电压放大电路的设计（吴健雄学院）

实验二 增益自动切换电压放大电路的设计

【实验内容】

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0～20KHz，其幅值范围为0.1～10V（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Ui<0.5V时，电路的增益约为10倍。

(2) 当0.5

(1) 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。 2. 发挥部分

（1） 对输入电压值分档再细化； （2） 增益值的显示。 【实验目的】

1. 了解实验过程：学习、设计、实现、分析、总结。

2. 系统、综合地应用已学到的模拟电路、数字电路的知识，在单元电路设计的基础上，利用multisim软件工具设计出具有一定工程意义和实用价值的电子电路。 3. 通过设计、调试等环节，增强独立分析与解决问题的能力。 【实验要求】 1. 实验要求：

(1) 根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理，计算元件参数。

(2) 利用EDA软件进行仿真，并优化设计。

(3) 实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

(4) 按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。 (5) 撰写实验报告。 2. 说明

要求先用软件设计并仿真，然后硬件实现。 【教学指导】

1. 明确设计任务要求, 确定总体方案

对系统的设计任务进行具体分析，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。 2. 基本要求部分电路工作原理

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。

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3. 提高部分电路工作原理

根据题目的提高部分的要求，交流信号幅值取样电路可以采用峰值取样或整流滤波取平均值的方法。 【实验方案】

1. 各模块电路设计及参数选择

(1) 输入信号的幅度比较与鉴别示例

如图2.1所示，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这两个基准电压可由Rw及R5、R6组成的分压器获得。输入信号UiUREF1和UREF2，

Ui与UREF1和UREF2进行比较，同时加在A2、A3的同相输入端，决定它们的输出UA2、UA3是高电平还是低电平。用UA2、UA3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。

（也可用处理器采样输入信号，根据输入信号的大小直接控制放大器的增益。） (2) 增益切换放大电路示例

受模拟开关的控制，电阻R1-R4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R2、R3或R4，则放大电路的增益分别为1?R2R1、1?R3R1和1?R4R1。

图2.1 增益自动切换电压放大电路原理图

（也可以采用数字信号处理算法，对采样信号的幅值加窗，实现增益的变换与控制） 2. 计算机仿真优化

系统的实现方案、电路设计以及参数计算和元器件参数基本确定后，先利用Multisim软件对设计的单元电路进行仿真，优化调整电路结构和元器件参数，直至达到指标要求。 然后再将各单元电路连接起来仿真，看总体指标是否达到要求、各模块之间配合是否合理、信号流向是否顺畅，如果发现有问题，还要重新审视各部分电路的设计，进一步调整，改进各部分电路的设计和连接关系，这一过程可能要反复多次，直到计算机仿真结果证明电路设计确实正确为止。

自拟测试表格，要求能将各个单元电路、总体电路的特性完整表示出来。 3. 硬件安装、调试与测量

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安装：根据设计的电路在面包板或实验箱上搭试电路

调试：分层次进行，先单元电路，再模块电路，后系统联调。

测试：按自拟表格进行性能测试，并与仿真值做对比，分析之间的异同及原因。 【报告要求】

1. 实验项目名称。 2. 实验内容及要求

分析项目的功能与性能指标。 3. 电路设计，包括：

(1) 电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。

(2) 各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。 (3) 电路的仿真与优化。

4. 画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。 5. 制定实验测量方案。 6. 安装调试，包括：

(1) 使用的主要仪器和仪表。 (2) 调试电路的方法和技巧。

(3) 测试的数据和波形并与设计结果比较分析。 (4) 调试中出现的故障、原因及排除方法。 6. 总结

(1) 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。 (2) 总结设计电路和方案的优缺点。

(3) 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。 (4) 实验的收获和体会。

7. 列出系统需要的元器件清单。 8. 参考文献。 【实验考核】

1. 实验考察内容：

(1) 电路图与原理分析。

(2) 电路仿真运行结果。

(3) 硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析。 (4) 实验报告。

2. 实验结束需要提交的材料：

(1) 仿真电路图 (2) 硬件实物 (3) 实验报告

【提供主要器件】

运放uA741、模拟开关CD4052、电阻电容等

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