程控放大器的设计|江阴雨辰互联

2023年7月25日发(作者：)

《电子线路》课程设计

设

计

报

告

题目：程控放大器的设计

班级: 电子科学与技术（1）班

姓名: 肖咸文

****: ***

2014年6月

1 摘要

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。

程控放大器的组成结构：1.利用3个运放OP07构成的耳机放大电路；2.芯片CD4051八位的选择器通过片选端的控制调节R1电阻值的大小，从而改变放大倍数。

文章首先对系统方案进行论证，然后对硬件电路设计进行了说明，最后重点阐述了系统的调试过程，并且对调试过程中遇到的问题以及解决方案进行了详细说明。该系统设计达到了预期要求，实现了最大放大60db的目的。

关键词

程控放大器；运算器放大器；单片机；增益，CD4051,OP07

目

录

一、设计目的 .............................................. 错误！未定义书签。

二、设计任务和要求 .................................................................... 4

三、总体方案选择的论证 ............................................................ 4

四、单元电路的设计、元器件选择和参数计算 ........................ 7

五、绘出总体电路图，并说明电路的工作原理 ...................... 10

六、组装与调试，内容 .............................................................. 11

七、所用元器件的编号列表 ...................................................... 14

八、课程设计心得与体会 .......................... 错误！未定义书签。

九、列出参考文献 ...................................................................... 20

3 一、设计目的

 加深对程控放大器的性能和特点的理解，理解程控放大器的工作原理。

 学习差分放大器的主要性能测试方法。

 设计一个电路，要求程控放大器在不同的输入，输出模式时差模电压的放大倍数测试方法。

二、设计任务和要求

设计和实现一程控放大器，指标要求：

 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。

注：不可用专用集成块！

三、总体方案选择的论证

实现程控放大器的方案有多种，如：

 用继电器改变运算放大器的反馈网络；

 用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络；

 用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益。

方案对比：

方案一：采用分立元件放大器电路

简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。为了满足增益40dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳定性差,容易产生自激现象。

图1 分立元件放大器电路图

方案二：通过数字选择反馈网络对输入信号进行放大，电路原理图如下：

 简要原理：

用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来设计程控放大器。通过对微动开

关的闭合和断开，由CC4051模拟开关控制输出的电阻，作为三运放构成的

数据放大器的电阻Rg，构成程控放大器，改变Rg的值可以对输入的信号进

行相应的放大。

 优缺点：

优点：该种方案的电路相对于其他两种方案的电路来说，电路结构较为简单，原理容易理解，使用器件较少，而且使用起来也十分方便。

缺点：如果电路器件选择不当，可能造成电路无法达到设计的要求，即增益无法达到60dB或者当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz。

方案三：用场效应管

原理框图（如下图所示），场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻

与场效应管与对V’的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率

和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案

很难实现增益的精确控制和长时间稳定。

场效应管放大器电路图

对比得出的结论：

本次设计考虑到使实验器材尽量可以在市场上及时的买到以及节省不必要的实验器材，最终考虑使用方案二模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来实现实现程控放大器。

该种设计电路简单，使用器件少，可在实验室内操作，焊接起来较

为方便，调试较为简单，符合课程设计的原则。

四、单元电路的设计、元器件选择和参数计算

7 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：

100kΩ电阻（4个）； 30kΩ电阻（2 个）； 22kΩ电阻（3个）；

20kΩ电阻（2个）； 10kΩ电阻（4个）； 50Ω电阻（1个）。

（2）电位器类：

100kΩ电位器（1个）；50kΩ电位器（1个）； 20kΩ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^07，三片）； CC4051模拟开关（1片）

（4）其他元件：

电路板一块船型开关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）

9 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=30kΩ，R2=10kΩ,同时，可选取R1=10kΩ，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

1.总电路图（附：各元器件相关参数）

IN+

Rg1

＋

－

13 14 15 12 1 5

CC4051模拟开关 3

8 7 6 9 10 11

－

＋

微动d1

RIN－

Vcc

＋

VA1

R2 R3

Rg6

三运放构成数据放大器

R1=10kΩ， R2=10kΩ， R3=30kΩ

R4=20kΩ， R5=100kΩ

Rg1=100kΩ电位器+100kΩ电阻

Rg2=20kΩ， Rg3=5kΩ

Rg4=2kΩ， Rg5=500Ω

Rg6=50Ω电位器+50Ω电阻

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））10 *（-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

1、使用主要仪器、仪表。应列出名称、型号、生产厂家和生产日期等；

（1）示波器，YB4320G，江苏绿扬电子仪器集团有限公司，生产日期：20081103

（2）函数发生器，F05A，南京盛普仪器科技有限公司

（3）实验箱，THM1，浙江天煌科技实业有限公司

（4）数字万用表，数字万用表，型号DT9205A，深圳华天道科技有限公司，20090805

（5）交流毫伏表，DF2170D，宁波中策电子有限公司，200811

2、测试的数据、波形，必要时应与计算结果比较并进行误差分析；

（1）测试的数据及波形

Vo（mV）

Vi（mV）

10.37dB

200kΩ

附：计算结果：（当运放可以达到相应放大标准时）

10dB

370.3kΩ 8.573Ω 2.096kΩ 619.0Ω

调试时部分波形如下：

192.0Ω 60.24Ω

Rg1

20dB

Rg2

30dB

Rg3

40dB

Rg4

50dB

Rg5

60dB

Rg6

3.162 10 31.62 100 316.2 1000

8.32kΩ 4.07kΩ 2.01kΩ 1.12kΩ 583Ω

Rg1

19.82dB

Rg2

24.98dB

Rg3

29.93dB

Rg4

35.00dB

Rg5

40.49dB

Rg6

168

3.30

500

9.80

900

17.74

1600

31.37

2870

56.27

5400

105.88

（1）Av=19.82dB时的波形

（1）Av=40.49dB时的波形

频谱特性图：

12 Av（dB）

40.49

3.4Hz 15.1kHz

（2）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。

3、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。

13 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

4、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。

5、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。

关于电路改进方面，如果运放的芯片可以改为更好性能的芯片如OP37，那么电路的性能会更加稳定，而且实现的功能更加全面，更符合设计要求；关于开关方面，如果使用3位微动开关设计会比使用船型开关更好一些，能是电路焊接更加方便。

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备注

14 1

Rg1

Rg2

Rg3

Rg4

Rg5

Rg6

A1,A2,A3

CC4051

d0,d1,d2

电阻

电位器

运放

模拟开关

船型开关

10kΩ

30kΩ

20kΩ

100kΩ

20kΩ

5kΩ

2kΩ

500Ω

50Ω

OP07

CC4051

普通

串接一个100kΩ电阻

串接一个

50Ω电阻

见附一

见附二

附一：OP07芯片介绍

功能概述：

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

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。

15 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

1 2 4 5 12 13 14 15

9 10 11

符号

IN/OUT

A B C

OUT/IN

INH

VEE

Vss

VDD

功能

输入/输出端

地址端

公共输出/输入端

禁止端

模拟信号接地端

数字信号接地端

电源+

其真值表如下所示：

17 八、课程设计心得与体会

1. 对设计的进一步完善提出意见或建议

根据题目的要求，本设计基本上完成了基本部分的设计要求。我在放大器模块中，做到了电压增益为50DB，增益10DB可调。但本设计中，也存在一些问题如：由于PCB画线路时自己经验不足,元件布局不太合适,导致电路板产生一定的干扰,影响信号,这是我要进一步改进的和不断学习的。

在实际调试过程中,经常会烧坏芯片,电阻。主要是接入电源时正负极接反。我的电源连接线没有处理好。因为不用做电源，刚开始处理时，做了个5脚的的插座。而实际电源制作了两个地，导致我必须做了个独立的连接器。这样，使得在实际操作中容易接错线路，导致短路、等现象。虽然烧了芯片，但正是这些问题的出现给了我很好的提升自己的机会。

在实际调试，分析电路的过程中，发现自己有很多知识没有掌握或者基本上遗忘了。所以，在做毕业设计过程中，查找课本一个知识点一个知识点去学习，补充。比如，运放的负反馈放大，深度负反馈下的自激振荡现象，传输门的工作原理以及汇编语言。

以前的学习中，不太喜欢使用，也不太会用函数信号发生器和示波器。但这次毕业设计，自己必须用到这两样。本着踏踏实实的态度，重新学习样使用工具，受益匪浅。

2. 问题与解决方法

在设计过程中不免遇到各种问题，需要认真分析，排除各种问题。

在设计过程中，首先要上网查阅资料，确定设计方案。在这个过程中，因为只是的匮乏，芯片和电路的确定费了很大的功夫，最终在同学的帮助下，设计出18 了前几个模块。接下来自动增西控制部分，由于不清楚原理，只能请老师帮忙，分析了电路并对之进行简化，到此，才最后完成模块的设计。

接下来，为了达到或超过了题目要求，还对芯片的各参数进行深入的了解，精确的计算，过程很复杂。由于以前实习的时候学习用过protel 99se，但由于长时间没有用，所以很生疏，致使电路图画的很慢，出现的两次返工，在这么紧张的时间里，是很让人郁闷的一件事情。最后通过阅读参考资料，上网搜索等，才完成了电路图的绘制。

3. 心得体会

经过三天的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一名本科生，由于经验和知识的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。但是通过课程设计，使我掌握了程控宽带放大器基本原理和组成，巩固了通信电子电路与单片机控制知识，掌控了知识在实际中的应用，提高了对电路分析与设计能力。同时我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。

设计电路，还要考虑到它的前因后果。什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我的分析问题的能力。通过这次设计，使我的理论知识上升到了一个实践的过程，同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解以及软件的应用能力。

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19 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

[1]、苏文平，新型电子电路应用实例精选，北京航空航天大学出版社，出版时间2000年5月第1版，204页-207页。

[2]、谢嘉奎，电子线路（线性部分），高等教育出版社，出版时间1999年6月第四版，332-334页。

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