課程設(shè)計(jì)目的和任務(wù)

1、 一、課程設(shè)計(jì)目的和任務(wù) 設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)、制作并調(diào)試一個(gè)可編程放大器 設(shè)計(jì)要求：1、 電源使用±12V和±5V。2、 設(shè)計(jì)差模信號(hào)為±50mV，共模信號(hào)為0mV的信號(hào)源。3、 輸入電阻100M。4、 輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系：Vo = Av * Vi5、 用電位器調(diào)整精度，誤差小于等于±1。多路開關(guān)地址 增益Av（倍） 000 2 001 5 010 10 011 15 100 20 101 30 110 40 111 50二、分析與設(shè)計(jì)（一）、設(shè)計(jì)任務(wù)分析根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，得到以下方框圖： 該可編程放大器包括四個(gè)主要部分。第一部分為信號(hào)源部分，用來獲

2、得差模電壓作為放大器的輸入信號(hào)；第二部分為多路選擇開關(guān)，根據(jù)地址控制端輸 入的地址信號(hào)選通其中一路，送入運(yùn)算放大器的輸入端，以獲得期望的放大 倍數(shù)；第三部分為反向比例運(yùn)算電路，用來實(shí)現(xiàn)放大；第四部分為地址控制 輸入，用來為多路選擇開關(guān)生成有效的控制地址。（二）、設(shè)計(jì)方案論證：由于差模增益Auo/uIdRf1/R0（12R1/R2），因此除了可以改變Rf1的值，從而改變?cè)鲆嫱?，還可以通過改變R2的大小來實(shí)現(xiàn)增益的改變（雖然也可以改變R1或Ro的阻值來實(shí)現(xiàn)，但R1和Ro在電路中都是成對(duì)出現(xiàn)的，要同時(shí)改變，就需要連接兩個(gè)多路選擇開關(guān)，增加了電路的復(fù)雜度，不是最理想的方案）。 與Rf1不同，R2與A不

3、是線性的關(guān)系，即它們不是成比例的，若要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中要求的增益倍數(shù)，多路選擇開關(guān)所控制的電阻可能不是一個(gè)整數(shù)，因此在每一路電阻的后面都接上了一個(gè)滑動(dòng)變阻器，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值，從而改變總的阻值大小。 其完整的電路圖如圖1圖1（三）、詳細(xì)設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)數(shù)器（74LS161），使其產(chǎn)生連續(xù)變化的地址輸入，使增益不斷變化，并且用示波器觀察放大器的輸出波形。如圖2所示1、信號(hào)源部分：這一部分由分壓電路和高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路組成。分壓電路分別為A1、A2 兩個(gè)運(yùn)放的兩個(gè)同相輸入端提供輸入電壓。兩個(gè)分壓電路分別上接+5V和-5V的直流電源，通過100:1的電阻進(jìn)行分壓（并配合電位器進(jìn)行精確調(diào)

4、節(jié)），使得兩個(gè)運(yùn)放的同相輸入端分別獲得+50mV和-50mV的輸入電壓。兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成高輸入電阻的差分比例運(yùn)算電路。2、多路選擇開關(guān)部分：這一部分采用一個(gè)CD4051芯片構(gòu)成。CD4051是一個(gè)由三位地址輸入端控制的八路選擇開關(guān)。它具有一個(gè)輸入端，八個(gè)輸出端（或用作八個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端）及三位地址控制端。其三位地址控制端的高低電平共有八種不同的組合，分別對(duì)應(yīng)八個(gè)二進(jìn)制代碼000111，這八個(gè)二進(jìn)制代碼分別對(duì)應(yīng)八個(gè)十進(jìn)制數(shù)字07，這八個(gè)數(shù)字又對(duì)應(yīng)著該芯片的八個(gè)輸出端（0端至7端）。因此，當(dāng)三位地址控制端的電平呈現(xiàn)某一種組合時(shí)，與其相對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出端將被導(dǎo)通，輸出信號(hào)與輸入端所加信號(hào)相同。 圖2

5、3、比例運(yùn)算電路部分：這一部分是放大器的核心部分，實(shí)現(xiàn)電壓放大功能。根據(jù)要求，放大器應(yīng)實(shí)現(xiàn)反相放大，故采用反相比例運(yùn)算電路。根據(jù)比例運(yùn)算電路的有關(guān)理論可知，當(dāng)運(yùn)放反相輸入端所接電阻為R,反饋電阻為Rf時(shí)，電路的放大倍數(shù)為-Rf/R.對(duì)于可編程放大器，要求放大倍數(shù)可以改變，這就要求Rf或R可以改變。然而Rf為反饋電阻，若在電路中改變其阻值，則在切換時(shí)會(huì)使電路開環(huán)，造成電路的不穩(wěn)定。因此恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ菍設(shè)計(jì)為可改變阻值的電阻，而Rf的阻值一旦選定（這里我們選擇75k）就不再改變。如圖所示，電路中R這一部分由八條支路構(gòu)成，每一條支路均由一個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，并分別接在CD4051的八個(gè)輸出端。其

6、中電阻的阻值是按照反饋電阻的阻值和放大倍數(shù)的要求計(jì)算出來的。例如，題目要求，多路開關(guān)的地址為000時(shí)，放大倍數(shù)為-2倍。由于前級(jí)運(yùn)放A2的輸出端電壓已經(jīng)是2(uI2 u I1)，所以此處應(yīng)使Rf/R=1.又當(dāng)多路開關(guān)CD4051的地址為000時(shí)，輸出端當(dāng)中的0端導(dǎo)通，故應(yīng)在0端后接一個(gè)阻值為R=Rf=75k的電阻。又如，當(dāng)多路開關(guān)的地址為111時(shí)，CD4051的7端導(dǎo)通，此時(shí)要求的放大倍數(shù)為-50倍，故應(yīng)使Rf/R=25，所以在7端后面所接電阻的阻值應(yīng)為Rf/25=3k。其余幾條支路中所接電阻的阻值確定方法均與此相同，不再贅述。需要說明的是，原理圖上標(biāo)注的這八條支路所使用電阻的阻值是我們所需要

7、的阻值，也是實(shí)際接入電路時(shí)應(yīng)接入的阻值。其中有些阻值的電阻在實(shí)際當(dāng)中并不具有現(xiàn)成的器件，則需要靠電阻的串、并聯(lián)及電位器的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 4、地址控制輸入部分：這一部分用來為多路選擇開關(guān)CD4051生成地址控制信號(hào)，也就是對(duì)應(yīng)的高、低電平。地址控制信號(hào)的變化既可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，也可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需將CD4051的三個(gè)地址端分別接到電路箱的三個(gè)開關(guān)上。通過扳動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高、低電平的轉(zhuǎn)換，從而得到所需的地址控制信號(hào)。自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要能夠產(chǎn)生連續(xù)變化的地址控制信號(hào)，使CD4051自動(dòng)地根據(jù)地址控制信號(hào)來切換輸出端。為此，使用一個(gè)十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161,以其計(jì)數(shù)輸出的低三位Q0Q2作為CD4

8、051的地址控制信號(hào)。當(dāng)電路接通后，信號(hào)由CP端輸入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。由于74LS161是十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)它在計(jì)數(shù)時(shí)，其計(jì)數(shù)輸出的低三位Q0Q2恰好按000111的順序連續(xù)變化，因此CD4051的地址控制信號(hào)也連續(xù)地按照此順序變化，則它的八個(gè)輸出端也依次按順序?qū)?，從而使得系統(tǒng)的放大倍數(shù)按照-2、-5、-10-50的順序連續(xù)變化。以上四個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)完整的可編程放大器，它可以對(duì)輸入的差模電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可以自行選擇。該電路具有很高的輸入電阻，并且具有很高的精確性。（四）、設(shè)計(jì)所需元器件清單：類型名稱 數(shù)量放大器 uA741 3個(gè) CMOS CD4051 1個(gè) TTL 74L

9、S161 1個(gè) 電阻 1 k 6個(gè) 2 k 2個(gè) 5 k 2個(gè) 10 k 5個(gè) 50 k 3個(gè)滑 動(dòng)變阻器 2 k 2個(gè) 5 k 2個(gè) 10 k 5個(gè) 20 k 1個(gè) 100 k 1個(gè)（五）、各單元電路工作原理、波形分析、參數(shù)計(jì)算1、差模信號(hào)為±50mV，共模信號(hào)為0mV的信號(hào)源 由圖3可知，差模信號(hào)的產(chǎn)生是采用了分壓的原理，按照設(shè)計(jì)的要求VC和VCC兩個(gè)電源分別使用5V和5V。當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端指向正中時(shí)，此時(shí)的輸出電壓剛好為0V，因此，只要稍稍移動(dòng)滑動(dòng)端的位置，就可以使得輸出電壓ui125mV，ui225mV。這樣就得到了差模信號(hào)uidui1ui250mV，共模信號(hào)uic1/2

10、(ui1ui2)0mV的信號(hào)源。 圖3 因?qū)嶒?yàn)室中提供的電壓源為±5V，而可編程放大器的輸入信號(hào)為±25mV，二者的差距較大，故在分壓時(shí)，所選用的電阻不宜過大，使得單位阻值所控制的電壓變化量比較大。因此使用了四個(gè)1k的固定電阻和兩個(gè)變化范圍為1k的滑動(dòng)變阻器，按圖接好線。2、 三運(yùn)放構(gòu)成的精密放大器 圖4 如前面所述，根據(jù)運(yùn)算電路的基本分析方法，uAui1，uBui2，因而 ui1ui2R2（uo1uo2）/(2R1+R2) 即 uo1uo2（12R1/R2）（ui1ui2）所以輸出電壓 uoRf1/R（uo1uo2）Rf1/R（12R1/R2）（ui1ui2）設(shè)uIdui

11、1ui2，則 uoRf1/R0（12R1/R2）uId其差模信號(hào)的增益為 Auo/uIdRf1/R0（12R1/R2）為了使計(jì)算方便，并且考慮到電阻之間的相互匹配，我們選定阻值R010k，Rf1Rf210 k，R150 k。由此，A（1100 k/R2），R2由帶電阻的多路選擇開關(guān)代替，因所給地址不同，阻值發(fā)生變化，從而改變?cè)鲆妗?、 多路選擇開關(guān) 圖5CD4051是一種數(shù)字控制的模擬開關(guān)，標(biāo)有Common一根引線和標(biāo)有Channel的八根引線既可以作為輸入用，也可以作為輸出用，通過內(nèi)部的譯碼電路，可使八個(gè)通道僅由三條控制線（A、B、C）進(jìn)行控制。當(dāng)禁止端INH=0（接地電位Uss接地時(shí)，根據(jù)

12、A，B，C通道選擇信號(hào)，按照二進(jìn)制BCD碼的原則選擇應(yīng)接通的通道），這時(shí)通過內(nèi)部二進(jìn)制三-八譯碼器，可以使8路開關(guān)中的某一路接通，從而將其輸入與輸出接通。從而改變接入電路的阻值，實(shí)現(xiàn)放大器的增益可調(diào)。各路電阻阻值（即相應(yīng)的R2）的選擇根據(jù)式 ARf1/R0（12R1/R2） R22R1/(A*R0/Rf11) 100/(A1)4、計(jì)數(shù)器74LS161是一個(gè)上升沿觸發(fā)的計(jì)數(shù)器，在ENP1、ENT1、LOAD=1的條件下，完成4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)上升沿則計(jì)數(shù)一次，題中只有八個(gè)地址，則要把計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成一個(gè)模八的計(jì)數(shù)器。利用清除端復(fù)位法，將輸出端QD接一個(gè)非門后，返回到清零端CLR。這樣，Q

13、A1、QB1、QC1時(shí)，下一個(gè)上升沿到來后，使得QD1，清零端清零，QA0、QB0、QC0，重新開始計(jì)數(shù)。這樣從000計(jì)數(shù)到111，實(shí)現(xiàn)了模八計(jì)數(shù)。（使用1KHz的脈沖信號(hào)產(chǎn)生連續(xù)變化的時(shí)鐘信號(hào)）如圖110所示三、系統(tǒng)實(shí)施1、各單元電路的調(diào)試電流源的調(diào)試：按圖17接線，使用±5伏的電源，用數(shù)字萬(wàn)用表分別測(cè)量?jī)啥说妮敵鲭妷?，使用一字改錐調(diào)整精密電位器的旋鈕，使得到要求的±25毫伏差模信號(hào)。三運(yùn)放構(gòu)成的精密放大器的調(diào)試實(shí)際使用的運(yùn)放是uA741，是八個(gè)管腳的運(yùn)放。首先，對(duì)運(yùn)放U1、U3進(jìn)行調(diào)零。集成運(yùn)放存在失調(diào)電壓和失調(diào)電流。在用作直流放大器時(shí)，由于失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響，當(dāng)

14、運(yùn)放輸入為零時(shí)，輸出可能不為零，將影響運(yùn)算放大器的精度，嚴(yán)重時(shí)放大器將不能正常工作。調(diào)零的原理是在運(yùn)放的輸入端，外加一個(gè)補(bǔ)償電壓，以抵消運(yùn)放本身的失調(diào)電壓，達(dá)到調(diào)零的目的。對(duì)于有調(diào)零引出端的µA741，只需按照規(guī)定接入調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零，其調(diào)零電路如圖111所示，同向輸入端接地，反向輸入端也接地，并且直接與運(yùn)放的輸出端相連，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rp，當(dāng)輸出為零時(shí)，調(diào)零完成，誤差應(yīng)控制在-1mV到+1mV之間，將三個(gè)運(yùn)放都按此方法進(jìn)行調(diào)零。圖7 多路選擇開關(guān)的調(diào)試：將芯片CD4051接入電路，6腳，8腳接地，7腳接-5V，16腳接+5V。9，10，11腳接多路開關(guān)的輸入C，B，A。3腳為輸出，

15、其余管腳為八路開關(guān)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各路接入相應(yīng)的電阻和滑動(dòng)變阻器。如圖19計(jì)數(shù)器的調(diào)試：將芯片74LS161接入電路，7腳，9腳，10腳接1。8腳接地。12腳，13腳，14腳分別接CD4051的9腳，10腳，11腳即C、B、A。11腳接入到一個(gè)非門的輸入，其輸出接到161的1腳清零端。2腳接入一個(gè)1kHz的固定時(shí)鐘脈沖。如圖1102、整體電路的調(diào)試 電路按上述步驟接好后，接通電路，改變多路開關(guān)輸入A，B，C的值即可得到不同的電壓輸出，比如此時(shí)選定000的輸入，使用一字改錐調(diào)整CD4051管腳13所串聯(lián)的滑動(dòng)變阻器的阻值的旋鈕，得到100mV的輸出，若達(dá)不到，則改變所串聯(lián)的電阻阻值或更換滑動(dòng)變阻器來調(diào)整。以此方法逐一調(diào)整八路通路的阻值，得到準(zhǔn)確的輸出。 3、誤差分析誤差產(chǎn)生的原因：1由于運(yùn)放調(diào)零不夠精確，經(jīng)過放大器的放大后，誤差變大，以至影響到電路的參數(shù)設(shè)置。2實(shí)驗(yàn)室中提供的固定電阻值，有一定誤差。 四、總結(jié)與體會(huì) 這次電子組裝課程設(shè)計(jì)，我們通過對(duì)可編程放大器的設(shè)計(jì)與調(diào)試，從中學(xué)到了很多知識(shí)，認(rèn)識(shí)了組成可編程放大器的芯片，了解了各個(gè)芯片