便，选择方法一：将上拉电源改为15v。

2）实验改进：由于比较器LM324需上拉电阻和电压，使用起来不太方便，其实可以直接使用运放作比较器更为方便；

3）运放LM324与UA741的性能对比：

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在做提高部分时，一开始方向比例放大选择的运放为LM324，可是当输入信号较小时，放大倍数仅为4点几倍，误差较大，而检查电路其余各部分，如精密整流加滤波，发现输出结果均正确，可是放大倍数却4点几倍，如果考虑到模拟开关的导通导通电阻，则放大倍数应大于6，故应该是LM324的自身问题。经上网查询后，发现这是LM324的固有问题，后改用UA741效果明显得到改善。

五、总结

5.1设计中遇到的问题、原因分析及解决方法

1、如何提取交流信号的峰值：该方案有峰值检波电路和精密整流加滤波，方案一较为简单，单误差比较大，很快便排除，可是精密整流电路较为复杂，自己无法设计，后来实在参考网上资料得知的。

2、增益显示对增益显示在设计中考虑很多方法：

a、通过与非门，可是由于比较器上拉电压改为15V，若是要使用与非门，则需稳压二极管，显然该方案比较繁琐，直接排除。

b、由于4052中有两个四选一开关，故可以利用另一个四选一开关，只需一端接入5V，另外三段接LED灯。

C、数码管显示，若译码电路采用与非门，则存在a的问题，可是若配合方法b再加上FPGA，则容易实现。

5.2设计电路和方案的优缺点

优点：采用反向增益电路，可避免无法产生0.1倍的增益的问题，只需再加以反向器即可；同时使用二极管和电容来实现峰值取样，非常简单且实用。

缺点：采用二极管和电容来实现峰值取样有一定的误差，会使临界值发生偏移，从而不符合实验的要求。

5.3课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望

本课题的核心为增益自动切换，这在许多方面都有应用。希望可以加上更多的功能，来实现更多的功能。

5.4实验的收获和体会

通过本次实验，加深了对运算放大器的理解，学会了使用运算放大器设计简单的电路，了解了怎样对交流信号进行峰值取样，提高了动手实践的能力。对于系统的设计，关键要学会分模块搭建和测试，这与上学期的数电电路搭建是相同，模块化的思想必须建立。而与数

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字电路系统设计不同的是，模拟电路的搭建，对于芯片的选择以及参数的计算要求很高，且往往仿真正确，可是实物搭建时却存在很大的问题，故在调试时，必须耐心。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/itp6.html