電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)---程控增益放大器

1、<p>　　電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：程控增益放大器</p><p>　　院（系）：電子與信息工程學(xué)院</p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣09 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　教師職稱(chēng)： </p><p>　　起止時(shí)間： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)</p><p>　　院（系）：電子與信息工程學(xué)院

3、 教研室：電子信息工程</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 程增益放大器設(shè)計(jì)方案論證1</p><p>　　1.1程控增益放大器的應(yīng)用意義1</p><p>　　1.2程控增益放大器設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1</p><p>　　1.3 設(shè)

4、計(jì)方案論證1</p><p>　　1.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析2</p><p>　　第二章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.2 集成電路運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.3增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)8</p><p

5、>　　第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 整體電路圖及工作原理8</p><p>　　3.2 電路參數(shù)計(jì)算9</p><p>　　3.3 整機(jī)電路性能分析9</p><p>　　第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)9</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b>&l

6、t;/p><p>　　附錄：器件清單………………………………………………………………………………11</p><p>　　第一章 程控增益放大器設(shè)計(jì)方案論證</p><p>　　1.1程控增益放大器的應(yīng)用意義</p><p>　　程控增益放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器符號(hào)PGA，在多通道多參數(shù)空間一個(gè)測(cè)量放大器，多通道放大器的信號(hào)的大小并

7、不相同，都是放大至A/D交換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)是電壓，因此對(duì)各個(gè)通路要求測(cè)量放大器的增益也不同。放大器的交流是由數(shù)字信號(hào)控制的反反饋電阻完成的，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低使其幅度程控增益放大器(PGA)主要用于對(duì)幅度較小信號(hào)進(jìn)行增益控制，達(dá)到ADC轉(zhuǎn)化器所工作的要求。利用撥碼開(kāi)關(guān)的數(shù)碼代替電位器刻度，具有線性度好、精度高、直觀，可直接或間接取代一般線性電位器或多圈線性電位器。在電子儀器儀表設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化控制，穩(wěn)壓、恒流、供電、機(jī)電保護(hù)、電動(dòng)

8、機(jī)保護(hù)、溫控、濕度、壓力、重量等自動(dòng)控制中達(dá)到數(shù)字設(shè)定的目的。放大器的增益的變化是由數(shù)字信號(hào)控制其反饋電阻完成的。 </p><p>　　1.2程控增益放大器設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.2.1設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)

9、構(gòu)框圖。</p><p>　　2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。</p><p>　　3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)

10、右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。</p><p><b>　　1.2.2技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　1.電壓放大倍數(shù)N由撥碼開(kāi)關(guān)控制，1。</p><p>　　2.輸出電壓絕對(duì)值在1—10V范圍。</p><p><b>　　3.輸入電阻。</b></p><p

11、><b>　　3.輸出電阻</b></p><p><b>　　1.3設(shè)計(jì)方案論證</b></p><p>　　程控增益放大器并不多見(jiàn)，需要采用其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常有兩種方法：</p><p>　　1）運(yùn)放+模擬開(kāi)關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　2）運(yùn)放+數(shù)字電位器。</p>

12、<p>　　其中，前一種方法利用模擬開(kāi)關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需元器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。第二種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來(lái)控制放大電路的增益，線路較為簡(jiǎn)單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見(jiàn)的有32、64抽頭，少數(shù)可達(dá)1024抽頭，因而構(gòu)成的放大器精度有限，無(wú)法滿足</p><p>　　10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。本節(jié)采用第二種加以論證</p&

13、gt;<p>　　1.4總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析</p><p>　　根據(jù)放大倍數(shù)以步距1在1～100范圍內(nèi)變化的要求，可用3位撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)D/A置數(shù)來(lái)設(shè)置放大倍數(shù)，并用撥碼開(kāi)關(guān)控制增益。該方案電路簡(jiǎn)單，但置的是十六進(jìn)制數(shù)，使用者必須根據(jù)增益在哪一擋來(lái)?yè)Q算放大倍數(shù)，且只能實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能</p><p>　　圖1 程控增益放大器框圖</p><p>　　第二

14、章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1.1所示的電路中，輸入3位10進(jìn)制數(shù)1－999時(shí)，輸出為20Ω，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)560kΩ的電位器，共有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的電位器。按圖上所標(biāo)的阻值，輸入的3位數(shù)字越大

15、，等效的并聯(lián)電阻越小。</p><p>　　圖2    3位8421撥碼開(kāi)關(guān)組成的電位器電路</p><p>　　所謂8421碼，也是一種二進(jìn)制碼，是一種數(shù)字字符編碼，每四位分為一段，該段內(nèi)的四個(gè)二進(jìn)制位分別對(duì)應(yīng)2的3次方(8)，2的2次方(4)，2的1次方(2)，和2的0次方(1)。而3、2、1、0是2的冪指數(shù)，稱(chēng)為對(duì)應(yīng)為的權(quán)。它對(duì)應(yīng)只有0－－9十個(gè)數(shù)字，還

16、有一種是二進(jìn)制碼，有0－－9加上A－－F共16個(gè)數(shù)字。以下是8421bcd碼，二進(jìn)制碼和十進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)8421碼     二進(jìn)制碼    對(duì)應(yīng)數(shù)字0000        0000       &

17、#160;  00001        0001          10010        0010    

18、60;     20011        0011          30100        0100  

19、;        40101        0101          50110        

20、;0110          60111        0111          71000     &

21、#160;  1000          81001        1001          9   &

22、#160;        1010    </p><p>　　2.1.2   10進(jìn)制編碼開(kāi)關(guān)</p><p>　　在圖3所示的電路中，輸入3位10進(jìn)制數(shù)0～999時(shí)，若電阻器R1～R9取1kΩ 電阻器R10～R18取100Ω，電阻器R19～R27取

23、10Ω，則輸出為0～10kΩ的等效電阻，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器串聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)10kΩ的電位器，也有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，也可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的電位器。顯然，輸入的3位數(shù)字越大，等效的串聯(lián)電阻也越大。</p><p>　　圖3    3位10進(jìn)制編碼開(kāi)關(guān)組成的電位器電路</p><p>

24、　　2.2集成電路運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)</p><p>　　集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路輸入級(jí)：通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。主要作用是提高抑制共模信號(hào)能力，提高輸入電阻?！　≈虚g級(jí)：帶恒流源負(fù)載和復(fù)合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級(jí)，主要作用是提高電壓增益?！　≥敵黾?jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。</p&

25、gt;<p>　　2.2.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源</p><p>　　1．基本電流源　　分壓式射極偏置電路為基本電流源電路。當(dāng)三級(jí)管工作在放大區(qū)，由于射極電流僅由兩分壓電阻決定，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（也即集電極電阻發(fā)生變化），輸出電流（即集電極電流）保持不變，體現(xiàn)了恒流特性。</p><p>　　2．有源負(fù)載　　由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點(diǎn)，因此在模擬

26、集成電路中，常把它作為負(fù)載使用，稱(chēng)為有源負(fù)載。</p><p>　　3．電流源的應(yīng)用（1）為集成運(yùn)放各級(jí)提供穩(wěn)定的偏置電流；（2）作為各放大級(jí)的有源負(fù)載，提高電壓增益。</p><p>　　圖4集成電路運(yùn)算放大器原理圖</p><p>　　2.2.2偏置電路     偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，決

27、定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。F007的偏置電路由T8～T13組成?；鶞?zhǔn)電流由T12、R5、T11，和電源EC（15V）、EE（- 15V）決定：      T10、T11和R4組成微電流源電路，提供輸入級(jí)所要求的微小而又十分穩(wěn)定的偏置電流，并提供T9所需的集電極電流，即IC10＝IC9 ＋2IB3；T8與T9 組成鏡像恒流源電路，提供T1、T2的集電極電流，即IC1＋I(xiàn)C2＝IC9

28、，T12與T13組成鏡像恒流源電路，提供中間級(jí)T16、T17的靜態(tài)工作電流，并充當(dāng)其有源負(fù)載。    2.2.3輸入級(jí)     輸入級(jí)對(duì)集成運(yùn)放的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)起著決定性的作用。它的電路形式幾乎都采用各種各樣的差動(dòng)放大電路，以發(fā)揮集成電路制造工藝上的優(yōu)勢(shì)。F007的輸入級(jí)電路是由T1～T7組成的帶有恒流源及有源負(fù)載的差動(dòng)放大電路。有源負(fù)載是由T5，T6

29、、T7及R1、R2、R3組成的改進(jìn)型鏡象恒流源電路。用它作差動(dòng)放大電路的有源負(fù)載，不僅可以提高電壓放大倍數(shù)，還能在保持電壓放大倍數(shù)不變的條件下，將雙端輸出轉(zhuǎn)化為單端輸出。  </p><p><b>　　圖5集成電路符號(hào)</b></p><p>　　輸還能完成電位移動(dòng)功能，使輸入級(jí)出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接NPN型管；由于P

30、NP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30V以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與NPN管隔離開(kāi)的作用。    2.2.4中間級(jí)     中間級(jí)電路的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，并向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流，有時(shí)還要完成雙端輸出變單端輸出，電位移動(dòng)等功能。F007的

31、中間級(jí)是由復(fù)合管T16、T17和電阻R6組成的共發(fā)射極放大電路，T12、T13組成的鏡象恒流源作為它的有源負(fù)載，因而可以獲得很高的電壓放大倍數(shù)。R6起電流負(fù)反饋?zhàn)饔每梢愿纳品糯筇匦浴?lt;/p><p>　　2.2.5輸出級(jí)     輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過(guò)載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均

32、使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。F007輸出級(jí)采用的就是由T14和復(fù)合管T18、T19組成的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。R7、R8和T15組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路，使T15的c、e兩端具有恒壓特性，為互補(bǔ)管提供合適而穩(wěn)定的偏壓，以消除文越失真。     D1、D2和R9、R10組成過(guò)載保護(hù)電路，正常工作時(shí)，R9、R10上的壓降較小，D1、D2均處于截止?fàn)顟B(tài)，即保護(hù)電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，一旦因某種原

33、因而過(guò)載，T14及復(fù)合管的電流超過(guò)了額定值，則R9、R10上的壓降明顯增大，D1、D2將導(dǎo)通，從而對(duì)T14和T15的基極電流進(jìn)行分流，限制了輸出電流的增加，保護(hù)了輸出管。     集成運(yùn)放的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，它們的性能更加優(yōu)越，除通用型集成運(yùn)放外，還出現(xiàn)了一些專(zhuān)用集成運(yùn)放。      集成運(yùn)放作為一個(gè)有源放大器件應(yīng)用于實(shí)際電路時(shí)，常用圖Z0608所示符

34、號(hào)表示。它有兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端。大箭頭表示信號(hào)傳輸方向。當(dāng)信號(hào)從</p><p>　　利用撥碼開(kāi)關(guān)接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。</p><p>　　第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1整體電路圖及工作原理</p><p>　　電源電路為了保證足夠的電源供應(yīng)，我們制作了一

35、個(gè)有±5V、±12V、±15V、0~30V可調(diào)的電壓源。</p><p>　　圖6程控增益放大器整體電路</p><p>　　撥碼開(kāi)關(guān)輸入3位10進(jìn)制數(shù)1－999時(shí)，輸出為20Ω，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)560kΩ的電位器，共有10×10×10=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的

36、電位器。這種用法不需任何外部調(diào)整元件件就能可靠地工作。但為了保證效果更好，應(yīng)該在正、負(fù)電源供電端連接一個(gè)1μF的旁路鉭電容到模擬地，且應(yīng)盡可能靠近放大器的電源引腳，并按圖中所示點(diǎn)接地。使輸入級(jí)輸出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接NPN型管；由于PNP型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30V以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與NPN管隔離開(kāi)的作

37、用。集成電路運(yùn)算放大器偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)  輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過(guò)載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。該電路是利用接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的</p><p><b>　　3.2電路參

38、數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　電路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相應(yīng)的即可，如數(shù)據(jù)0011，Rx等于20M與25M的并聯(lián)，即Rx=11.1.相應(yīng)的Au=1+100/11.1=10.01.在輸出電壓為1—10v之間求出相應(yīng)的相應(yīng)的放大倍數(shù)在1—99之間，根據(jù)相應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)計(jì)算出輸入電阻與輸出電阻的適當(dāng)值即Ri≥8M,Ro≤20.所以，增益公式G=20㏒Au得到所要調(diào)整的范圍。</p>

39、<p>　　3.3整機(jī)電路性能分析</p><p>　　本電路滿足微小信號(hào)在各種狀態(tài)下的放大調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠有效地抑制干擾信號(hào)，可靠地檢測(cè)出缺隱信號(hào)，常常需要高精度的測(cè)量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測(cè)信號(hào)的大小，用微控制器來(lái)檢測(cè)，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號(hào)調(diào)到最佳，獲得最佳測(cè)量數(shù)據(jù)。又因?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍、多干擾因素

40、的檢測(cè)系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件有機(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實(shí)用的電路設(shè)計(jì)按照上述方法設(shè)計(jì)的可編程增益放大電路，克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍小的缺點(diǎn)，，擴(kuò)大了增益范圍、提高了增益精度?；就瓿闪讼到y(tǒng)基本及發(fā)揮部分的要求，在某些方面性能有極大的提高，大大超過(guò)了要求。但由于時(shí)間緊張等原因，整個(gè)系統(tǒng)還存在著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)陋，測(cè)量精度不是很高等問(wèn)題。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還有很大的升級(jí)擴(kuò)展空間。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步

41、的完善，完全可以應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中。</p><p><b>　　第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)本次課設(shè)，我懂得了課設(shè)的過(guò)程是艱辛的，但是最終我的收獲是非常巨大的。首先，我們?cè)僖淮蔚募由铎柟塘藢?duì)學(xué)過(guò)知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí)；其次，我們第一次將課本知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)上，使得所學(xué)的知識(shí)在更深層次上得到了加深。再次，因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中有一定難度，這對(duì)我們來(lái)

42、說(shuō)不為是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料等等的能力；再有，計(jì)算操作過(guò)程中，我曾經(jīng)面臨過(guò)很多的失敗、品味過(guò)了茫然，但是最后我們還是堅(jiān)持了下來(lái)，另一方面對(duì)于課外的相關(guān)知識(shí)也有了許多理解。也給了我們這一代生活在幸福中的大學(xué)生上了一堂艱苦樸素的教育課。通過(guò)本次課設(shè)還有就是能夠掌握EWB軟件的基本使用方法。為我以后做課設(shè)提供了很大的幫助，這就是我們意</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)雖然基本滿足了設(shè)計(jì)要求，但因?yàn)槭堑?/p>

43、一次做課程設(shè)計(jì)所以還有很多的缺點(diǎn)和不足之處，希望老師加以批評(píng)和指正，找出我的薄弱環(huán)節(jié)，使我在以后的設(shè)計(jì)中能夠設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的電子課設(shè)。</p><p>　　展望：采用程控放大，可以方便地調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)多量程、寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)測(cè)量；采用程控濾波設(shè)計(jì)，可以根據(jù)信號(hào)的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同濾波器模式，完全復(fù)現(xiàn)信號(hào)。因此，采用這向項(xiàng)智能化技術(shù)，可以使測(cè)量系統(tǒng)有寬的適用范圍，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，同時(shí)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。</

44、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 新編電子電路大全 。第二卷。通用模擬電路/中國(guó)計(jì)量出版社組編</p><p>　　---北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001，1.</p><p>　　[2]現(xiàn)代電子電路原理與設(shè)計(jì)/張衛(wèi)平。張英儒編著---北京：原子能出版社。1997.2.</p>

45、<p>　　[3]新型實(shí)用電子電路400例/何希才等編著。---北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　[4]電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 姚福安編著. 山東省科學(xué)技術(shù)出版社.2001</p><p>　　[5] 付家才主編. 電子實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐. 北京:高等教育出版社.2004</p><p>　　[6]張大彪主編. 電子技術(shù)技能訓(xùn)練.