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程控放大器.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：11.34M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    《模电程控放大器》 课程设计 学生姓名： 朱葛 学 号： 111300655 专业班级： 物联网工程 指导教师： 杨明静老师 二○一五 年 6 月 20 日
    程控放大器设计 摘 要 本文介绍一种可通过程序改变增益的放大器。利用 0P07 运放组成放大电路， 采用 CD4051 芯片作为增益的切换开关，通过控制开关的闭合或断开来达到改变 电路增益的目的。 文章首先对系统方案进行了论证，然后对硬件电路的设计进行了说明，最后 重点介绍了系统的调试过程以及参数指标的分析。该系统最终也达到了预期要 求，实验了增益在 10～60dB 之间，以 10dB 步进可调的目的。 程控放大器；运算放大器；增益；八路开关 关键词
    目录 一、前言 ........................................... 错误！未定义书签。 1.1.实验设计目的 ............................................... 1 1.2.实验设计要求 ............................................... 1 二、设计方案 ..................................................... 1 2.1.方案 1：用继电器改变运算放大器的反馈网络 ....................1 2.2.方案 2：用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络 ................1 2.3.方案 3：用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益 .............1 三、单元模块设计 .................................................2 3.1.实验所需模块 ............................................... 2 3.2.所需元件清单 ............................................... 2 3.3.模块功能介绍及电路设计 ..................................... 2 3.3.1.开关电路选择模拟开关 CD4051 芯片 ...................... 2 3.3.2.INA128 芯片及其中各元件的选择 .........................4 3.4.电路图设计（各单元模块的连接） ............................. 5 3.5.电路图中各元件及其参数选择 ................................. 5 四、系统调试 ..................................................... 6 4.1.三运放模块测试 ............................................. 6 4.2.放大 3.16 倍测试 ............................................ 6 4.3.放大 10 倍测试 ............................... 错误！未定义书签。 4.4.放大 31.62 倍测试 ............................ 错误！未定义书签。 4.5.放大 100 倍测试 ............................................. 8 4.6.放大 316.2 倍测试 ........................................... 8 4.7.放大 1000 倍测试 ............................................ 9 五、系统实物图、实现的指标参数 ................................ 9 5.1.系统焊接图 ................................................. 9 5.2.系统测试连线图 ............................................ 10 5.3.系统所实现的指标 .......................................... 10 六、设计总结 .................................................... 10 七、【参考文献】 ................................................ 10
    一、前言 当前，随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和 智能化方向的发展。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处 理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度 A／D 和高速单片机，以保 证仪表的精度和速度要求。对于前端电路，由于传感器输出信号的幅度和驱动能 力均比较微弱。必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求；另一方面， 传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器 增加手动档位调节以保证后端的 A／D 采集输人端的信号在一定幅度内，从而保 证整个仪表的测量精度。 人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性，同时档 位调节通常采用机械转扭增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。 是否可由单片机自动选择量程档位呢?答案是肯定的，传统的方法是采用可软件 设置增益的放大器，如 AD832l 芯片。但该类放大器价格较高(如 AD8321)，选择 档位较少(如 TI 的 PGAl03，206 等仅 3—4 档)。为了克服以上缺点，本文提出了 采用程序控制的多档位、低成本的程控放大器。 1.1.实验设计目的 1、程控放大器是指通过程序或指令从而改变其增益等功能的放大器。本次 实验主要是设计由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络组成的通过改变其输 入电平得到六种不同状态下增益的程控放大器。 2、通过设计与实验，了解实现程控放大器的方法，进一步理解设计方案与 设计理念，扩展设计思路与视野。 1.2.实验设计要求 设计和实现一程控放大器，增益在 10～60dB 之间，以 10dB 步进可调；最大 输出电压≤10V。 二、设计方案 2.1.方案 1：用继电器改变运算放大器的反馈网络 基本的电压放大器可由运算放大器构成，其增益由反馈电阻与输入电阻之间 的比例确定。基于此原理，可通过程控改变基本运算放大器放大电路中的反馈电 阻大小来改变增益。使用继电器便可作为增益切换开关。 改方案最大的优点是开关的接通电阻低，一般在 mΩ级，对放大器的影响可 以忽略不计。另外，它的控制电源和信号点电源可以完全隔离，有利用消除干扰， 提高直流放大精度。缺点是继电器的功耗较大，特别是当多个继电器吸合时，不 利于电池供电的仪器仪表。 2.2.方案 2：用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络 通过改变电阻来改变增益最为直观的解决方案是由模拟开关选择多路不同 阻值的电阻，使相应电阻接入反馈回路中，以达到反馈电阻的变化。单片机可控 制模拟开关的选通，从而达到程控放大的目的。 该方案明显的缺点是增益的变化是非连续的，若要使各级增益更为细化无疑 要有庞大的电阻数量和较多的模拟开关。而且模拟开关的导通电阻将会使放大器 增益的精度降低，当反馈电阻较小时该影响尤为强烈。 2.3.方案 3：用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益 在方案 2 的基础上进行改进，可利用数模转换器内部所具有的电阻网络作为 1
    反馈电阻。电流输出型 D/A 芯片的参考电压引脚和电流输出引脚之间等效于一个 数控的电阻网络，该网络较为精准和易于控制。采用该种方案的程控放大器，增 益的细分程度取决于 D/A 转换器的精度（即位数）。 该方案虽简化了电路的实现，提高了放大器的精度，但仍旧为增益非连续的 放大器，对于对增益精度较高的应用仍不适合。 本文将采用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络的方案。 三、单元模块设计 3.1.实验所需模块 三运放构成的数据放大器（INA128）、模拟开关 CD4051。 3.2.所需元件清单 元件名称 万用板 电位器 10k 电阻 20k 电阻 100k 电阻 150k 电阻 微动开关 0P07 运放 DIP8 管座 DIP16 管座 模拟开关 CD4051 芯片 元件数量（个） 1 6 4 2 4 2 3 3 3 1 1 3.3.模块功能介绍及电路设计 3.3.1.开关电路选择模拟开关 CD4051 芯片 由于在开关电路选择的时候不能实现程序的控制，只能手动控制且本次实验 需得到六种不同状态下的增益，因此在本次设计中采用模拟开关模拟开关 CD4051 芯片来实现开关电路的控制。 如下图（a）所示为八路开关单元的组成框图，下图(b)为 CD4051 的引脚图， CD4051 是单边 8 通道的单刀八掷开关。 八路开关单元的组成框图（a） 2
    CD4051 引脚图（b） CD4051 有 A0、A1 和 A2 三个二进制控制输入端以及一个 INH 禁止输入端， 具有低导通和很低的截止漏电流。开关接通哪一通道由输入的 3 位二进制地址码 决定，可溢出八种状态。当 INH=0 时，通道接通；INH=1 时，各通道均不接通。 可得到 CD4051 真值表如下表 3
    3.3.2 INA128 芯片及其中各元件的选择 INA128 芯片选用三个 0P07 运放 R1、R2、R3、R4、R5、R6、RG 七个电阻 组成。0P07 运放是高精度低失调电压的精密运放集成电路，可用于微弱信号的 放大（如图所示）。0p07 采用双电源供电。 vo1 R3 R4 + - A1 RG iG R1 R2 -+ A3 vO R5 R6 -+ A2 vo2 vI1 vI2 0p07 引脚图 4
    3.4.电路图设计（各单元模块的连接） 3.5.电路图中各元件及其参数选择 本次设计需要满足增益在 10～60dB 之间，以 10dB 步进可调；所以对此分 析所需电阻的阻值。 ①RG 的选择用电位器。原因是电位器相对定值电阻误差较小。 ②R1 至 R6 的阻值可根据提供的元件以及电路的增益计算获得且电阻对称 可知 R1=R2、R3=R5、R4=R6。由上图知： Au= uo uI = -R4 R3 (1+ 2R1 ) RG 可知 RG 越小，增益越大 电位器有 6 个取值范围分别为 0—1K、0—2K、0—10K、0—50K、0—100K、 0—500K。本题所需增益为 10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB。由 40=20lgAu 得 Au 分别为 10^(1/2)=3.16、10、10^(3/2)=31.62、100、10^(5/2)=316.23、1000。 由上述可令： 于是求得： R1=R2=100K R3=R5=10K R4=R6=20K 当 Au=1000 时，RG=0.4K 当 Au=316.2 时，RG=1.28K 当 Au=100 时， RG=4K 当 Au=31.62 时，RG=13K 当 Au=10 时， RG=50K 当 Au=3.16 时， RG=350K ③三个微动开关控制 A1、A2、A3 的输入电压信号。 ④微动开关处的三个上拉电阻以防损坏开关，阻值 100K。 5
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