增益可自动变换放大器课程设计报告

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1、 课程设计报告书 题目：增益可自动变换的放大器题目：增益可自动变换的放大器 学 院 学 院 专业班级 专业班级 学生姓名 学生姓名 学生学号 学生学号 指导教师 指导教师 课程编号 课程编号 课程学分 课程学分 起始日期 起始日期 2 教 师 评 语 教师签名： 日期： 成 绩 评 定 备 注 3 目 录 目 录 第一部分 选题背景 第一部分 选题背景 1.1 设计任务 4 1.2 设计要求 4 1.2.1 基本功能 4 1.2.2 发挥部分 4 第二部分 方案论证 第二部分 方案论证 2.1 设计题目要求 5 2.2 总体设计方案 5 2.2.1 设计思路 5 2.2.2 设计方案 5 2.

2、2.3 方案论证与比较 6 第三部分 单元电路设计第三部分 单元电路设计 3.1 时基电路 7 3.2 计数器电路 8 3.3 模拟开关及放大电路 9 3.4 数码管显示电路 10 第四部分第四部分 整机电路 整机电路 4.1 整机电路图 11 4.2 元件清单 12 第五部分 性能指标的测量与分析第五部分 性能指标的测量与分析 5.1 电路测试 13 5.1.1 测试仪器 13 5.1.2 指标测试步骤、测量数据与分析 13 5.1.3 故障排查 13 5.2 电路功能的实现与使用说明 14 第六部分 课程设计总结第六部分 课程设计总结 15 4 课题名称：增益可自动变换的放大器 课题名称：

3、增益可自动变换的放大器 一、选题背景一、选题背景 1.1 设计任务 设计制作一个增益可自动变换的交流放大器。 1.2 设计要求 1.2.1 基本功能 （1）放大器增益可在 1 倍、2 倍、3 倍间巡回切换，切换频率为 1Hz。电源采用+5V 单 电源供电。 （2）可以随机对当前增益进行保持，保持时间为 4S，保持完后继续巡回状态。 1.2.2 发挥部分 对指定的任意一种增益进行选择和保持（保持时间为 4s） ，保持完后返回巡回状态，并 通过数码管显示当前放大电路的放大倍数。 （用 0、1、2、分别表示 1、2、3 倍即可） 5 二、方案论证二、方案论证 2.1 设计题目要求 题目要求实现放大器

4、增益可按 1Hz 频率在 1、2、3 倍间自动切换，并且能对当前增益保 持 4s 时间，且必须使用+5V 单电源供电。拓展部分要求使用数码管显示放大倍数以及能够 指定任意放大倍数进行保持。 2.2 总体设计方案 2.2.1 设计思路 结合实验室可提供的元器件，有以下设计思路： 1. 要求+5V 单电源供电且增益为正，选用单电源运放进行两级放大； 2. 使用模拟开关切换不同的运放反馈电阻实现增益改变； 3. 使用 ne555 作为 1Hz 时钟源和 4s 保持信号源； 4. 使用 74LS161 二进制计数器对 1Hz 时钟计数； 5. 扩展部分，使用七段数码管和译码器对计数器的输出进行显示。

5、2.2.2 设计方案 方案一 选用双 ne555 作为时间基准，其一工作在无稳态状态下，提供 1Hz 时钟，其二工作在单 稳态状态下，触发后输出 4s 的高电平延时信号，两个 ne555 的输出经过或门作为二进制计 数器的时钟信号。计数器输出数码给模拟开关和译码器。模拟开关根据不同的数码切换不同 大小的反馈电阻实现增益变换，同时译码器将当前增益显示在数码管上。当第二个 ne555 被 触发时，时钟信号在延时时间内保持为高电平，计数器保持当前数码直到延时时间结束。 图 2-1 方案一方框图 NE555 (1hz 时钟) NE555 (4s 延时) 1 计数器 译码器 数码管 模拟开关 运算放大器

6、 输入 输出 6 方案二 在方案一的基础上，去掉计数器时钟信号或门，1Hz 时钟信号直接提供给计数器，使用 4s 延时的 ne555 控制计数器使能端实现增益状态保持。 图 2-2 方案二方框图 2.2.3 方案论证与比较 对比方案一与方案二，主要是处理 4s 延时信号的方法不同，方案一在延时信号触发 后掐掉计数器时钟信号实现计数保持，方案二则采用使能端禁止的办法。 查阅 74161 的 datasheet 发现，74161 计数器支持异步清零和同步置数，也就是说， 对计数器进行的任意置数操作，必须要等到下一个时钟信号才能成功置数。若采用方案二， 配合两位拨码开关控制， 就能实现题目要求的所有

7、扩展功能， 而方案一因为掐掉了时钟信号， 较难实现在 4s 延时时间内置数。综上所述，决定采用方案二。 NE555 (1hz 时钟) NE555 (4s 延时) 计数器 译码器 数码管 模拟开关 运算放大器 输入 输出 7 三、 单元电路设计三、 单元电路设计 3.1 时基电路 3.1.1 工作原理和功能说明 时基电路包括 1Hz 时钟源以及 4s 延时信号源，均采用 ne555 方案。其中，1Hz 时钟 源为工作在无稳态状态的 ne555，4s 延时信号发生器为工作在单稳态状态的 ne555。延 时信号由微动开关 S1 触发。 图 3-1 ne555 时基电路设计 3.1.2 元件选型与计算

8、 在图 3-1 中，由 ne555 计算公式，在无稳态状态下有: f = 1 2(?+ 2?) ? , = ? ?+ ? 在单稳态状态下有: ?= 3 ? 令f = 1Hz,取?= 10， 得?+ 2?= 142.86， 取?= ?= 47， 近似可满足 1hz 频率要求，此时占空比D = ? ? = 50% 令?= 4,?= 10，得?= 363.6，取?= 360 CON 引脚用 10nf 电容对地耦合，防止干扰。 4s 延时电路采用微动开关触发，在 TRI 引脚加上拉电阻，电阻取 10k经验值。 由于实验室提供可代替两片 ne555 的 ne556，因此在实际设计中采用 ne556。 8

9、 3.2 计数器电路 3.2.1 工作原理和功能说明 采用 74LS161 计数器对 ne555 输出的 1Hz 时钟进行计数，使用异步清零，将 Qa,Qb 通过与非门反馈到计数器清零端实现“00-01-10-00”的计数方式；在延时被触发后，计 数器使能端禁止，输出的数码保持不变。由于清零端是低电平有效，因此延时信号需要 通过一个非门反相，这里把与非门接成非门使用。自锁开关 S3 作为增益选择开关，当 S3 按下时且拨码开关 S4 设置好后，按下 ne555 延时触发微动开关即可在下一个时钟上 升沿来到时对计数器进行置数，实现任意增益的设定功能。 图 3-2 计数器电路设计 3.2.2 元件

10、选型与计算 计数器电路使用了三个开关，其中一个需要下拉，两个需要上拉，上下拉电阻都 取经验值 10k。 与非门采用 74LS00 四 2 输入与非门 Qa,Qb 计数输出串接 680电阻作缓冲。 9 3.3 模拟开关及放大电路 3.3.1 工作原理和功能说明 选用 CD4052 模拟开关，通过计数器输出的 Qa,Qb 选择不同的反馈电阻实现放大 倍数的切换。运放采用单电源供电，电阻分压偏置电路。第一级为反相输入的放大 级；第二级为电压跟随器，作用是对信号再次反相以获得正增益。Multisim 中没有 CD4052，在图 3-3 中使用功能相同的 ADG659 代替。 图 3-3 模拟开关及放大

11、电路 3.3.2 元件选型与计算 由于需要两个运放且为单电源供电，因此选择 LM358 双运放。要求实现 1、2、3 倍 增益，将第一级放大器接成比例运算电路，在图 3-3 中，由“虚短、虚断”得： ?= ? ? ? 取?= 10，比例运算系数为 -1、-2、-3，得?= 10,20,30 第二级放大为反相跟随器，比例运算系数为 -1，因此取?= ?= 10 同相输入端采用 1:1 分压偏置电路，分压电阻取 100k经验值，同时用 10uF 电容 对地耦合防止干扰；两级放大之间采用直接耦合；输入与输出端都用 10uF 电容耦合。 10 3.4 数码管显示电路 3.4.1 工作原理和功能说明 C

12、D4511 为七段数码管译码器，将输入的二进制码转换成数码管显示信号并直接驱 动。将计数器输出的 Qa、Qb 接到译码器的 Da,Db 输入端，同时禁止 EL,LT,BI 端，即 可显示当前放大倍数。 图 3-4 数码管显示电路 3.4.2 元件选型与计算 CD4511 输出为高电平有效，所以采用共阴数码管。设 CD4511 输出高电平 5V，红色 数码管压降 1.8V，工作电流 5mA，可得限流电阻为 640，这里取 680。 11 四、整机电路 四、整机电路 4.1 整机电路图 12 4.2 元件清单 表 4-1 BOM 表 元件名称 数量 备注 NE556 1 直插 CD4052 1 直

13、插 74LS161 1 直插 LM358 1 直插 CD4511 1 5V，直插 74LS00 1 5V，直插 七段数码管 1 共阴 R100k 4 直插 R10k 8 直插 R680 9 直插 R20k 1 直插 R30k 1 直插 R360k 1 直插 C4.7uF 1 独石 C10nF 2 独石 C10uF 4 直插，铝电解 自锁开关 1 两位拨码开关 1 微动开关 1 导线 若干 13 五、性能指标的测量与分析五、性能指标的测量与分析 5.1 电路测试 5.1.1 测试仪器 固纬 100Mhz 数字存储示波器；函数信号发生器；直流稳压电源；数字万用表 5.1.2 指标测试步骤、测量数据与分析 1.时基精度测量 电路正常工作后， 将ne555的1Hz时钟输出接入示波器观察波形并使用光标法测量。 表 5-1 1hz 时钟测量结果 测量项目 测量数据 输出频率 952.4mHz 输出周期 1.050s 占空比 65% 将延时触发输出端也接入示波器，按下触发开关并使用光标法测量。 表 5-2 延时触发测量结果 测量项目 测量结果 触发后高电平持续时间 4.400s 2.放大倍数测量 电路正常工作后，使用信号发生器输入?= 1,?(?)= 150的正弦波信号， 用示波器的两个通道观察输入信号与输出信号，得