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1、 1 1电子系统设计报告课程名称 电子系统设计 系部： 控制工程学院 专业班级： 测控技术与仪器 091 学生姓名： 学号： 指导教师： 完成时间： 2011-6-13 报告成绩：评阅教师 日期 1 2增益可变直流放大器设计报告一 设计要求实验目的：1.掌握 protel99 的基本使用方法及 PCB 的制作方法；2.掌握制作电路板的整体工序；3培养自主学习和独立设计电路的能力；4.增强团队合作的能力。5.用普通运算放大器设计一个放大倍数可变的直流放大器（1） 输入信号为 050mV 时，放大 100 倍；当输入信号为 50mV500mV 时，放大 10 倍；当输入信号为 0.5V5V 时，放
2、大 1 倍； （2） 根据输入信号大小，自动改变放大倍数；（3） 论文（作品说明书）要有如下内容：零点漂移及改进措施；输入阻抗及提高措施；串模干扰、共模干扰及抑制措施。二方案选择及电路的工作原理方案一：利用 LM393 构成窗口比较器,将模电信号转化为数字电路中的高低电平，设定门限电压为 0.5V 和 0.05V,当输入不同的电压就将信号转化为高低电平。（1） 当输入 Ui0.5V 时, B 端输出为高电平，A 端输出为低电平；（2） 电压 0.05V 0.5V 时, B 端输出为低电平，A 端输出为高电平； 1 3（2）电压 0.05V 0.5V 时, B 端输出为低电平，A 端输出为高电平
3、；（2）电压 0.05V 0.5V 时，信号通过由 LM324 集成运算放大器构成的窗口比较器时，比较器的 1 号位输出一个高电平，2 号位输出一个低电平，此时 LED3 熄灭、LED2 灯亮。1 号位的高电平进入 CD4051 数据选择器的 A 输入端，2 号位的低电平进入 CD4051 数据选择器的B 输入端，此时 CD4051 数据选择器的 INH 禁止端始终置 0。此时 CD4051 数据选择器 14 位悬空。由 X 输出端口连接的正向比例放大电路，正好成为一个放大倍数为一倍增益直流放大器。 3. 系统原理框图2 单元电路设计、仿真与分析1. 电源指示灯模块：利用发光二极管作为电源指示
4、灯，批示电源是否接通。电路原理图如右图所示：发光二极管的压降 Uon 约为 1.8V,通过二极管的电流 I=(Vcc-Uon)/R0.63mA ；输入电压 由 LM324 放大器构成的窗口比较器的模数转换模块CD4051八选一数据选择器LM324 放大器构成的电压放大模块输出电压电源指示灯 1 62. 模数转换模块(窗口比较器)：(1) 当输入电压 Ui 大于 0.5V 时,B 端输出为低电平，A 端输出为高电平；(2) 当输入电压 Ui 介于于 0.5V 与 0.05 之间时,B 端输出为低电平，A 端输出为低电平；(3) 当输入电压 Ui 小于 0.05V 时,B 端输出为高电平，A 端输
5、出为低电平。输入电压 A（运放 1 号输出端）B（运放 2 号输出端）Ui0.5 1 0 1 73.模拟开关(八选一数据选择器)：此次设计选用 CD4051 作为数据选择器. CD4051 是单 8 通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端 A、B、C 和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V 的数字信号可控制峰值至 20V 的模拟信号。CD4051 功能真值表INH 禁止端 C B A CD4051 选择位0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 *
6、* * NONE 1 8本系统设计使用的 CD4051 的部分功能真值表INH 禁止端 B A CD4051 选择位0 0 0 00 0 1 10 1 0 24.正相比例放大模块：本次设计最后一个模块采用 LM324 集成运算放大器将输入电压进出行放大，设计采用同相比例运算电路，因为此次设计供电模式采用+5V 单电源供电，LM324 集成运算放大器只能工作在电压正半轴，因此只能选择正相比例放大。电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。根据“虚短”与“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零。由此可以得到：Uo=(1+Rf/R)*Ui；经综合考虑选取反馈电阻为 Rf=1
7、00K，当电压放大倍数为 1 倍时，选取用 R 为 无穷大此时：Av=1+Rf/R=1；当电压放大倍数为 10 倍时，选取用 R 为 10K 的电阻此时：Av=1+Rf/R=10；当电压放大倍数为 100 倍时，选取用 R 为 1k 的电阻此时：Av=1+Rf/R=100。 1 95.元件列表及参数序号 元件名称 参数 备注1 电阻 1K、5K、10K、50K、100K2 电解电容 10uF3 发光二极管 3 个 红色4 滑动变阻器 1K、10K5 LM3246 CD40517 排针 若干6.原理图(另见附页) 1 103电路的安装与调试：1使用仪器仪表材料和软件等：protel99、PCB
8、印刷板的制作工具、打孔机、松香水、电烙铁、万用表、直流电压表等。2.组装电路的方法与技巧：（1）以 LM324 运算放大器和 CD4051 数据选择器作为中心；（2）将不易损坏的元器件和邻近中心芯片的元器件进行焊接；（3）最后将剩余的元器件依次进行焊接。3调试电路的方法和技巧：(1)：先给电路通电。观察发光二极管 LED1 是否导通，即可判断电路是否导通；(2)：调节滑动变阻器 R1 和 R3，使 2 号位电压输出为 0.5V，5 号位输出电压为 0.05V； 1 11(3)：使输入电压接地，即输入 Ui 为 0，测量输出 Uo 是否有电压输出，如有电压输出，可微调滑动变阻器 R5，使输出接近
9、于 0；(4)：分别输入不同范围值的电压，分别测试模拟开关 CD4051 数据选择器的芯片管脚10，11 即 A,B 端输出的高低高平与计算相同。当输入信号为 050mV 时，B 为高电平，A 为低电平；当输入信号为 50mV500mV 时，B 为低电平，A 也为低电平；当输入信号为 0.5V5V 时，B 为高电平，A 也、为低电平。(5)：当 CD4051 数据选择器正常工作时，即可分别输入不同范围值的电压，测量输出端的电压。微调滑动变阻器 R6 和 R9 使输出的电压值接近理论放大倍数。4.测试的数据和波形与计算结果比较分析：(1) 静态数据门限电压静态数据上门限 LED2 灯亮时电压 下
10、门限 LED3 灯亮时电压U=0.5498V U=0.0511VLM324 各号位端口电压号位端口 静态电压（V）号位端口 静态电压(V) 号位端口 静态电压(V)1 3.5614 5 0.0530 8 3.67112 0.5423 6 0.5511 9 3.61803 0.5008 7 0.0030 10 0.5582各滑动变阻器的静态阻值电阻编号 R1 R3 R6 R9阻值（欧姆） 6.577 0.816 1.001 1.287 1 12(2)动态数据位选端 理论值 实际值A B Ui Uo Av Ui Uo Av1 0 0.5512 0.5512 1 0.5512 0.5605 1.01
11、71 0 1.0000 1.0000 1 1.0000 1.0145 1.0151 0 3.0000 3.0000 1 3.0000 3.0214 1.0070 0 0.0723 0.7230 10 0.0723 0.7381 10.2110 0 0.1000 1.0000 10 0.1000 1.0452 10.4520 0 0.3000 3.0000 10 0.3000 3.1788 10.6040 1 0.0325 3.2500 100 0.0325 3.4114 105.0120 1 0.0417 4.1700 100 0.0417 4.3570 104.4770 1 0.0450 4
12、.5000 100 0.0450 4.7018 104.4325.调试中出现的故障、原因及排除方法：在做此系统的时候，我们小组总共做了两块 PCB 板，第一块 PCB 板之所以失败，有以下几个错误操作：首先，在打孔的时候，因为 PCB 板面上没有电容的孔标，所以电容引脚的孔没有打上，在组装的过程中，因为没有电容引脚孔，所以没有安装电容；其次，在 PCB 板面上把滑动变阻器的三个引脚并列在一排，直接导致了在四个滑动变阻器组装的过程中， 上下面安装错误，只是整个电路板的结构相当的混乱，导致了第一次电路组装失败，在经济时间上造成了损失；最后在对第一块电路板挽救失败后，重新开始制作了第二块 PCB 电
13、路印刷板。 1 13在对第二块电路板进行调试过程中，单靠两个滑动变阻器是不能完成分压工作的，也就是说，这两个滑动变阻器不能够使得上下门限电压达到实验要求的值，所以必须分别给两个滑动变阻器 R1、R3 串联两个 50k 的固定值电阻，使得上下门限电压接近实验要求的值；在选择窗口比较器的时候，我们理想的窗口比较器是 LM393 构成的窗口比较器，但是因为考虑到还有一个放大电路模块，其需要一个放大器，为了节省成本，我们选择了 LM324 集成运算放大器构成的窗口比较器，但是 LM324 有四个放大器，本系统正常使用只需要三个，因此有一个放大器被闲置，因为时间的原因，我们也没有对此闲置的放大器进行再利
14、用，对此在此进行说明。6.方案的优缺点：(1)优点：能自动检测输入信号的大小并输出相应的放大倍数的电压。电路具有高输入电阻，低输出电阻的优点。(2)缺点：输入电压过大会造成电路和芯片的损坏；零点漂移可能会造成放大倍数的偏差即输出的电压值的误差。因为电路放大模块采用同相比例放大，共模干扰就比较明显。7. 改进意见：(1) 窗口比较器的改进：由 LM393 代替 LM324 做窗口比较器；LM393 是有两个独立的、高精度的窗口比较器组成的集成电路，失调电压低，最大可为2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电；而且无论电源电压大小，电源消耗的电流都很低。它还有一个特性
15、：即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近低电平。其相对 LM324 的优越性在于以下几点：A：高精度比较器；B：减少由于温漂引起的失调电压；C：可以单电源供电；D：共模输入电压范围接近低电平；E：兼容逻辑电路。 1 14(2) 零点漂移及改进措施：为了抑制零点飘移，电路的输入可以采用差动放大电路可以有效的抑制。电路图如右图所示。使用差动放大电路可以使电路的抗干扰性和稳定性得到显著的提高。（3）输入阻抗及提高措施：,在电路中加一电压跟随器,电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。8.数据处理：位选端 理论值 实际值A B Ui Uo Av Ui Uo Av|Au| 相对误差1 0 0.5512 0.5512 1 0.5512 0.5605 1.017 0.017 1.7%1 0 1.0000 1.0000 1 1.0000 1.0145 1.015 0.015 1.5%1 0 3.0000 3.0000 1 3.0000 3.0214 1.007 0.007 0.7%0 0 0.0723 0.7230 10 0.0723 0.7381 10.211 0.211 2.11%0 0 0.1000 1.0000 10 0.10
