模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告-程控放大器

1、<p>　　模擬電子線路課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題 目： 程控放大器 </p><p>　　專 業(yè)： 電子工程類 </p><p>　　2011年6月16日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、課

2、程設(shè)計(jì)任務(wù) ……………………………………………………… 2</p><p>　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證及析分析 ……………………………………… 3</p><p>　　1．實(shí)現(xiàn)程控放大器的方案 ……………………………………… 3</p><p>　　2．電路原理分析 ………………………………………………… 5</p><p>　

3、　三、 單元電路的設(shè)計(jì) ………………………………………………… 9</p><p>　　1．模擬開(kāi)關(guān)電路 ………………………………………………… 9</p><p>　　2．放大電路 ……………………………………………………… 10</p><p>　　四、安裝與調(diào)試 ………………………………………………………… 12</p><

4、;p>　　1．主要儀器、儀表 ……………………………………………… 12</p><p>　　2．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ……………………………………………………… 12</p><p>　　3．誤差分析 ……………………………………………………… 12</p><p>　　4．組裝與調(diào)試 …………………………………………………… 13</p>

5、<p>　　5．電路特點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn) ………………………………………… 14</p><p>　　6．元器件列表 …………………………………………………… 14</p><p>　　五、結(jié)論和心得 ……………………………………………………… 14</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………… 15<

6、;/p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)電路名稱：程控放大器</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)現(xiàn)程控放大器的方法，進(jìn)一步理解設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)理念，擴(kuò)展設(shè)計(jì)思路與視野。</p><p>&

7、lt;b>　　指標(biāo)要求：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一程控放大器，增益在10～60dB之間，以10dB步進(jìn)可調(diào)；當(dāng)增益為40dB時(shí)，－3dB帶寬≥40kHz.電壓增益誤差≤10％，最大輸出電壓≤10V。</p><p>　　3． 設(shè)計(jì)說(shuō)明與思路提示：</p><p><b>　　不可用專用集成塊。</b></

8、p><p>　　實(shí)現(xiàn)程控放大器的方案有多種，如：</p><p>　?。?）用繼電器改變運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　（2）用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)控制運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　（3）用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)改變?cè)鲆妗?lt;/p><p><b>　　4．設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b>&

9、lt;/p><p>　?。?）、進(jìn)行方案論證；（2）、設(shè)計(jì)電路；（3）、焊接，組裝、調(diào)試硬件，測(cè)試結(jié)果；（5）、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求有電路圖、原理說(shuō)明、電路所需元件清單、電路參數(shù)計(jì)算、元件選擇、測(cè)試結(jié)果分析等。</p><p><b>　　5.設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫</b></p><p>　　設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫應(yīng)包括以下內(nèi)容：</p>&l

10、t;p><b>　　設(shè)計(jì)電路名稱。</b></p><p><b>　　內(nèi)容提要。</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。</b></p><p>　　總體方案選擇的論證，內(nèi)容包括曾考慮過(guò)的各方案框圖、簡(jiǎn)要原理和優(yōu)缺點(diǎn)以及所選定方案的理由等。</p><p>

11、;　　單元電路的設(shè)計(jì)、元器件選擇和參數(shù)計(jì)算。</p><p>　　繪出總體電路圖及必要的波形圖，并說(shuō)明電路的工作原理。</p><p>　　組裝與調(diào)試，內(nèi)容含：</p><p>　　使用主要儀器、儀表。應(yīng)列出名稱、型號(hào)、生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)日期等；</p><p>　　測(cè)試的數(shù)據(jù)、波形，必要時(shí)應(yīng)與計(jì)算結(jié)果比較并進(jìn)行誤差分析；</p>

12、<p>　　組裝與調(diào)試的方法、技巧和注意事項(xiàng)；</p><p>　　調(diào)試中出現(xiàn)的故障及其診斷與排除方法；</p><p>　　所設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)。</p><p>　　所用元器件的編號(hào)列表。列表項(xiàng)目為序號(hào)、符號(hào)與編號(hào)、名稱、型號(hào)與規(guī)格、數(shù)量以及必要的說(shuō)明等。</p><p>　　列出參考文獻(xiàn)，格式為作者、文獻(xiàn)名、刊物名、出版

13、單位、出版時(shí)間、卷號(hào)和頁(yè)碼。</p><p>　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證及分析</p><p>　　1．實(shí)現(xiàn)程控放大器的方案：</p><p>　　方案一：用繼電器改變運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　如圖，用繼電器改變運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)放選用TLE2027、LM318、OP37、OPA227等均可，因?yàn)橐笞畲筝敵鲭妷骸?0V，

14、所以電源電壓選用±12V。</p><p>　　當(dāng)增益為60dB時(shí)，放大器輸入電壓為10mV。此類放大器的增益頻率帶積GBW≥8MHz，當(dāng)增益為40dB時(shí)，－3dB帶寬≥200KHz。用單級(jí)實(shí)現(xiàn)大增益，則帶寬比較緊張。所以，為滿足增益和帶寬的要求，才有三級(jí)級(jí)聯(lián)。各級(jí)增益分配如下：</p><p>　?、俚谝患?jí)有兩個(gè)繼電器（A，B）控制，增益分別為：1倍（0dB）,3.162倍（1

15、0dB）,10倍（20dB）</p><p>　?、诘诙?jí)由一個(gè)繼電器（C）控制，增益分別為1倍（0dB），10倍（20dB）.</p><p>　　③第三級(jí)由一個(gè)繼電器（D）控制，增益分別為1倍（0dB），10倍（20dB）</p><p>　　三級(jí)級(jí)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)增益按10 dB ，20 dB ，30 dB ，40 dB ，50 dB ，60 dB步進(jìn)，即分6檔變化

16、。</p><p>　?、墚?dāng)增益最大為1000倍時(shí)，帶寬最窄。采用OP37，LM318(GBM=15MHz),OPA227(GBW=8MHz),TLE2027(GBW=13MHz)等帶寬可超過(guò)要求，用測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證之。</p><p>　　方案二:采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ D/A）的電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)改變?cè)鲆?lt;/p><p>　　首先用三級(jí)放大電路構(gòu)成一個(gè)增益為1000（60dB）的

17、放大器，然后將其輸出信號(hào)u作為D/A轉(zhuǎn)換器的參考信號(hào)（Uref），用D/A作為衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的變化，如圖所示：</p><p>　　+12v +12v</p><p><b>　　-12v</b></p><p><b>　　… …</b></p>

18、<p><b>　　D0-07D</b></p><p>　　D/A采用AD7520，這是一個(gè)10位、并行數(shù)據(jù)輸入、R-2R結(jié)構(gòu)，電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器。實(shí)際上考慮到D/A低位容易受干擾，所以為了保證精度，應(yīng)采取12位D/A。</p><p>　　方案三：采用三級(jí)運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的程控放大器</p><p>　?、龠\(yùn)放選用T

19、LE2027、LM318、OP37、OPA227等均可，級(jí)聯(lián)增益可達(dá)1000以上，同頻帶也能夠很好的符合要求，但由于器件限制，運(yùn)放只能選用OP07C。增益公式為： Au=（1+R1/(Rg/2)）*(-R3/R2)，只要調(diào)節(jié)Rg就能夠達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。</p><p>　　②模擬開(kāi)關(guān)選用CC4051，CC4051相當(dāng)于一個(gè)單刀多擲開(kāi)關(guān)，可以選擇不同的Rg。</p><p>　?、垭娐房驁D

20、如圖所示：</p><p>　　… +5v +12v</p><p>　　A0 A1 A2 -12v</p><p><b>　　。</b></p><p>　　由于儀器放大器具有很大的共模抑制比、極高的輸入電阻，且增益能在大范圍內(nèi)

21、可調(diào)。模擬開(kāi)關(guān)可用專用集成片。電路原理簡(jiǎn)單、易操作。故采用方案2，即應(yīng)用八選一模擬開(kāi)關(guān)和三運(yùn)放儀用放大器實(shí)現(xiàn)程控放大器</p><p><b>　　2．電路原理分析：</b></p><p><b>　?。?）儀用放大器</b></p><p><b>　　基本作用：</b></p>&

22、lt;p>　　儀用放大器常用來(lái)精確放大載于高共模電壓上的微弱差動(dòng)信號(hào)</p><p><b>　　主要特點(diǎn)：</b></p><p>　　差動(dòng)輸入，具有較高的共模抑制比；</p><p><b>　　較高的電壓增益；</b></p><p><b>　　低噪聲；</b>&

23、lt;/p><p><b>　　高輸入阻抗。</b></p><p>　　基本儀用放大器的工作原理：</p><p><b>　?、烹娐方Y(jié)構(gòu)：</b></p><p>　　儀用放大器是在差動(dòng)放大器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種比較完善的放大器。它由三個(gè)運(yùn)放（A1、A2、A3）和一些精密電阻構(gòu)成。</p>

24、;<p>　　A1、A2為高輸入阻抗的同相放大器。A3為差動(dòng)放大器。</p><p>　　注意：兩個(gè)同相放大器不是通過(guò)Rg直接接地而是相連。這是很有必要的，下面加以說(shuō)明。</p><p><b>　?、齐娐贩治觯?lt;/b></p><p>　　對(duì)于運(yùn)放A1、A2由運(yùn)放的虛短虛斷：</p><p>　　Vo1=

25、ig*R1+Vi1，Vo2=-ig*R2+Vi2</p><p>　　當(dāng)R1=R2=R時(shí)：</p><p>　　Vo1- Vo2=（1+2R/Rg）(Vi1- Vi2)</p><p>　　A3為差動(dòng)放大器，取匹配電阻R5=R3，R4=R6，采用電路理論中的迭加原理及運(yùn)放的虛短虛斷的概念可以求出放大器的輸出為：</p><p>　　Vo=-V

26、o1*R4/R3+（1+R4/R3）Vo2*R6/（1+R4/R3）</p><p>　　當(dāng)R3=R5,R4=R6時(shí)：</p><p>　　Vo=-R4/R3*（1+2R/Rg）(Vi1- Vi2)</p><p>　　所以儀器放大器的差值電壓增壓</p><p>　　可見(jiàn)，放大器要求電阻匹配。若將A1、A2接成兩個(gè)獨(dú)立的同相放大器，另外需要

27、保證A1、A2的放大器數(shù)相等，兩個(gè)R1相等，否則會(huì)帶來(lái)較大誤差。這在制造時(shí)有很大的困難。</p><p><b>　　差模放大倍數(shù)：</b></p><p>　　Afv=-（1+2R/Rg）R4/R3</p><p>　　由上式可見(jiàn)，只要改變Rg，即可改變?cè)鲆?，很方便?lt;/p><p>　　討論：制造時(shí)，應(yīng)盡量將A1，A

28、2特性 相等，R1和R2，R3和R5，R4和R6要盡量配成對(duì)，才能減少電路的誤差。</p><p>　　由于A1和A2為近似相同的同相放大器，由共模電壓引起的輸出也近似相等，位差動(dòng)放大器A3相差后可以補(bǔ)償?shù)鬉1和A2共模放大倍數(shù)引起的誤差。這時(shí)放大器的共模誤差主要取決于A3的共模抑制比。由于A1A2具有相同的溫度漂移特性，通過(guò)差動(dòng)放大器A3的相減作用而達(dá)到補(bǔ)償，改善了其溫度特性。</p><

29、p><b>　?。?）運(yùn)放的選擇</b></p><p>　　運(yùn)放選用OP07. OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低

30、失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號(hào)等方面。</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　超低偏移： 150μV最大。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5μV/℃ 。 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2μV/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V </p>

31、;<p>　　OP07芯片引腳功能說(shuō)明：</p><p>　　1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳 6為輸出，7接電源+ </p><p><b>　?。?）模擬開(kāi)關(guān)</b></p><p>　　CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)控制輸入端A、B、C和INH輸

32、入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5～4.5V的模擬信號(hào)。這些開(kāi)關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)INH輸入端＝“1”時(shí)，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號(hào)選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。 </p>

33、;<p>　　CD4051引腳功能說(shuō)明　</p><p>　　CD4051真值表　</p><p><b>　　CD4051管腳圖</b></p><p>　　三、 單元電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1．模擬開(kāi)關(guān)電路：</b></p><p><

34、b>　　工作原理：</b></p><p>　　模擬開(kāi)關(guān)選擇電路是通過(guò)CD4051的9，10，11管腳輸入高低電平來(lái)選通相應(yīng)的13，14，15，12，1，2擋，之后串接對(duì)應(yīng)的Rg電阻。其中輸入的高低電平由3位撥碼開(kāi)關(guān)提供。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　由增益計(jì)算公式：Au=（1+R1/(

35、Rg/2)）*(-R3/R2)，與所要求的放大倍數(shù)10dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB可計(jì)算出Rg的大小分別為：Rg1=740.74K、Rg2=17.143K、Rg3=8.119K、Rg4=4.192K、Rg5=2.254K、Rg6=1.237K。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)輸入電路：</b></p><p><b>　　撥碼開(kāi)關(guān)

36、輸入端電路</b></p><p><b>　　電阻選擇電路：</b></p><p>　　CC4051Rg選擇電路</p><p><b>　　模擬開(kāi)關(guān)總體電路：</b></p><p><b>　　2．放大電路：</b></p><p>

37、<b>　　工作原理：</b></p><p>　　該部分由OP07運(yùn)放和電阻組成反饋網(wǎng)絡(luò)， 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，U1,U2組成第一級(jí)放大電路，再將信號(hào)輸入至第二級(jí)放電路，實(shí)現(xiàn)所要求的放大倍數(shù)。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　由于器件原因?qū)⒌谝欢?jí)放大設(shè)定為50dB，第二級(jí)設(shè)定為10d

38、B。由級(jí)聯(lián)運(yùn)放增益計(jì)算公式:前端：Vo1-Vo2=(1+2R/Rg)(Vi2-Vi1)，后端：Vo=-R4/R3(Vo2-Vo1)可得電阻應(yīng)選取如下值：R1=20K、R2=10K、R3=30K。輸入端接10K電阻以減小對(duì)運(yùn)放的輸入電流。</p><p><b>　　前端放大電路：</b></p><p><b>　　后端放大電路：</b><

39、/p><p><b>　　總體放大電路：</b></p><p><b>　　整體程控電路:</b></p><p><b>　　四、安裝與調(diào)試</b></p><p>　　1．主要儀器、儀表：</p><p><b>　　雙蹤示波器</b&

40、gt;</p><p><b>　　萬(wàn)用表</b></p><p><b>　　函數(shù)信號(hào)發(fā)生器</b></p><p><b>　　交流毫伏表</b></p><p><b>　　模擬電路實(shí)驗(yàn)箱</b></p><p><b&

41、gt;　　2．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：</b></p><p><b>　　幅頻特性曲線：</b></p><p><b>　　Av/倍</b></p><p><b>　　31.62</b></p><p><b>　　22.36</b></p>

42、;<p><b>　　f/HZ</b></p><p>　　0 2.3HZ 24KHZ</p><p><b>　　3．誤差分析：</b></p><p>　　各檔位誤差均在10%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求</p><p>　　誤差原因綜合

43、分析可以知道在測(cè)試電路的過(guò)程中可能帶來(lái)的誤差因素有:</p><p>　　A．元件本身存在誤差；</p><p>　　B．焊接時(shí)，焊接點(diǎn)存在微小電阻；</p><p>　　C．萬(wàn)用表本身的準(zhǔn)確度而造成的系統(tǒng)誤差；</p><p>　　D．測(cè)量方法造成的人為誤差。</p><p><b>　　4．組裝與調(diào)試：&

44、lt;/b></p><p><b>　　組裝：</b></p><p>　　對(duì)電路進(jìn)行組裝：按照自己設(shè)計(jì)的電路，在在通用板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯(cuò)接、漏接、虛焊的現(xiàn)象。對(duì)安裝完成的電路板的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，以便提供調(diào)整電路的依據(jù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)整和測(cè)量，使電路的性能達(dá)到要求。</p><p>　　安裝前應(yīng)

45、檢查元器件的質(zhì)量，安裝是特別要注意電位器、集成芯片等主要器件的引腳和極性，不能接錯(cuò)。從輸入級(jí)開(kāi)始向后級(jí)安裝。 </p><p>　　開(kāi)始安裝穩(wěn)壓電源，檢查萬(wàn)能板內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定其內(nèi)部的電氣連接屬性．</p><p>　　1.檢查元器件看是否有損壞，或者不符合規(guī)格的，要及時(shí)更換。</p><p>　　2.安裝一個(gè)元器件，先要用尖嘴鉗將其引腳成型，然后用鑷子把引腳放入孔內(nèi)

46、．高度要適中，符合電氣標(biāo)準(zhǔn)．完畢后，要用萬(wàn)用表測(cè)量元器件引腳和電路板之間是否接觸良好，然后再安裝下一個(gè)元器件。</p><p>　　3.對(duì)于導(dǎo)線要用斜口鉗切成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，然后成型安裝．安裝時(shí)必須采用絕緣良好的絕緣導(dǎo)線,在畫連線的時(shí)候要取好元件與元件的距離.連接的時(shí)候線與線之間不能交叉。</p><p>　　4.應(yīng)避免元器件損壞的發(fā)生，插元器件時(shí)候要垂直插拔以免行成不必要的損壞。</p

47、><p><b>　　調(diào)試：</b></p><p><b>　　1．靜態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　當(dāng)連好電路板的線路時(shí)，先不要急著通電，而因該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)：</p><p>　　A、對(duì)照原理圖，用萬(wàn)用表一一檢查線路的各個(gè)接口是否接通，是否有短路、斷路或漏接的現(xiàn)象，如果有，因該及時(shí)改好

48、電路連線。</p><p>　　B、對(duì)照原理圖，檢查各元件是否接正確。</p><p><b>　　2．動(dòng)態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　接通電源，開(kāi)關(guān)撥至對(duì)應(yīng)檔位，測(cè)試輸出波形及放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)電位器使輸出盡量接近理論設(shè)計(jì)值</p><p>　　5．電路特點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)：</p><p>　

49、　本次課程設(shè)計(jì)所用電路具有性能優(yōu)良，工作可靠，外圍元件少，以及安裝方便等特點(diǎn)，各放大倍數(shù)檔位均能正常工作。</p><p>　　由于運(yùn)放元件采用OP07器件，其理論放大倍數(shù)和實(shí)際放大倍數(shù)存在較大差異，其帶寬與理論值相差也較大，因此可選用OP37等更為理想的運(yùn)放，以提高電路的性能。</p><p><b>　　6．元器件列表：</b></p><p&

50、gt;<b>　　五、心得體會(huì)</b></p><p>　　在這次設(shè)計(jì)中，我遇到了很多難以解決的問(wèn)題同時(shí)也學(xué)會(huì)了很多知識(shí)。掌握了程控放大器的設(shè)計(jì)與制作，掌握了如何去檢查電路中的錯(cuò)誤與線路是否導(dǎo)通，進(jìn)一步熟練萬(wàn)用表的使用等等。制作電路板的問(wèn)題有很多，例如如何布局布線，還有焊接技術(shù)的要求。在測(cè)試自己的電路板時(shí)有點(diǎn)心驚膽戰(zhàn)，和同學(xué)們互相討論，傳授經(jīng)驗(yàn)，讓我感到那種學(xué)習(xí)的氛圍很好，同學(xué)們的互相幫助讓