程控增益放大器_电子技术基础课程设计

辽宁工业大学

模拟电子技术基础课程设计（论文）

题目：程控增益放大器

院（系）：电子与信息工程学院

专业班级：通信101班

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教师职称：

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

目录

第一章程增益放大器设计方案论证 (1)

1.1程控增益放大器的应用意义 (1)

1.2程控增益放大器设计的要求及技术指标 (1)

1.3 设计方案论证 (1)

1.4 总体设计方案框图及分析 (2)

第二章程控增益放大器各单元电路设计 (2)

2.1 编码开关的设计 (2)

2.2 集成电路运算放大器的设计 (5)

2.3增益调整电路设计 (8)

第三章程控增益放大器整体电路设计 (8)

3.1 整体电路图及工作原理 (8)

3.2 电路参数计算 (9)

3.3 整机电路的仿真 (9)

第四章课程设计的总结 (9)

参考文献 (10)

附录：器件清单 (11)

第一章程控增益放大器设计方案论证

1.1程控增益放大器的应用意义

程控增益放大器按输出信号的特点分类，可分为模拟式和数字式可编程放大器。可以通过数字电路控制模拟放大电路的放大倍数。可以自己设计电路，或者使用一些公司的现成的集成芯片实现。具体实行的电路很多。比如DAC＋OP运放；OP运放＋模拟开关；电阻分压网络＋模拟开关+OP运放；集成芯片PGA102；PGA103；AD621；等等。利用拨码开关的数码代替电位器刻度，具有线性度好、精度高、直观，可直接或间接取代一般线性电位器或多圈线性电位器。放大器的增益的变化是由数字信号控制其反馈电阻完成的。程控增益放大器是一种在多通道多参数空间一个测量放大器，多通道放大器的信号的大小并不相同，都是放大至A/D交换器输入要求的标准是电压，因此对各个通路要求测量放大器的增益也不同。

1.2程控增益放大器设计的要求及技术指标

1.2.1设计要求：

1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

1.2.2技术指标

1.电压放大倍数N由拨码开关控制，199

≤N。

≤

2.输出电压绝对值在1—10V范围。输入电阻Ω

≤20

Ro。

Ri8，输出电阻Ω

≥M

1.3设计方案论证

程控增益放大器通用的方法：

1）运放+模拟开关+电阻分压网络。

2）拨码开关+数字电位器+运放。

其中，第一种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。这种方法的电路比较复杂，。第二种方案采用固态数字电位器来控制放大电路的增益，线路较为简单。而精度较为高，所以我们采用的是第二种方法设计的放大电路。

1.4总体设计方案框图及分析

根据放大倍数在1在1～100倍范围内变化的要求，可采用D/A置数来设置放大倍数，并用拨码开关控制增益。并且运算放大器是有集成运放电路实现的，采用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元件及它们之间的连线制作在同一块单晶硅的芯片上，并具有一定功能的电子电路。

第二章程控增益放大器各单元电路设计

图1 程控增益放大器框图

2.1编码开关

编码开关有很多种，其中应用是旋转编码开关。旋转编码器的工作原理：

随着工控的不断发展，出现了旋转编码器，其特点是：

1、信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；

2、柔性化：定位可以在控制室柔性调整；

3、安装方便和安全、使用寿命长。

一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几十几百米的距离。多个工位，只要选用一个旋转编码器，就可以避免使用多各接近开关、光电开关，解决现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

4、多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

5、经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长。

编码器（encoder）是将物理信号编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号的一种设备。应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。

编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺。

旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

2.2 D/A转换器设计

如果用D／A转换器代替反馈电阻或者输入电阻足也可以构成程控增益放大，衰减器。DAC内部主要由R-2R电阻网络和模拟开关构成，例如DAC0832、AD7520等为此类芯片，在基准输入电压Vref固定不变的情况下，当输入的数字量为D时，从Ioutl引脚流

出的电流为Ioutl=(Vref／R)·(D／2“)，式中尺为D／A转换器的电阻网络中电阻l尺

的值；／／,为D／A转换器的位数口】。其电路有两种形式：一种当模拟输入信号从基

准电压输入端引入时，册接运放的输出电压(使用芯片内的反馈电阻)，其电路连接如图

3(a)，该电路增益GI=D1／2“，可见其为增益小于1的衰减器；另外当模拟输入信号从

D／A的Rib输入时，Vref接运放的输出如图3(b)时，该电路增益G2=2“／D2，其实质

是增益大于1的放大器。如果要实现电路即能放大也能衰减的功能，可以将两个电路级

联来构成增益为G=G1*G2=DI／D2，这时只要给定Dl和D2的值就能得到所需的增益值；

利用相同的原理也可选用单片的双通道的D／A转换器(如AD7547，AD7528等)和运放来

实现其功能怛J。随着半导体器件的发展，很多D／A转换器(如MAX502等)【31已经内

含基准电压，输出放大器和锁存器，这时只需进行简单的连线就可构成程控放大器。此

类程控放大器的优点：增益可调范围大，电路简单，具有宽的通频带，由于DAC中电阻

的误差较小，温度系数低等特点，因此此类程控放大器增益误差较小，稳定性好；电路

的缺点：由于器件内部分布电容的影响，电路频响不是很理想，电路增益不容易做得较

大

2.3数字电位器设计

利用数字电位器实现的可控增益放大器，具有增益调节范围宽，电路简单、控制方便、成本低廉等优点，而其由于其调节准确方便，使用寿命长，受物理环境影响小，性能稳定等特点，因此其应用越来越广泛。但由于数字电位器受制造工艺等因素的制约，其通频带受限，利用它实现的程控增益放大器高想。

2.4运算放大电路设计

集成电路运算放大器通常是应用741作为BJT模拟集成电路的典型例子。是一种高

电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路

2.4.1运算放大器中的各部分电路分析

输入级：是由T1-T6组成的差分式放大电路，由T6的集电极输出，T1、T3和T2、T4组成共集-共基复合差分电路。其中差分输入级的输出电流为两边输出电流变化的总和，是单端输入的电压增益提高到近似等于双端输出的电压增益。

偏置电路：741型集成运放由24个BJT、10个电阻和一个电容所组成。在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故采用微电流源电路。

中间级：这一级由T16、T17组成。集电极负载为T138所组成的有源负载，其交流电阻很大，故本级可以获得很高的电压增益，同时也具有较高的输入电阻。带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。

输出级：由互补对称功放或射极输出器组成，为了防止输入级信号过大或输出短路造成的损坏，电路内备有过流保护原件。电路外接电容用作频率补偿。主要是降低输出电阻，提高带负载能力。

图4运算放大器原理图

第三章程控增益放大器整体电路设计

3.1整体电路图及工作原理

电源电路为了保证足够的电源供应，我们制作了一个有±5V、±12V、±15V、0~30V 可调的电压源。

图6程控增益放大器整体电路

拨码开关输入3位10进制数1－999时，输出为20Ω，实际上是3个位上的电阻器并联，相当于1个560kΩ的电位器，共有10×10×10=1000种组合的阻值，在一般情况下，完全可以取代在模拟电路中广泛使用的无级调节的电位器。这种用法不需任何外部调整元件件就能可靠地工作。但为了保证效果更好，应该在正、负电源供电端连接一个1μF的旁路钽电容到模拟地，且应尽可能靠近放大器的电源引脚，并按图中所示点接地。使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接NPN型管；由于PNP型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30V以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与NPN 管隔离开的作用。集成电路运算放大器偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。该电路是利用接通通道改变一个状态，从而反馈电阻改变一次，相应的电压增益改变一次数值。

3.2电路参数计算

电路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相应的即可，如数据0011，Rx等于20M与25M的并联，即Rx=11.1.相应的Au=1+100/11.1=10.01.在输出电压为1—10v之间求出相应的相应的放大倍数在1—99之间，根据相应的拨码开关计算出输入电阻与输出电阻的适当值即Ri≥8M,Ro≤20.所以，增益公式G=20㏒Au得到所要调整的范围。

3.3整机电路性能分析

本电路满足微小信号在各种状态下的放大调节，同时能够有效地抑制干扰信号，可靠地检测出缺隐信号，常常需要高精度的测量放大器和合适的滤波器。因事先不知道被测信号的大小，用微控制器来检测，从而控制放大器的放大倍数，能将信号调到最佳，获得最佳测量数据。又因为不知控制系统中激励信号的频率以及在不同的环境条件下的干扰情况，因此，为了实现大动态范围、多干扰因素的检测系统的智能化，程控放大与程控滤波是必然的选择，以实现软件与硬件有机地结合。这是目前比较新颖、实用的电路设计按照上述方法设计的可编程增益放大电路，克服了传统可编程放大器增益范围小的缺点，，扩大了增益范围、提高了增益精度。基本完成了系统基本及发挥部分的要求，在某些方面性能有极大的提高，大大超过了要求。但由于时间紧张等原因，整个系统还存在着设计简陋，测量精度不是很高等问题。由于系统采用了模块化设计，系统还有很大的升级扩展空间。经过进一步的完善，完全可以应用于实际测量中。

第四章设计总结

通过本次课设，我懂得了课设的过程是艰辛的，但是最终我的收获是非常巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对学过知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计上，使得所学的知识在更深层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的过程中有一定难度，这对我们来说不为是一种锻炼，培养了我们自学、查阅搜集资料等等的能力；再有，计算操作过程中，我曾经面临过很多的失败、品味过了茫然，但是最后我们还是坚持了下来，另一方面对于课外的相关知识也有了许多理解。也给了我们这一代生活在幸福中的大学生上了一堂艰苦朴素的教育课。通过本次课设还有就是能够掌握EWB软件的基本使用方法。为我以后做课设提供了很大的帮助，这就是我们意

本次课程设计虽然基本满足了设计要求，但因为是第一次做课程设计所以还有很多的缺点和不足之处，希望老师加以批评和指正，找出我的薄弱环节，使我在以后的设计中能够设计出优秀的电子课设。

展望：采用程控放大，可以方便地调节增益倍数，实现多量程、宽动态范围的信号测量；采用程控滤波设计，可以根据信号的不同特点，设计不同滤波器模式，完全复现信号。因此，采用这向项智能化技术，可以使测量系统有宽的适用范围，提高系统的适应性，同时提高系统的测量精度。

参考文献

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[11]田踪.科技创新导报.甘肃兰州.2002.第6期.

附录：器件清单

电容1uf 1