东南大学模电实验报告-实验二-增益自动切换电压放大器

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：模拟电子电路实验

第2次实验

实验名称：增益自动切换电压放大电路的设计

院（系）：自动化学院专业：自动化

姓名：某某学号：*****

实验室: 101 实验组别：

同组人员：实验时间：17年4月12日评定成绩：审阅教师：

实验二增益自动切换电压放大电路的设计

一、实验内容及要求

用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1k Ω，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。电路应实现的功能与技术指标如下：

1.基本要求

1）放大器能够具有0.1、1、10三档不同增益，可以用连线改变增益，或者以拨码开关切换增益，或者用模拟电子开关切换增益。

2）输入一个幅度为0.1～10V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.5～5V 范围内，设计电路根据输入信号的情况自动切换调整增益倍率。

3）放大器输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。

2.提高要求

输入一个交流信号，频率10kHz，幅值范围为0.1～10V（峰峰值Vpp），要求输出信号电压控制0.5～5V（峰峰值Vpp）的范围内。

分析项目的功能与性能指标：

功能：

1)实现电压的比较，判断电压处于0.1~0.5、0.5~5、5~10V哪个范围之内。

2)根据判断出的结果将输入信号进行相应的增益放大，0.1~0.5V放大至1~5V,0.5~5V

保持不变，5~10V缩小到0.5~1V。

3)实现交流信号的整流滤波以判断峰值处于哪个范围。

4)将交流信号根据峰值电压范围进行相应倍数的增益。

性能指标：

1)跳变点为0.5V,5V,误差不能过大。

2)增益分别为10、1、0.1，误差不能过大。

3)交流信号的频率为10KHz,需在电路通频带中。

二、电路设计（预习要求）

(1)电路设计思想：

分模块设计

1）基本要求：

电路分为两个模块，比较电路以及增益电路，比较模块将输入的直流信号与0.5V、5V参考电压进行比较，类似于AD转换，获得数字信号。获得的比较结果通过控制模拟开关的闭合来选择接入运放不同值的电阻R f,以实现不同的增益。

2）提高要求：

由于有较小的输入信号幅度，会小于0.5V的导通电压，故需要精密整流滤波电路来获得与幅值相等的直流信号。整流后的直流电压就可以输入比较模块“AD”转换。比较后的不同结果控制模拟开关，将不同电阻接入增益电路。

(2)电路结构框图：

1）基本要求

2）提高要求

(3)电路原理图：

基本要求：

Input模块：

1)结构：电压跟随器，用于提高输入阻抗。

2)原理：深度负反馈阻值为0，输出电压与输入电压同幅同相，用于隔离。

比较电路模块：

1)采用LM311作为比较器，由于311输出端7是集电极开路（OC），因此需要接一上

拉电阻及恒压电源提供工作电压。上拉的电阻值根据数据手册，IOH ≤10Ua，RC 选择1KΩ比较合适，具体计算为：UO = VCC – IOH*RC，由于实际使用的模拟开关是CD4052并非ADG409，因此工作电压选择是哪个有些区别，选择VCC = 15V,因此UO = VCC – IOH*RC ≥ 15 – 10-5 * 103≈15V,从表达式中也可以看出RC 不能选择过大，否则导致输出电压偏小，当然这对于15V来说还是可以忽略的。

2)参考电压利用电阻分压

通过15V电压10KΩ、90KΩ、200KΩ电阻串联得到5V以及0.5V电压。

模拟开关以及增益电路模块：

由于Multisim中没有模拟开关4052，因此选用ADG409作为替代仿真，实际性能也是差不多的。通过比较电路产生的两路选通信号LT5和LT0.5接入模拟开关后，分别对应3,1,0条通路所接电阻分别为1k，10k，100k，作为运放的反馈电阻（实际搭电路时选择的是4052的3y端、1y端、0y端；另外本实验电路的选通信号是单电源输入，即0对应0V、1对应15V，因此实际电路中4052的VEE和VSS端都接地，VDD接+15V）。由于运放反向输入端的电阻为10k，这样就分别实现了增益-0.1，-1，-10。再在后面接一个增益为-1的反向比例放大器，就实现了自动切换增益0.1,1,10的功能。

提高要求：

在基础要求的基础上，增加精密全波整流电路。

精密全波整流电路：

采用全波精密整流电路。由于输入的交流信号较小（<0.5V）,因此若简单的采用二极管—电容滤波电路会带来误差较大的问题。通过调节R18大小来得到不同的增益，并且在R18上并联一个电容来滤波。

总电路：

注：基本要求无需Full_Wave_Rectify模块

(4)电路的仿真结果：

1）基本要求

十倍增益：输入0.2VDC,输出2VDC信号（红色A通道是输入，蓝色B通道是输出，下同）一倍增益：输入3VDC,输出3VDC信号

0.1倍增益：输入7VDC,输出0.7VDC信号

传输特性曲线：输入从0~10V的变化电压，用Y/X看两通道之间的关系,下图中横轴为输入，纵轴为输出，斜率分别是10,1,0.1

2）提高要求

十倍增益：输入0.2Vp的正弦信号，输出2Vp的同相正弦信号一倍增益：输入3Vp的正弦信号，输出3Vp的同相正弦信号

0.1倍增益：输入6Vp的正弦信号，输出0.6Vp的同相正弦信号

三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析

(1)硬件实物图（照片形式）：