广东石油化工学院：可编程放大器设计(模拟电子技术课程设计)
广东石油化工学院
课程名称：模拟电子技术课程设计
题目：可编程放大器设计
学生姓名：严
专业：电子信息工程
班级：电信
学号：
指导教师：刘
日期：
可编程放大器设计
一、设计任务与要求
设计并制作一个可编程放大器，其要求如下：
1、电压放大倍数由计算机的指令给定，即计算机通过数据线将BCD 码N （8bit ）送给数据锁存器（它是可编程放大器的一部分，其地址码由设计者选定）后，放大器的输出电压与输入电压符合下列函数关系： i o Nv v -= 直到计算机给它送来新的数据以前，在温度等因素不变的条件下，这个函数关系保持不变。
2、电压放大倍数的实际值与上述函数关系中的N 之差的绝对不超过
)2100
1(+N ，其条件是： （1） 1≤N ≤99；
（2） v O 的绝对值在1V 至10V 范围以内； （3） 温度在100C 至300C 范围内； （4） v I 是变化缓慢的直流信号； 3、输入电阻不小于100M Ω。
二、方案设计与论证 1、设计思路
在查阅资料，对可编程放大器选择放大电路，采用UA741放大器来实现。首先给放大器一个信号。然后再用8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。74ls161计数器的工作是用一个开关来实现，用两个开关给它脉冲计数器并加一，每个计数器输出4位BCD 码，两个计数器就可以产生8位BCD 码。同时74ls161计数器通过74ls48驱动数码管显示，即显示电压的放大倍数。两个74ls161计数器初始设置为0000，以后每次摁一下后面就加1。直到74ls161计数器输出1010时，74ls161计数器的通过非门74ls04和四位与非门74ls13将计数器置0开始重新计数，然后依次循环。在74ls161计数器后面有8位npn 放大电路控制继电器的通断，当有高电平时，继电器通路，同时控制后面的8路并联电阻来实现电压的放大。8路电阻值分别是
100k 、50k 、25k 、12.5k 、10k 、5k 、2.5k 、1.25k ，这样就可以8位的BCD 码通过选通电阻值的大小进而转换为两位的十进制数值（即放大倍数）公式为：()Vi R 1100Vo n
i i ∑÷?=，
当计数器出现1000 0001时，它的放大倍数为81倍：()81Vi 25.111001100Vo =÷+÷?=。
2、可编程放大器整体电路原理方框图
如图1所示：
图1 整体电路原理框图
2、方案选择
方案1
在这电路图中主要是运用开关来控制16种不同的阻值。主要的控制方法用函数信号发生器接Ui ，直接用开关进行手动的闭合控制，8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。从而产生00-99种不同的现象
如图2所示，仿真图见压缩包SW01.DSN ：
图2 SWITCH控制电阻的放大电路
方案2
方案2是Ui输入信号时，运用了74ls161计数器输出的BCD码控制模拟开关4066通断，使其产生00-99种不同的状态。当为高电平的时候导通，使其电路实现2路开关控制电压的放大倍数。
如图3所示，仿真图见压缩包SW02.DSN：
图3 4066模拟开关控制电阻的放大电路
方案3是Ui 输入信号时，运用继电器开关来控制电阻电路的通断，74ls161计数器接收到上升沿电平出发的时候，74ls161计数器转换成两个4位BCD 码来控制npn 放大电路，使继电器有足够的电流工作，进而使8路电阻通断状态，实现电压的放大效果。在npn 放大电路为了使得集电极反偏，电路并联一个LED 灯显示继电器的通断状态计数器输出的状态同时使得NPN 工作在放大区。
当74ls161计数器电路，输出的BCD 码为0110 0100时，控制NPN Q2、Q3、Q7工作在放大区，实现继电器RL2、RL3、RL7导通，电路并联的电阻为5k 、2.5k 、25k 根据计算公式算的放大倍数是64，与BCD 码的转换一致。
如图4所示，仿真图见压缩包SW03.DSN ：
图4 继电器的控制电阻仿真电路
方案1 这个方案它是用了8个开关来实现，这样可以做出可编程放大器结果。但这不符合老师所给选的题目要求，所以不选此方案。
方案2 这个方案用4066模拟开关通过74ls161计数器BCD 码，74ls161计数器产生BCD 码可以实现00-99种不同的状态。这个方案完全达到题目的要求，它不可以对信号进行放大，由于4066内部电阻影响，当输入电压增大放大变大所造成的误差值很明显超出老师的
2100
1
N 要求，这是这个电路的最大缺点。在实验开始一直选择的是这种电路，但是没有解决误差原因所以我没有选这种方
方案3 这个方案是用继电器开关，通过74ls161计数器BCD控制NPN电流放大进而控制电阻的通断，这个方案和第二个方案唯一的不同点是，继电器断开是不会有内部电阻的影响，它的最大好处就是可以使大小的信号都可以放大。所以我选择了这种方案。
本课题还可以利用单片机来实现,用简单的逻辑数字电路和模电电路实现老师的要求，所以没有加单片机模块。因为单片机的功能比较强大，在仿真的输出如果需要复杂的控制电路可以采用单片模块。
三、单元电路设计与参数计算
3.1计数器
在电子计算机和数学逻辑电路中，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。
计数器是数字系统电路中应用场合最多的是时序电路,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。
1、计数器的种类
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、四位同步二进制计数器74LS161
74LS161 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 74ls161功能图
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5 74ls161管脚图
3.2反相器74LS04
参数:
电源电流最大值6.6mA
传输延时时间 t PLH ≤15ns t PHL ≤15ns 74LS04真值表：见表2
表2 74ls04功能图
74LS04管脚图：见图6
图6 74ls04管脚图
3.3数码管显示电路
根据74ls161功能表，选择计数器的技术功能，同时在输出是1010对计时器进行置位使得显示为两位十进制的数字。
如下图7，仿真图见压缩包7SEG.DSN:
图7 数码管显示电路
3.4 集成运放的分类
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。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。
1、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。
2、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的输出有过载保护，长时间的的输出短路也不会损坏元器件。
使用中若要调零，可在两调零端间接一电位器，并把动端接电源V-来进行调零调节。
（1）UA741为通用型集成运放,主要技术指标为:开环电压增益80dB 以上,
差模输入电阻不小于1M Ω,输入偏流小于50uA,KCMR 大于86dB 。 （2）双列直插式UA741管脚如图所示图中,管脚按逆时针方向排序,①脚、
⑤脚为调零电位器;②脚为反相输入端;③脚为同相输入端;⑥脚为输出端;④脚为负电源;⑦脚为正电源;⑧脚为空脚。UA741通常采用双电源供电,电源电压为±12V ～±15V 。
3.5反相比例运算电路
如图8所示,输入信号u i 经输入外接电阻R1-R9送到反相输入端,而同相输入端通过电阻R21-R29接地。反馈电阻R5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虚短、虚断，知Ui Rx
R5
-
Uo ?=他们的关系是比例放大的关系只要R5和Rx 的阻值足够精确,就保证了比例运算的精度和工作稳定性。且R21-R29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。
图8 UA741反相放大电路图
3.6 电压跟随器电路
输入信号u
输入送到同相输入端,而输出端不经过电阻直接反馈给反相端。
i
将输出电压全反馈给反相端，这样既可以完成控制输入电阻不小于100M，如图9输入信号端电压跟随器；同时也可以满足控制温漂限制温度在100C至300C，如图10输出端电压跟随器。
如图9所示,电压跟随器即是同相比例运算电路,信号源提供的信号电流为0,即输入电阻无穷大,这是电压跟随器电路特有的优点。
如图10所示，电压跟随器在输出端可以起到隔离负载电路的作用，同时电压跟随器很好的控制温漂，可以满足温度在100C至300C。
图9 输入端电压跟随器
图10 输出端电压跟随器
3.7 限幅控制电路
由题意要求需要控制电压输出电压绝对值在1-10V，根据运放的性质可以控制运放输出电压为10V，超过10V截至即可。但是电路不能满足控制最小输出电压值为绝对值1V。
故为满足要求在输出端加四个电压比较器，当电压在-10~-1V、1~10V时，指示灯不会发光，不在此范围的电压值指示灯会发光。其中LED D10发光表示电压超过10V或低于-10V，D9发光表示电压在-1V~1V之间。
如下图11，运放控制输出绝对值为10V图：
V输出仿真图
图11 运放控制10
如下图12，指示灯提示电路图：
图12 指示灯提示电路
四、总原理图和元器件清单
1、如下图13，总原理图：
图13 总原理图
2、元器件清单
Quantity: References Value Order Code 2 R1, R21 10k
2 R2, R22 5k
2 R3, R2
3 2.5k
2 R4, R24 1.25k
100k
4 R5, R6, R25,
R29
2 R7, R26 50k
2 R8, R27 25k
2 R9, R28 12.5k
2 R10, R11 1k
18 R12-R20,
220
R30-R38
Quantity: References Value Order Code 3 U1, U8, U9 UA741
2 U2, U
3 74LS161
2 U4, U5 74LS48
1 U6 74LS04
1 U7 74LS13
1 U10 LM339
1 U11 74LS00
Quantity: References Value Order Code 16 Q1-Q16 NPN
Quantity: References Value Order Code 18 D1-D18 LED-BIBY
Quantity: References Value Order Code 16 RL1-RL16 G2RL-14B-CF-DC5
10k
5 RV1, RV3,
RV5-RV7
2 RV2, RV4 1k
五、仿真调试与分析
如下图14、图15：
图14 放大20倍仿真调试图
图15 放大40倍仿真调试图
分析：
输入信号振幅是1V时：当电压放大20倍，振幅是19.42V<0.2+2=2.2V故满足题意；当电压放大40倍，振幅是运放截至限制输出超过10.82V就被截止；同时可以观察指示灯闪烁情况知道电压输出幅度是否在输出幅度绝对值超出10V。
由于输入信号是正旋波故在-1V~+1V指示灯会闪烁，10V幅度值的指示灯也可以判断。
六、结论与心得
七、参考文献
[1]华成英，模拟电子技术基本教程，清华大学出版社，2006；
[2]阎石，数字电子技术基本教程，清华大学出版社，2006；
[3]彭介华，电子技术课程设计指导，高等教育出版社，2010；
[4] https://www.360docs.net/doc/107089117.html,/news/fpga/20100126159522.html；
[5] https://www.360docs.net/doc/107089117.html,/question/158134858.html。