可编程数控增益放大器的设计与制作

1 可编程数控增益放大器的设计与制作 作者:徐继业 [摘要] 当接通电源时，220V电压经过桥式整流、滤波电容、稳压二极管等转化为正负15伏电源，给放大器供电，本文主要介绍用计数器控制放大器的放大增益的不同，从而得到想要的放大倍数。就是给计数器脉冲使计数器计数，同时在四个数据输出端输出不同的状态经反相器和模拟开关使对应输出端的电阻工作，给放大器一个输入信号，由前面的工作电阻的大小决定了输出放大增益的大小。我们使用的芯片有：放大器UA741、模拟开关C4066、计数器74LS161、反相器74LS04。 [关键词] 数控 增益 16 放大 2

一、设计思路、方案对比与选择 1、设计思路 数控增益放大器是计算机控制模拟系统中经常用到的，要做出这样的增益放大需找一个切合实际的题目，题目的选择是做增益放大的关键。我们做的是用放大器来实现增益，我们所选的放大器是uA741。首先给放大器一个信号。然后再用4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。要实现这样的变化，我在前面使用了16进制的计数器来实现，它可以产生16种不同的状态。计数器的工作是用一个开关来实现，用一个开关给它脉冲让它产生16种不同的状态。计数器从Q0Q1Q2Q3出来的初始状态我们设置为0000，以后每次摁一下后面就加1。直到计数器出现1111时，是计数器的最后一种状态，也是这个电路增益到最大的值。然后依次循环。在计数器后面我加了个反向器，这个反向器的作用是因为，在反向器后面需要一个4066的模拟开关，要使这个开关工作，必须先要给它一个高电平才可以来使模拟开关工作。我们这个电路是需要低电平才可以工作，这样就必须使用一个反向器。让模拟开关的一端接入高电平，高电平进入反向器转化低电平，这样就可以使整个电路处在工作的状态。整个电路的计算可以用公式来计算，这个放大的倍数在于放大器2、6脚的电阻，我们所选的是100K。公式为：AV=1+R7/Rx，当计数器出现0001时，它的放大倍数为11倍：AV=1+100/10=11。当Q0Q1Q2Q3出来的是1111时，是我这个电路出现的最大值为27倍：AV=1+100//10+15+20+25=27。

2、方案对比与选择 方案1 在这电路图中主要是运用开关来控制16种不同的增益。主要的控制方法用函数信号发生器接Ui，给它一个信号。然后进行开关的闭合，4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，例如：当S1闭合，它的放大倍数应为：1+100/10=11。从而产生16种不同的现象

如图1所示 3

图1 方案2 这种方案是给Ui一个信号，再运用了单个开关给计数器一个脉冲，使其产生16种不同的状态。当为高电平的时候，经过反向器转化为低电平，二极管导通，使其电路工作。例如：当计数器输出为1111的时候，公式：AV=1+R7/Rx则Av=1+100/10//15//20//25≈27 如图2所示。

图2 4

方案3 这个方案给Ui一个输入信号，运用单个开关触发给计数器一个脉冲，使其计数器工作。输出16种不同的状态，然后达到不同的增益效果。计数器输出的状态通过反向器，由高电平转低电平，由低电平转到高电平。当进入反向器为高电平的时候，模拟开关4066导通。4个不同阻值的电阻进行任意并联，产生16种不同的增益。例如：当计数器输出的是1100的时候，电阻R4和R5并联。由AV=1+R7/Rx得：AV=1+100/20//25=10 如图3所示：

图3 方案1 这个方案它是用了4个开关来实现，这样也可以做出增益放大器。但这不符合我所选的题目，没有达到我们题目的要求，所以我们不选此方案。 方案2 这个方案用一个开关给计数器脉冲，使计数器产生16种不同的状态。这个方案完全达到我们题目的要求，但这个电路最大的缺点是二极管2AP9有个门限电压，它不可以对小信号进行放大，这是这个电路的最大缺点，所以我们不选这种方案。 方案3 这个方案是用一个开关给计数器脉冲来促使计数器工作，让计数器输出16种不同的状态，这个方案和第二个方案唯一的不同点是，我们用的是4066的模拟开关来实现。它的最大好处就是可以使大小的信号都可以放大。所以我们选择了这种方案。 本课题还可以利用单片机来实现,但是由于学校条件有限和我自身在编程方面的薄弱基础,加上使用单片机做本课题显的大材小用了,综合多方因素考虑,所以不采用此方案,在这里也不详细描述了。 5

二、单元电路设计与计算 1、电路原理方框图如图4所示：

图4 2、单元电路介绍(元器件 芯片)

2．1计数器 在电子计算机和数学逻辑系统中，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。 计数器是数字系统中应用场合最多的时序电路,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。 2．1．1分类 计数器的种类繁多,从不同角度出发,有不同的分类方法: 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。 2．1．2 四位同步二进制计数器74LS161

计数部分 反相器 模拟开关 放大部分 输入脉冲 信号输入 信号输出 6 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 序 号 输入 输出 清零 CR 使能 S1 S2 置数 LD 时钟 CP 并行输入 D C B A QA QB QC QD

1 0 × × × × × × × × 0 0 0 0 2 1 × × 0 ↑ d 0 d 1 d 2 d 3 d 0 d 1 d 2 d 3 3 1 1 1 1 ↑ × × × × 计数 4 1 0 × 1 × × × × × 保持 5 1 × 0 1 × × × × × 保持

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 7

2．2六反相器74LS04 参数: 电源电流最大值6.6mA 传输延时时间 tPLH≤15ns tPHL≤15ns 74LS04真值表：见表2 表2

74LS04管脚图：见图6

图6 2.3双向模拟开关4066 双向模拟开关4066包含了四个独立的双向模拟开关,开关状态由逻辑信号CONT控制。当控制信号为高电平时,对应开关的输入与输出间等效为一个几十欧姆的电阻,也就是说该开关闭合。反之,当控制信号为低电平时,对应开关关断。 下图为模拟开关4066管脚图：见图7

A Y 1 0 0 1 8

图7 主要参数: 1、电源电压范围 VDD-VSS=3～18 2、导通电阻Ron:60～80Ω,最大值为240Ω 3、在电源电压为15V,RL=10K的条件下,四个模拟开关的Ron的差异不大于5Ω 4、传输信号的上限频率:40MHz 5、关断时输入输出间漏电流:0.1nA～0.1uA,其值随输入输出间电压的增大或器件温度的升高而增加。 6、平均传输延时时间tpd约40ns。增大电源电压可使tpd下降 7、控制端逻辑电平值VE:电源电压为5V时,VEL≤1V,VEH≥3.5V。电源电压为15V时, VEL

≤2V,VEH≥11V。

8、4066功能表：见表3 表3 输入C 开关状态 1 导通uo=ui 0 Z 注:Z为高阻态 2.4集成运算放大器 运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它首先应用于电子模拟计算机上,作为基本运算单元电路,可以完成加减、积分\微分\乘除等数学运算。由于它能将信号进行各种组合和实现各种不同功能的运算处理,加上集成化技术的提高,它的性能更加理想,在自动控制系统和测量装置中,也有广泛的应用。目前运算放大主要以集成电路的形式出现。