1、東南大學電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電子電路實踐 第2次實驗實驗名稱： 增益自動切換電壓放大電路的設計 院 （系）： 專 業： 姓 名： 學 號： 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間：2011年4月14日、21日評定成績： 審閱教師： 實驗二 增益自動切換電壓放大電路的設計一、實驗內容及要求設計一個電壓放大電路，能夠根據輸入信號幅值自動切換調整增益。設輸入信號頻率為020KHz，其幅值范圍為0.110V（峰峰值Upp）。電路應實現的功能與技術指標如下：基本要求當輸入為直流信號時，要求設計的電路達到以下要求：當0.5V時，電路的增益約為10倍。當0.53V時，電路的增益

2、約為1倍。當310V時，電路的增益約為0.1倍。提高要求當輸入為交流信號時，根據輸入電壓的峰峰值大小，電路增益仍滿足基本要求。發揮部分對輸入電壓值分檔再細化；增益值的顯示。分析項目的功能與性能指標：功能：針對不同幅值的信號，進行不同增益的放大。當0.5V時，電路的增益約為10倍；當0.53V時，電路的增益約為1倍；當310V時，電路的增益約為0.1倍。對于交流信號，不同增益根據峰峰值劃分。用數碼管顯示增益。性能指標：實現功能要求，放大盡量精準，即盡量減小誤差。微調信號幅值跨越臨界值（本實驗中為0.5V和3V）時，盲區盡量小，即盡量做到增益的立即轉換。保證輸出信號的穩定性。二、電路設計電路設計思

3、想（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）： 基本要求：將直流信號的大小與0.5V和3V進行比較，不同的比較結果對應不同的放大倍數。比較部分可由比較器完成（0.5V和3V由電阻分壓得到），放大要求可由同相放大器或反相放大器完成（這里考慮到反相放大器實現小于1的增益可能引起運放的不穩定，故采用同相放大器，這樣也無需再加反相器進行反相）。不同的放大系數是由反饋電路上的電阻阻值決定。這樣可用CD4052根據不同的比較結果選擇不同的反饋回路。另外一個問題是利用同相放大器無法實現0.1倍的增益，這樣在放大之前進行十分之一的分壓再進行1倍的增益，效果是等價的。這樣，若幅值大于3V，則把分壓后的信號輸入放大器

4、，若小于3V，則直接輸入放大器，此要求仍可由CD4052實現。提高要求與直流相比較，交流的關鍵問題是用哪個參數與基準電壓進行比較？平均值？方均根值？最大值？峰值？峰峰值？這就需要一個整流電路，輸入此交流信號，輸出幅值為此參數值的直流信號，再進行比較放大（歸于基本要求部分）。既然實驗要求為峰峰值，這就需要進行得到峰值檢測電路。此電路可根據二極管的單向導電性和電容的保持特性設計。本實驗根據峰峰值決定放大倍數：0-1V，放大10倍；1-6V，放大1倍；6-10V，放大0.1倍。發揮部分在發揮部分設計了一個增益顯示的功能。想用實驗箱上的兩位數碼管進行顯示，由于中間小數點無法點亮，故用一個LED燈代替。

5、增益顯示的控制信號仍然是比較單元的兩位比較結果。但由于輸出的比較結果不滿足數字信號的電壓要求（輸出比較結果大約為13V，而數字信號低電平一般在0-0.5V，高電平一般在3-5V）。因此此部分的一個關鍵是由模擬信號轉換為數字信號。主要有兩點考慮：一是電壓過高，簡單用電阻分壓即可；二是比較輸出為負時需轉換為數字信號中的0，需用到二極管的單向導通性質。再進行一些數字邏輯運算即可通過簡單的門電路實現響應增益的顯示。電路結構框圖（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）：基本要求：分為比較單元和放大單元兩大部分，其中放大單元的反饋回路需要一個通道選擇單元：如下列框圖所示： 提高部分：與基礎部分相比較，交流信

6、號的區別是需要一個峰值保持電路。框圖如下： 發揮部分電路原理圖（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）：基礎部分根據框圖分別設計電路圖：比較單元：放大單元通道選擇單元 綜合上述各單元電路，得到總的電路圖如下：提高要求對于交流信號，需要兵分兩路，一路通過峰值檢測電路得到峰值并進入比較單元進行比較，另一路進入放大電路作為源信號。峰值檢測電路： 提高部分的總電路圖：發揮部分如上圖所示，R8R11為分壓電阻，R12、R13為限流電阻，兩個二極管用來將隔負電壓，使之為0.系統工作原理（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）： 基礎部分：直流信號與兩個基準電壓進行比較，有三種比較結果。將比較結果輸入CD405

7、2的地址端，控制通路。不同的比較結果對應特定的一條通路，不同的通路即為放大單元的反饋支路，上面掛有不同的電阻，對應不同的放大倍數。此外，對于增益要求為0.1情況，由于采用同相放大電路，增益不可小于1，故需要將源信號衰減10倍，再使其放大增益為1，其效果是等價的。這樣可通過CD4052的另外一套通道選擇電路進行選擇，根據比較單元的比較結果來決定是否需要將源信號衰減再輸入放大器的同相端。提高部分：基于直流部分的原理，只需要將交流信號進行峰值檢測，整波為直流信號，輸入比較電路進行比較，根據比較結果決定反饋回路和同鄉輸入信號是否衰減。發揮部分根據比較結果和增益顯示的對應關系，列出真值表A0A1Q1Q0

8、LED001000101010011011觀察得到Q0=A1,Q1=not（A1），LED=A0（如上面電路圖所示）參數計算和元器件選擇說明（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）：基礎部分：用來得到比較基準電壓的分壓電阻：R1=48k(20k*2+8k),R2=10,R3=2k將源信號衰減十倍的電阻：R4=9k(8k+1k),R5=1k負反饋支路上的電阻：R6=4k(2k*2),R7=36k(27k+8k+1k)提高部分：在基礎部分的基礎上，加入峰值整流電路的電容和二極管：電容C=1uF；二極管IN4148發揮部分在前面基礎上，增加：電阻2k*2,8k*2,100k*2二極管IN4148*2列

9、出系統需要的元器件清單（請設計表格列出）（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）：基礎部分種類型號數量電阻1k32k38k320k227k1提高部分種類型號數量電阻1k32k38k320k227k1電容1uF1二極管IN41481發揮部分種類型號數量電阻1k32k58k520k227k1100k2電容1uF1二極管IN41483電路的仿真結果（請寫明基本要求、提高要求、發揮部分）：基礎部分0.4V放大到4V，增益為10；直流2V 輸入為2V，輸出2.03V，放大1倍直流5V動態驗證：輸入正弦信號：利用正弦波的正半部分進行驗證：部分為0-0.5V，放大10倍，故輸出波形有個類似小脈沖的波形；部分為

10、0.5-3V，放大1倍，輸出同原信號；部分為大于3V，放大0.1倍，此部分相對平緩，故輸出類似于貼近基準線的一條直線。提高部分，放大10倍到8V峰峰值為峰峰值為5.6V，仍然放大1倍到峰峰值為發揮部分如圖，輸入8V，增益為0.1，顯示正確輸入4V，增益為1（顯示為1，LED燈滅），顯示正確輸入0.4V，增益為10，顯示正確三、硬件電路功能與指標，測試數據與誤差分析硬件實物圖（照片形式）： (增益顯示部分的電路忘記拍了，只需要增加一片74HC04和若干電阻，二極管即可)制定實驗測量方案：首先逐個測量各個單元的功能，如對于比較單元，給定輸入信號，測量比較結果看是否與預期相符。然后接入可選擇反饋通道

11、的放大器，輸入信號，看能否使得不同大小的信號獲得不同的增益。測量直流信號時，先使直流信號通過峰值檢測電路，測量輸入輸出，看能否將交流整為峰值大小的直流信號。成功后，再將得到的直流信號通入比較單元，將原交流信號通入放大器正相通道，測量輸出結果是否與預期相符。最后調試增益顯示部分。使用的主要儀器和儀表：電源器：提供電源；萬用表：查找故障，測量驗證；示波器：觀察輸入輸出波形函數發生器：提供不同峰值的交流信號實驗箱：提供數字電源電壓，數碼管和LED燈調試電路的方法和技巧： 首先用萬用表測量芯片的引腳輸入電壓是否符合要求，即改接正負電源的是否符合要求，該接地的是否接地等。都接好后，即為電路提供好了一個工

12、作平臺。之后開始輸入特定信號，測量輸出信號是否符合要求。若出現問題，再采用由后向前的方法深入到各個單元分別檢測信號輸出是否符合理論分析，尋找原因。測試的數據和波形并與設計結果比較分析：基礎部分直流信號直流，在0-0.5V范圍內，放大10倍，符合要求。直流1.13V，在0.5-3V范圍內，放大1倍，符合要求。直流7.58V，在3-10V范圍內，放大倍，符合要求。提高部分交流信號正弦交流840mV，在0-1V范圍內，放大10倍，符合要求。正弦交流4.08V，在1-6V范圍內，放大1倍，符合要求。正弦交流8.2V，在6-10V范圍內，放大0.1倍，符合要求。發揮部分 輸入峰峰值為840mV的正弦信號

13、，增益為10，顯示正確 輸入峰峰值為4.08V的正弦，增益為1，顯示正確 輸入峰峰值為8.2V的正弦信號，增益為0.1，顯示正確（左上角led燈為小數點）。調試中出現的故障、原因及排除方法：故障1：CD4052功能測試不正確。經過萬用表的測量，發現地址輸入端會出現-11V。原因：經過仔細排查，發現忽視了VSS的接地。VSS為數字信號的接地，在模電實驗中很容易忽視。排除方法：將VSS接地，再次測量地址端變為-1V左右，功能正常。故障2：交流調試中，用函數發生器進行峰峰值的遞增或遞減，當峰峰值跨越基準電壓時，盲區很大，即電容放電慢，需等待一段時間才能實現增益的跳變。原因：用來保持正弦信號峰峰值的電

14、容太大，容納電荷能力強，放電充電相對較慢。 排除方法：換量值小的電容（33uF換為1uF），跳變就很快了，此處體現了選擇參數的重要性。故障2：調試增益顯示時，在增益需要為10時，顯示卻為00排除方法：經測量，比較結果為負時，測量二極管正極為-0.8V，負極卻為1V左右，導致74HC04的輸入為1V（被當作高電平），輸出低電平。而1V不足以點亮數碼管，故兩個數碼管相當于都輸入了低電平，都顯示0.后來在二極管兩端并聯了一個大電阻，情況得到了解決（輸入為-0.8V時，輸出為0.2mV左右）。后來猜想可能是二極管的反相電流恰好處于使兩端反相壓降為-1.8V左右的值，而并聯一個電阻可以分擔一部分電流，使

15、其處于正常狀態。四、總結闡述設計中遇到的問題、原因分析及解決方法： 問題1：采用同相放大，如何實現增益為0.1？ 分析及解決辦法：既然放大器本身采用同相放大時無法實現增益小于1，那么完全可以在輸入放大器之前對信號做處理，使其衰減10倍，再通過增益為1的放大器即可實現放大0.1倍。由于是否需要輸入前衰減也是由比較結果決定，故可利用CD4052的另一套可選擇通路實現此功能。問題2：如何得到峰值保持電路？分析及解決辦法：要將峰值保持住，必然要用到電容這一儲存元件。且將峰值保持住以后不容易放電，故用到二極管的單向導電性，使信號達到峰值之后下降時，二極管反相截止，阻止放電。問題3：如何進行模擬信號與數字

16、信號之間的轉換？分析及解決辦法：在本實驗中的增益顯示部分，需要根據不同的模擬信號值進行數碼管不同數值的顯示，但包括數碼管、門電路、led燈在內的器件均需要滿足一定范圍要求的數字信號，這就需要使模擬電壓值通過一定的方法對應到數字上要求的電壓值。幅值上的增減可通過電阻分壓實現，負值變0可以利用二極管的單向導通性質實現。總結設計電路和方案的優缺點： 優點：很好地利用了理論課中所學元器件的性質；有很強的靈活性，即可通過改換分壓電阻改變基準電壓和增益值； 在峰值檢測電路后面加一個跟隨器，使電路的穩定性大大增強； 實現了增益的顯示，直觀。缺點：交流信號峰峰值由高變低時，需要電容快速放電，故電容需要較小；而

17、由低變高時需要電容快速充電，故電容需要較大；兩者需要達到一個平衡，即參數比較難調。經不斷調試，發現本試驗中采用1uF的電容較為合適。指出課題的核心及實用價值，提出改進意見和展望：課題的實用價值：通過CD4052實現可選多通道的功能，基此實現不同幅度信號的不同增益。于是，對于不關注峰峰值的交流信號，完全可以通過本電路使其放大到一個合適的幅值再進行信號的其他參數的研究，具有廣泛的應用價值。有待改進的地方：即缺點中所提到的，繼續優化電路，克服此處選擇電容的矛盾性，使充電放電都達到一個很高的速度。實驗的收獲和體會：由于實驗前進行了認真的模擬，查閱了包括數據手冊在內的相關資料，故整個實驗比較順利，在以后的試驗中要繼續保持這種好習慣。雖然已經做了很多實驗，但過程中仍