增益自动切换的放大电路设计

东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称：电子线路实践
第二次实验
实验名称：增益自动切换电压放大电路的设计院（系）：专业：
姓名：学号：
实验室: 实验组别：
同组人员：实验时间：
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
设计一个电压放大电路，能够根据输入信号幅值自动切换调整增益。

设输入信号频率为0～20KHz，其幅值范围为0.1～10V（峰峰值Upp）。

电路应实现的功能与技术指标如下：1.基本要求
当输入为直流信号时，要求设计的电路达到以下要求：
U<0.5V时，电路的增益约为10倍。

(1)当i
U<3V时，电路的增益约为1倍。

(2)当0.5<i
U<10V时，电路的增益约为0.1倍。

(3)当3<i
2.提高要求
当输入为交流信号时，根据输入电压的峰值大小，电路增益仍满足基本要求。

3.发挥部分
（1）对输入电压值分档再细化；
（2）增益值的显示。

分析项目的功能与性能指标：
本设计中电路要实现根据输入信号的幅值自动切换调整增益的功能。

基础部分中，
U<0.5V时，电路的增益约为10倍；当0.5<i U<3V时，电路的增益约为1倍；
当i
U<10V时，电路的增益约为0.1倍。

提高部分中，输入为交流信号，根据输入当3<i
电压的峰值大小，电路的增益仍满足基本要求。

在本设计中，增益自动切换的临界值应尽量接近要求的值0.5和3，而且增益的倍数也应分别无限接近10、1、0.1。

二、电路设计
(1)电路设计思想（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基本要求：将直流信号加到具有不同基准电压的比较电路输入端进行分档比较，对应某一输入电压值，只有相应的一个比较电路输出为高电平（或低电平），其余比较器输出为低电平（或高电平）。

根据比较器的输出状态，通过模拟开关的控制，选择相应的增益。

提高要求：可以先采用峰值取样或整流滤波电路对交流信号进行处理，再将处理后得到的交流信号峰值按基本要求进行处理。

(2)电路结构框图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基本要求：
提高要求：
(3)电路原理图（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基础要求：
提高要求：
(4)系统工作原理（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基础要求：将直流信号加到基准电压分别为3V和0.5V的比较电路输入端进行分档比较，
对应某一输入电压值，相应的比较电路输出为高电平或低电平，将比较器的输出状态通过模拟开关的控制，选择不同的增益电路，从而实现增益的自动切换。

提高部分：采用峰值采样电路，先将交流信号输入峰值采样电路，再将输出的峰值加到比较电路输入端进行分档比较，其他同上。

(5)参数计算和元器件选择说明（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基础要求：放大电路电阻：R8=10kΩ，R6=100kΩ，R5=10kΩ,R7=1kΩ.
分压电阻：要满足分压分别为3V和0.5V，则设置Rw=90kΩ，R5=25kΩ，R6=5kΩ，可满足上述要求。

提高要求：峰值采样电路：IN4018二极管、10nF电容
放大电路电阻及分压电阻同基础部分。

(6)列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出）（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
(7)电路的仿真结果（请写明基本要求、提高要求、发挥部分）：
基础要求：
1)输入0.3V直流信号:
2)输入1.5V直流信号:
3)输入4V直流信号:
提高要求:（CH1为输出信号、CH2为输入信号）1)输入10KHz、峰值0.1V交流信号：
2)输入10KHz、峰值1.5V交流信号：
3)输入10KHz、峰值4V交流信号：
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）：
(2)制定实验测量方案：
按照电路原理图搭出电路，接入函数发生器，用以产生交流信号，输出接到示波器上，用以观察输出波形。

根据要求进行调试。

(3)使用的主要仪器和仪表：
数字示波器，函数信号发生器，直流稳压电源，数字万用表
(4)调试电路的方法和技巧：
首先测试峰值取样电路，将峰值取样的结果输入到示波器中，观察其近似为直流分量，且其约等于交流信号的峰值。

再测试比较电路，输入不同的值，测其输出使结果满足要求。

最后对整个电路进行调试。

(5)测试的数据和波形并与设计结果比较分析：
输入10KHz、峰值0.2V的交流信号：
输入10KHz、峰值2.6V的交流信号：
10KHz、峰值3.5V的交流信号：
分析：由上述结果可以看出，电路是存在一定误差的，但是基本上实现了电路要求的功能。

(6)调试中出现的故障、原因及排除方法：
在实验中当比较器输出为负电压时，直接接到4052的选择端会损坏放大器，根据观察，发现会将放大器的输出强行拉到-1V左右，而放大器开路输出为负-13V左右，经过一段时间以后放大器会过热，模拟开关也可能损坏。

加上一个限流电阻可以解决问题，不会损坏放大器和模拟开关。

实验中的数据与模拟的有很大不同。

整流的电容电压不等于峰值，与峰值的关系也不是线性变化的，所以增益变化点与模拟的结果差距很大，于是实际测量了不同峰峰值下的电容电压，并以此为基准，改变分压大小，才使增益变化点接近要求，最终是靠调变阻器达到较高的精度的。

四、总结
(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法：
问题：怎样对交流信号进行峰值取样？解决方法：采用二极管以及电容构成最简单的峰值取样电路，满足实验的要求。

(2)总结设计电路和方案的优缺点：
优点：采用反向增益电路，可避免无法产生0.1倍的增益的问题，只需再加以反向器即可；同时使用二极管和电容来实现峰值取样，非常简单且实用。

缺点：采用二极管和电容来实现峰值取样有一定的误差，会使临界值发生偏移，从而不符合实验的要求。

(3)指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：
本课题的核心为增益自动切换，这在许多方面都有应用。

希望可以加上更多的功能，来实现更多的功能。

(4)实验的收获和体会：
通过本次实验，加深了对运算放大器的理解，学会了使用运算放大器设计简单的电路，了解了怎样对交流信号进行峰值取样，提高了动手实践的能力。

五、参考文献。