模拟电路课程设计--程控放大器设计.docx

模拟电路课程设计报告

设计课题：程控放大器设计

目 录

一、 内容提要
二、 设计任务和要求
三、 总体方案选择的论证
四、 单元电路的设计、元器件选择和参数计算
五、 绘出总体电路图，并说明电路的工作原理
六、 组装与调试，内容含
七、 所用元器件的编号列表
八、 设计总结
九、 列出参考文献

程控放大器设计
一 内容提要
本次课程设计的目的是通过设计与实验，了解实现程控放大器的方法，进一步理解设计方案与设计理念，扩展设计思路与视野。

二、 设计任务和要求
设计和实现一程控放大器，增益在10～60dB之间，以10dB步进可调；当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.电压增益误差≤10％，最大输出电压≤10V。不可用专用集成块

三、 总体方案选择的论证
用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络

简要原理：通过开关的闭合和断开开来获得6种不同的增益。
优点：电路简单，易于焊接
缺点：频率稳定度不高

四、 单元电路的设计、元器件选择和参数计算

1、单元电路的设计
（1）通过CC4051模拟开关对输出电阻进行控制选择
CC4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。C、B、A为二进制控制输入端 (9、10、11端)改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。（CC4051管脚见元器件附表）
该单元电路的设计依据主要是根据CC4051模拟开关能对输出电阻进行控制和选择，从而实现接入电路的电阻阻值的改变，以实现相应的功能。

（2）利用三运放构成的数据放大器（仪表放大器）对信号进行放大
仪表放大器主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。其电路图如下：

结合设计要求指标给出：
2、元器件选择
（1）电阻类（1%精度金属膜电阻）：
150kΩ电阻（2个）； 100kΩ电阻（3 个）； 10kΩ电阻（4个）；
20kΩ电阻（2个）。
（2）电位器类（3296立式电位器）：
50kΩ电位器（1个）；10kΩ电位器（1个）； 5kΩ电位器（1个）；
2kΩ电位器（1个）；500Ω电位器（1个）； 50Ω电位器（1个）；
（3）芯片类：
运放芯片（OP^07，3片）； CC4051模拟开关（1片）
（4）其他元件：
万能板1块 3位微动开关1个 DIP16管座1个 DIP8管座3个 锡条 漆包线等。
3、参数计算（放大器增益）
增益：Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2）
选择R3/R2=3使得A3实现对输入数据信号的三倍放大。因此可取R3=10kΩ，R2=150kΩ,
同时，可选取R1=150kΩ，便于进行进一步的计算。

五、 绘出总体电路图，并说明电路的工作原理
总体电路图如下：

电路的工作原理：根据CC4051模拟开关能对输出电阻进行控制和选择，从而实现接入电路的电阻阻值的改变，实现相应的功能。电路的增益：Av=（1+（2R1/Rg））*（-R3/R2），由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。

六、 组装与调试，内容含：
调试时部分波形如下
Rg1=470kΩ Rg2=78.4kΩ Rg3=19.6kΩ Rg4=5.0kΩ Rg5=1.4 kΩ Rg6=297Ω
误差分析：
由于本次设计实验购买的元器件为OP07运放芯片，不是预想中的OP37芯片，因此性能不是很好，导致最终的带宽和放大倍数不能达到相应的要求，因此测量的数据主要为10dB-40dB之间；关于电路电阻方面，由于电路焊接时产生的多余阻值（如开关的电阻和焊锡的电阻等），使得最终测定的Rg的值普遍比计算值小，这是本实验的主要误差。组装与调试的方法、技巧和注意事项
(1) 组装与调试的方法
将电路进行分块焊接，分别进行组装与调试，由于电路具有一定的复杂性，因此进行分块组装与调试有利于让实验更顺利的进行。

(2)电路焊接技巧及注意事项
1、首先是要准备好所有所需的元器件，分清电阻与电位器的大小，确保焊接时不会搞错对象。
2、排版问题，在焊接元器件之前要整体规划好整体布局，从前级再到后一级，以保证工艺上的美观。
3、焊接过程中，要注意焊接到技巧，锡块不要太大影响美观，也不能太小，防止虚焊。电阻尽量卧式放置。焊接过程要尽量减少引线。
4、接地线不能贪图省事，要把所有的地线统一用锡连接在一起，尽量不用导线作为引线。
5、电源线和地线排放的位置不能靠太近，否则用鳄鱼夹加电时易发生短路碰电

调试中出现的故障及其诊断与排除方法
故障一：电路调试时，连接好电路后，发现示波器上出现杂波波形，而没有正弦波。
诊断与排除方法：通过对电路板的排查发现，电路版的部分元件没有接地，用电烙铁焊好后继续测试即可。
故障二：进行调试时，发现示波器的波形是一种类似于失真了的矩形波形。
诊断与排除方法：通过对电路与电源以及示波器、函数发生器的连线排查时发现，示波器的地端没有与函数发生器的地端没有接在一起，改变接法后即可。
故障三：进行电路调试时，发现示波器上显示的波形的幅值并没有达到相应的放大要求。
诊断与排除方法：通过调节相应电位器的阻值来改变Rg的值即可。

所设计电路的特点及改进意见。
本次设计的电路具有原理简单、易操作、易于焊接等特点，对本次实现程控放大器的设计来说，是一个很好的设计。

七、 所用元器件的编号列表。
序号
符号与编号
名称
型号与规格
数量
1
R1
电阻
150kΩ
2
2
R2
电阻
10kΩ
2
3
R3
电阻
20kΩ
2
4
R4
电阻
10kΩ
2
5
R5
电阻
100kΩ
3
6
Rg1
电位器
500kΩ
1
7
Rg2
电位器
100kΩ
1
8
Rg3
电位器
50kΩ
1
9
Rg4
电位器
10kΩ
1
10
Rg5
电位器
2kΩ
1
11
Rg6
电位器
500Ω
1
12
A1,A2,A3
运放
OP07
3
13
CC4051
模拟开关
CC4051
1
14
d0,d1,d2
3位微动开关
普通
3
附一：OP07芯片介绍
特点：
超低偏移： 150μV最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。 超稳定，时间： 2μV/month最大高电源电压范围： ±3V至±22V。
OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+，ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 最大额定值
芯片管脚如下：

附二：CC4051芯片介绍
功能概述
CC4051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4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

CC4051管脚图：

CD4051引脚功能说明
引脚号
符号
功能
1 2 4 5 12 13 14 15
IN/OUT
输入/输出端
9 10 11
A B C
地址端
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
模拟信号接地端
8
Vss
数字信号接地端
16
VDD
电源+

八、 设计总结
通过本实验的关于程控放大器工作原理分析及其设计安装与调试，加深了我对程控放大器工作原理的理解，同时对线性电子线路的理论与实践应用知识有了新的认识，并且提高基本的实验技能与试验分析技巧，提高运用理论知识解决实际问题的能力。在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我的实践动手操作能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障。

九、 列出参考文献

谢嘉奎，《电子线路（线性部分）》，高等教育出版社