东大模电实验-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：

(1) 当U i<0.5V时，电路的增益约为10倍。

(2) 当0.5

(3) 当3

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，当U i<0.5V时，电路的增益约为10倍；当0.5

时，电路的增益约为1倍；

当3

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：

比较分档电路模拟开关增益放大电路

提高要求：

峰值取样电路比较分档电路模拟开关增益放大电路

(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）：

基础要求：

元器件名称运算放大器模拟开关电阻

CD4052

型号及数量 4 1 90 kΩ* 1

25 kΩ* 1

5 kΩ* 1

10kΩ* 4

1kΩ*3

100kΩ*1

提高部分：

元器件名称运算放大器模拟开关电阻电容二极管

CD4052

型号及数量 4 1 90 kΩ* 1 10nF IN4018

25 kΩ* 1

5 kΩ* 1

10kΩ*

4

1kΩ*3

100kΩ*1

(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