課程設計目的和任務

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

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

3、是線性的關系，即它們不是成比例的，若要實現(xiàn)設計中要求的增益倍數(shù)，多路選擇開關所控制的電阻可能不是一個整數(shù)，因此在每一路電阻的后面都接上了一個滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值，從而改變總的阻值大小。 其完整的電路圖如圖1圖1（三）、詳細設計我們設計了一個計數(shù)器（74LS161），使其產生連續(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、信號源部分：這一部分由分壓電路和高輸入電阻差分比例運算電路組成。分壓電路分別為A1、A2 兩個運放的兩個同相輸入端提供輸入電壓。兩個分壓電路分別上接+5V和-5V的直流電源，通過100:1的電阻進行分壓（并配合電位器進行精確調

4、節(jié)），使得兩個運放的同相輸入端分別獲得+50mV和-50mV的輸入電壓。兩個運放構成高輸入電阻的差分比例運算電路。2、多路選擇開關部分：這一部分采用一個CD4051芯片構成。CD4051是一個由三位地址輸入端控制的八路選擇開關。它具有一個輸入端，八個輸出端（或用作八個輸入端，一個輸出端）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，分別對應八個二進制代碼000111，這八個二進制代碼分別對應八個十進制數(shù)字07，這八個數(shù)字又對應著該芯片的八個輸出端（0端至7端）。因此，當三位地址控制端的電平呈現(xiàn)某一種組合時，與其相對應的一個輸出端將被導通，輸出信號與輸入端所加信號相同。 圖2

5、3、比例運算電路部分：這一部分是放大器的核心部分，實現(xiàn)電壓放大功能。根據(jù)要求，放大器應實現(xiàn)反相放大，故采用反相比例運算電路。根據(jù)比例運算電路的有關理論可知，當運放反相輸入端所接電阻為R,反饋電阻為Rf時，電路的放大倍數(shù)為-Rf/R.對于可編程放大器，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，則在切換時會使電路開環(huán)，造成電路的不穩(wěn)定。因此恰當?shù)淖龇ㄊ菍設計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成，每一條支路均由一個電阻和一個電位器組成，并分別接在CD4051的八個輸出端。其

6、中電阻的阻值是按照反饋電阻的阻值和放大倍數(shù)的要求計算出來的。例如，題目要求，多路開關的地址為000時，放大倍數(shù)為-2倍。由于前級運放A2的輸出端電壓已經是2(uI2 u I1)，所以此處應使Rf/R=1.又當多路開關CD4051的地址為000時，輸出端當中的0端導通，故應在0端后接一個阻值為R=Rf=75k的電阻。又如，當多路開關的地址為111時，CD4051的7端導通，此時要求的放大倍數(shù)為-50倍，故應使Rf/R=25，所以在7端后面所接電阻的阻值應為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，也是實際接入電路時應接入的阻值。其中有些阻值的電阻在實際當中并不具有現(xiàn)成的器件，則需要靠電阻的串、并聯(lián)及電位器的調節(jié)來實現(xiàn)。 4、地址控制輸入部分：這一部分用來為多路選擇開關CD4051生成地址控制信號，也就是對應的高、低電平。地址控制信號的變化既可以手動實現(xiàn)，也可以自動實現(xiàn)。手動實現(xiàn)時，只需將CD4051的三個地址端分別接到電路箱的三個開關上。通過扳動開關來實現(xiàn)高、低電平的轉換，從而得到所需的地址控制信號。自動實現(xiàn)時，需要能夠產生連續(xù)變化的地址控制信號，使CD4051自動地根據(jù)地址控制信號來切換輸出端。為此，使用一個十六進制計數(shù)器74LS161,以其計數(shù)輸出的低三位Q0Q2作為CD4

8、051的地址控制信號。當電路接通后，信號由CP端輸入計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)。由于74LS161是十六進制計數(shù)器，當它在計數(shù)時，其計數(shù)輸出的低三位Q0Q2恰好按000111的順序連續(xù)變化，因此CD4051的地址控制信號也連續(xù)地按照此順序變化，則它的八個輸出端也依次按順序導通，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。以上四個部分構成了一個完整的可編程放大器，它可以對輸入的差模電壓信號進行放大，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）、設計所需元器件清單：類型名稱 數(shù)量放大器 uA741 3個 CMOS CD4051 1個 TTL 74L

9、S161 1個 電阻 1 k 6個 2 k 2個 5 k 2個 10 k 5個 50 k 3個滑 動變阻器 2 k 2個 5 k 2個 10 k 5個 20 k 1個 100 k 1個（五）、各單元電路工作原理、波形分析、參數(shù)計算1、差模信號為±50mV，共模信號為0mV的信號源 由圖3可知，差模信號的產生是采用了分壓的原理，按照設計的要求VC和VCC兩個電源分別使用5V和5V。當滑動變阻器的滑動端指向正中時，此時的輸出電壓剛好為0V，因此，只要稍稍移動滑動端的位置，就可以使得輸出電壓ui125mV，ui225mV。這樣就得到了差模信號uidui1ui250mV，共模信號uic1/2

10、(ui1ui2)0mV的信號源。 圖3 因實驗室中提供的電壓源為±5V，而可編程放大器的輸入信號為±25mV，二者的差距較大，故在分壓時，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1k的固定電阻和兩個變化范圍為1k的滑動變阻器，按圖接好線。2、 三運放構成的精密放大器 圖4 如前面所述，根據(jù)運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uIdui

11、1ui2，則 uoRf1/R0（12R1/R2）uId其差模信號的增益為 Auo/uIdRf1/R0（12R1/R2）為了使計算方便，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代替，因所給地址不同，阻值發(fā)生變化，從而改變增益。3、 多路選擇開關 圖5CD4051是一種數(shù)字控制的模擬開關，標有Common一根引線和標有Channel的八根引線既可以作為輸入用，也可以作為輸出用，通過內部的譯碼電路，可使八個通道僅由三條控制線（A、B、C）進行控制。當禁止端INH=0（接地電位Uss接地時，根據(jù)

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

13、A1、QB1、QC1時，下一個上升沿到來后，使得QD1，清零端清零，QA0、QB0、QC0，重新開始計數(shù)。這樣從000計數(shù)到111，實現(xiàn)了模八計數(shù)。（使用1KHz的脈沖信號產生連續(xù)變化的時鐘信號）如圖110所示三、系統(tǒng)實施1、各單元電路的調試電流源的調試：按圖17接線，使用±5伏的電源，用數(shù)字萬用表分別測量兩端的輸出電壓，使用一字改錐調整精密電位器的旋鈕，使得到要求的±25毫伏差模信號。三運放構成的精密放大器的調試實際使用的運放是uA741，是八個管腳的運放。首先，對運放U1、U3進行調零。集成運放存在失調電壓和失調電流。在用作直流放大器時，由于失調電壓和失調電流的影響，當

14、運放輸入為零時，輸出可能不為零，將影響運算放大器的精度，嚴重時放大器將不能正常工作。調零的原理是在運放的輸入端，外加一個補償電壓，以抵消運放本身的失調電壓，達到調零的目的。對于有調零引出端的µA741，只需按照規(guī)定接入調零電路進行調零，其調零電路如圖111所示，同向輸入端接地，反向輸入端也接地，并且直接與運放的輸出端相連，調節(jié)滑動變阻器Rp，當輸出為零時，調零完成，誤差應控制在-1mV到+1mV之間，將三個運放都按此方法進行調零。圖7 多路選擇開關的調試：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腳接多路開關的輸入C，B，A。3腳為輸出，

15、其余管腳為八路開關。根據(jù)計算結果，各路接入相應的電阻和滑動變阻器。如圖19計數(shù)器的調試：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腳接入到一個非門的輸入，其輸出接到161的1腳清零端。2腳接入一個1kHz的固定時鐘脈沖。如圖1102、整體電路的調試 電路按上述步驟接好后，接通電路，改變多路開關輸入A，B，C的值即可得到不同的電壓輸出，比如此時選定000的輸入，使用一字改錐調整CD4051管腳13所串聯(lián)的滑動變阻器的阻值的旋鈕，得到100mV的輸出，若達不到，則改變所串聯(lián)的電阻阻值或更換滑動變阻器來調整。以此方法逐一調整八路通路的阻值，得到準確的輸出。 3、誤差分析誤差產生的原因：1由于運放調零不夠精確，經過放大器的放大后，誤差變大，以至影響到電路的參數(shù)設置。2實驗室中提供的固定電阻值，有一定誤差。 四、總結與體會 這次電子組裝課程設計，我們通過對可編程放大器的設計與調試，從中學到了很多知識，認識了組成可編程放大器的芯片，了解了各個芯片