可编程数控增益放大器的设计与制作

1可编程数控增益放大器的设计与制作作者:徐继业[摘要]当接通电源时，220V电压经过桥式整流、滤波电容、稳压二极管等转化为正负15伏电源，给放大器供电，本文主要介绍用计数器控制放大器的放大增益的不同，从而得到想要的放大倍数。就是给计数器脉冲使计数器计数，同时在四个数据输出端输出不同的状态经反相器和模拟开关使对应输出端的电阻工作，给放大器一个输入信号，由前面的工作电阻的大小决定了输出放大增益的大小。我们使用的芯片有：放大器UA741、模拟开关C4066、计数器74LS161、反相器74LS04。[关键词]数控增益16放大2一、设计思路、方案对比与选择1、设计思路数控增益放大器是计算机控制模拟系统中经常用到的，要做出这样的增益放大需找一个切合实际的题目，题目的选择是做增益放大的关键。我们做的是用放大器来实现增益，我们所选的放大器是uA741。首先给放大器一个信号。然后再用4个不同阻值的电阻。让它们进行不同的并联，使其产生不同的变化，出现不同的阻值。要实现这样的变化，我在前面使用了16进制的计数器来实现，它可以产生16种不同的状态。计数器的工作是用一个开关来实现，用一个开关给它脉冲让它产生16种不同的状态。计数器从Q0Q1Q2Q3出来的初始状态我们设置为0000，以后每次摁一下后面就加1。直到计数器出现1111时，是计数器的最后一种状态，也是这个电路增益到最大的值。然后依次循环。在计数器后面我加了个反向器，这个反向器的作用是因为，在反向器后面需要一个4066的模拟开关，要使这个开关工作，必须先要给它一个高电平才可以来使模拟开关工作。我们这个电路是需要低电平才可以工作，这样就必须使用一个反向器。让模拟开关的一端接入高电平，高电平进入反向器转化低电平，这样就可以使整个电路处在工作的状态。整个电路的计算可以用公式来计算，这个放大的倍数在于放大器2、6脚的电阻，我们所选的是100K。公式为：AV=1+R7/Rx，当计数器出现0001时，它的放大倍数为11倍：AV=1+100/10=11。当Q0Q1Q2Q3出来的是1111时，是我这个电路出现的最大值为27倍：AV=1+100//10+15+20+25=27。2、方案对比与选择方案1在这电路图中主要是运用开关来控制16种不同的增益。主要的控制方法用函数信号发生器接Ui，给它一个信号。然后进行开关的闭合，4个不同阻值的大小进行了并联。使其不同的开关闭合，出现不同的阻值，例如：当S1闭合，它的放大倍数应为：1+100/10=11。从而产生16种不同的现象如图1所示3图1方案2这种方案是给Ui一个信号，再运用了单个开关给计数器一个脉冲，使其产生16种不同的状态。当为高电平的时候，经过反向器转化为低电平，二极管导通，使其电路工作。例如：当计数器输出为1111的时候，公式：AV=1+R7/Rx则Av=1+100/10//15//20//25≈27如图2所示。图24方案3这个方案给Ui一个输入信号，运用单个开关触发给计数器一个脉冲，使其计数器工作。输出16种不同的状态，然后达到不同的增益效果。计数器输出的状态通过反向器，由高电平转低电平，由低电平转到高电平。当进入反向器为高电平的时候，模拟开关4066导通。4个不同阻值的电阻进行任意并联，产生16种不同的增益。例如：当计数器输出的是1100的时候，电阻R4和R5并联。由AV=1+R7/Rx得：AV=1+100/20//25=10如图3所示：图3方案1这个方案它是用了4个开关来实现，这样也可以做出增益放大器。但这不符合我所选的题目，没有达到我们题目的要求，所以我们不选此方案。方案2这个方案用一个开关给计数器脉冲，使计数器产生16种不同的状态。这个方案完全达到我们题目的要求，但这个电路最大的缺点是二极管2AP9有个门限电压，它不可以对小信号进行放大，这是这个电路的最大缺点，所以我们不选这种方案。方案3这个方案是用一个开关给计数器脉冲来促使计数器工作，让计数器输出16种不同的状态，这个方案和第二个方案唯一的不同点是，我们用的是4066的模拟开关来实现。它的最大好处就是可以使大小的信号都可以放大。所以我们选择了这种方案。本课题还可以利用单片机来实现,但是由于学校条件有限和我自身在编程方面的薄弱基础,加上使用单片机做本课题显的大材小用了,综合多方因素考虑,所以不采用此方案,在这里也不详细描述了。5二、单元电路设计与计算1、电路原理方框图如图4所示：图42、单元电路介绍(元器件芯片)2．1计数器在电子计算机和数学逻辑系统中，计数器是最基本的部件之一，它能累计输入脉冲的数目，就像我们数数字一样，如来的时钟脉冲的宽度一定时，计数器就成了定时器，在自动化控制等许多方面有不可替代的作用。根据电路逻辑设计的不同，计数器可以进行加法计数，这样做比较符合人们的习惯；计数器也可以进行减法计数，这种方法在定时控制中用得比较多，或者可以进行两者兼有的可逆计数。计数器是数字系统中应用场合最多的时序电路,它不仅能用于对时钟脉冲个数进行计数,还可以用于定时\分频及数字运算等。2．1．1分类计数器的种类繁多,从不同角度出发,有不同的分类方法:按计数器中触发器翻转的时续异同分,有同步计数器和异步计数器,同步计数器中各触发器均采用同一个CP脉冲触发,而异步计数器中各触发器的CP在两个以上。按计数器的功能,即其数字的变化规律分,有加法(递增)计数器\减法(递减)计数器和可逆(加法\减法)计数器。按计数体制来分,有二进制计数器\二--十进制计数器(或称十进制计数器)\任意进制(或称N进制)计数器。如果构成计数器的触发器个数为n,二进制计数器在计数脉冲作用下,有效循环的状态数为个;十进制计数器有效循环的状态数为10个;状态数不等于2n和10的,就是任意进制了。2．1．2四位同步二进制计数器74LS161计数部分反相器模拟开关放大部分输入脉冲信号输入信号输出674LS161是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十六进制上升沿计数器,各脚功能见表1、管脚图见图5表1序号输入输出清零CR使能S1S2置数LD时钟CP并行输入DCBAQAQBQCQD10××××××××000021××0↑d0d1d2d3d0d1d2d331111↑××××计数410×1×××××保持51×01×××××保持控制端的作用简述如下：（1）清零。Cr是具有最高优先级别的异步清零端，当Cr=0时，不管其他控制信号如何，计数器清零。（2）置数。当Cr=1时，具有次优先权的为LD，当LD=0时，输入一个CP上升沿，则不管其他控制端如何，计数器置数，即QDQCQBQA=DCBA。（3）计数。当Cr=LD=1时，且优先级别最低的使能端S1=S2=1时,在CP上升沿触发下，计数器进行计数。（4）保持。当Cr=LD=1时，且S2和S1中至少有一个为0时，CP将不起作用计数器保持原状态不变。图572．2六反相器74LS04参数:电源电流最大值6.6mA传输延时时间tPLH≤15nstPHL≤15ns74LS04真值表：见表2表274LS04管脚图：见图6图62.3双向模拟开关4066双向模拟开关4066包含了四个独立的双向模拟开关,开关状态由逻辑信号CONT控制。当控制信号为高电平时,对应开关的输入与输出间等效为一个几十欧姆的电阻,也就是说该开关闭合。反之,当控制信号为低电平时,对应开关关断。下图为模拟开关4066管脚图：见图7AY10018图7主要参数:1、电源电压范围VDD-VSS=3～182、导通电阻Ron:60～80Ω,最大值为240Ω3、在电源电压为15V,RL=10K的条件下,四个模拟开关的Ron的差异不大于5Ω4、传输信号的上限频率:40MHz5、关断时输入输出间漏电流:0.1nA～0.1uA,其值随输入输出间电压的增大或器件温度的升高而增加。6、平均传输延时时间tpd约40ns。增大电源电压可使tpd下降7、控制端逻辑电平值VE:电源电压为5V时,VEL≤1V,VEH≥3.5V。电源电压为15V时,VEL≤2V,VEH≥11V。8、4066功能表：见表3表3输入C开关状态1导通uo=ui0Z注:Z为高阻态2.4集成运算放大器运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它首先应用于电子模拟计算机上,作为基本运算单元电路,可以完成加减、积分\微分\乘除等数学运算。由于它能将信号进行各种组合和实现各种不同功能的运算处理,加上集成化技术的提高,它的性能更加理想,在自动控制系统和测量装置中,也有广泛的应用。目前运算放大主要以集成电路的形式出现。92.4.1分类集成运放根据其用途特点可分为通用型运放和专用型运放。通用型运放包括F741\F747\LM324等,价格便宜,使用方便,可用作一般的模拟信号放大器和反馈放大器\信号产生电路和有源滤波电路等。专用型运放种类很多,根据各种特殊需要而设计,大致有:(1)低功耗集成运放,如F253\F012\F013。(2)高精度集成运放----漂移和噪声非常低,增益和共模抑制比非常高的运放。包括OP07\F032\F714等。(3)高输入阻抗集成运放。采用场效应管构成的高输入阻抗集成运放,其输出阻抗可达1012Ω数量级。(4)高速集成运放(如LM318),可用于A/D\D/A转换\有源滤波\模拟乘法器等。另外还有高压集成运放,可以解决高输出电压或高输出功率的要求。按封装类型可分为单运放集成块(741系列)\双运放集成块(LM358)\四运放集成块(LM324)等。按功率分类,有微功耗型和大功率型等等。2.4.2反相比例运算电路如图8所示,输入信号ui经输入外接电阻R1送到反相输入端,而同相输入端通过电阻R2接地。反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间,形成电压并联负反馈。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:流入放大器的电流趋近于零,i+≈i_≈0,反相输入端与同相输入端电位近似相等,u_≈u+得:所以ui-u_/R1=u_-uo/Rf;即ui/R1=-Rf/R1故闭环(引入反馈后的)电压放大倍数为式中负号表明输出电压与输入电压相位相反。他们的关系是比例放大的关系只要R1和Rf的阻值足够精确,就保证了比例运算的精度和工作稳定性,与三极管构成的电压放大电路相比较,显然用运算放大器设计电压放大电路既方便,性能又好,更有意思的是它还可以按比例缩小。图中的R2是一个平衡电阻,其作用是为了使两个输入端的外接电阻相等,从而保证输入级差分放大电路的偏置电路对称。R2=R1//Rf特例:当取R1=Rf,可得uo=-ui,称为反相器。10图82.4.3同相比例运算电路如图9所示,输入信号ui通过外接电阻R2输入送到同相输入端,而反相输入端经电阻R1接地。反馈电阻Rf跨接在输出端和同相输入端之间,形成电压串联负反馈。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:反相输入端与同相输入端电压相等,u_≈u+≈ui流入放大器的电流趋近于零,i+≈i_≈0得:ii=if+i_≈if由图可列出0-u_/R1=u_-uo/Rf;即-ui/R1=-(ui-uo/Rf)解之uo=（1+Rf/R1）ui闭环电压放大倍数为Auf=uo/ui=1+Rf/R1可见uo与ui间的比例关系也可认为与运算放大器本身无关,只取决于电阻,其精度和稳定性非常高。注意到Auf为正值,这表示uo与ui相同,且Auf总是大于或等于1,即只能放大信号,这点与反相比例运算电路不同。另外,在同相比例运算电路中,信号源提供的信号电流为0,即输入电阻无穷大,这也是同相比例运算电路特有的优点。当R1=∞(断开)或Rf=0时,则Auf=uo/ui=1输出电压与输入电压始终相同,这称为电压跟随器,我们在讨论射极输出器时提到过,电压跟随器放在输入级可减轻信号源的负担,放在两级电路的中间,可以起到隔离电路的作用。11图92.5通用型集成运算放大器F741(F007、UA741)UA741的共模输入电压范围宽，即使信号幅度超过共模输入范围也不会引起阻塞和自激振荡。同时内部有频率补偿措施，因此不需外接补偿电容。另外，UA741的输出有过载