1、信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告（ 2009 2010 學(xué)年 第 一 學(xué)期）課程名稱：電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 2010 年 1 月課程設(shè)計(jì)題目： 增益可自動(dòng)變換的放大器的設(shè)計(jì)目的與任務(wù)： 對(duì)所學(xué)的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行一次綜合運(yùn)用，為下一步繼續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)奠定基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)本課程設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步理解模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路理論等方面的相關(guān)知識(shí)，并可綜合運(yùn)用這些知識(shí)解決一定的實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生在所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力上以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力上得到一定的提高。內(nèi)容和要求：（一）設(shè)計(jì)一個(gè)增益可自動(dòng)變換的直流放大器。 1、輸入信號(hào)為01v時(shí)，放大3倍；為1

2、v2v時(shí)，放大2倍；為2v3v時(shí)，放大1倍；3v以上放大0.5倍 ； 2、通過(guò)數(shù)碼管顯示當(dāng)前放大電路的放大倍數(shù)，用0、1、2、3分別表示0.5、1、2、3倍即可。 3、電源采用5v電源供電。（二）設(shè)計(jì)一個(gè)增益可自動(dòng)變換的交流放大器。 1、放大器增益可在1倍 2倍 3倍 4倍四檔間巡回切換，切換頻率為1hz； 2、對(duì)指定的任意一種增益進(jìn)行選擇和保持，保持后可返回巡回狀態(tài); 3、通過(guò)數(shù)碼管顯示當(dāng)前放大電路的放大倍數(shù)，用1、2、3、4分別表示1、2、3、4倍即可。 4、電源采用5v電源供電。三、課程設(shè)計(jì)步驟1、查閱資料，確定上述兩個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)方案；2、設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；3、用multisi

3、m軟件進(jìn)行仿真；4、寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。四、參考元器件 集成芯片：ne555、lm324、74ls138、cc40106, cc4013、cd4052、cc4066、74ls161，cd4011，741等。電阻若干；電容若干；led數(shù)碼管；vi vi 設(shè)計(jì)內(nèi)容（原理圖以及相關(guān)說(shuō)明、調(diào)試過(guò)程、結(jié)果）增益可自動(dòng)變換的直流放大器一、 設(shè)計(jì)方案放大器的電壓增益由反饋電阻控制，因此只要改變反饋電阻就能切換不同的增益范圍；增益的自動(dòng)選擇，可通過(guò)比較器輸出信號(hào)，控制模擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同反饋電阻的接入,從而實(shí)現(xiàn)選擇相應(yīng)的放大電路增益。由此得出大致設(shè)計(jì)方案如下圖：放大電路輸入信號(hào)電壓比較器負(fù)反饋選擇信號(hào)模擬開關(guān)負(fù)反

4、饋電路編碼器數(shù)碼管 反相器二、 電路設(shè)計(jì) 1、反相器vi 左圖所示為反相器，通過(guò)負(fù)反饋電路的輸出與輸入關(guān)系，可令r1=r2，那么vo=-vi。負(fù)號(hào)就表示vo與vi反相。2、比較器電路vo 左圖所示為反相輸入單門限電壓比較器。其工作原理為：當(dāng)同相電壓輸入大于反相電壓輸入時(shí)，放大器的輸出為高電平；反之，則輸出為低電平。 由課題設(shè)計(jì)要求可知：輸入信號(hào)為0v1v時(shí)，輸出信號(hào)為:“1000”；輸入信號(hào)為1v2v時(shí)，輸出信號(hào)為：“1100”；輸入信號(hào)為2v3v時(shí)，輸出信號(hào)為：“1110”；輸入信號(hào)大于3v時(shí)，輸出信號(hào)為：“1111”。 vi 上圖所示電路，將比較結(jié)果的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由下一級(jí)的模

5、擬開 關(guān)來(lái)選擇相應(yīng)的負(fù)反饋電路。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，四位信號(hào)只有一個(gè)是高 電位，從而能準(zhǔn)確地選擇負(fù)反饋電路。上圖電路使用的是單門限，所以要滿足題目 要求必須得用與的邏輯關(guān)系使之實(shí)現(xiàn)雙門限的功能。門電路所反饋的信號(hào)可作為模 擬開關(guān)接通電路的使能信號(hào)。3、模擬開關(guān)四雙向模擬開關(guān)cd4066cd4066的引腳功能如圖1所示。每個(gè)封裝內(nèi)部有4個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)，每個(gè)模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時(shí)，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)

6、，可傳輸?shù)哪M信號(hào)的上限頻率為40mhz。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為50db。4、負(fù)反饋電路vi vo左圖所示為負(fù)反饋電路,有負(fù)反饋電路特性可知： ，其中負(fù)號(hào)表示輸出與輸入反相。根據(jù)負(fù)反饋電路的輸出與輸入關(guān)系可以構(gòu)成不同放大倍數(shù)的電路，采用模擬開關(guān)來(lái)選擇反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)。vi 左圖所示為負(fù)反饋電路,有模擬開關(guān)來(lái)選擇接通的負(fù)反饋的電阻,從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù),從上到下放大倍數(shù)依次為3、2、1、0.5。模擬開關(guān)的使能信號(hào)則由比較器比較后的信號(hào)輸入，控制接入的電阻。5、編碼器及數(shù)碼管 8位優(yōu)先編碼器cd4532將電壓比較電路的比較結(jié)果（高低電平）進(jìn)行二進(jìn)制編碼。該編碼功能主要由集成

7、芯片8位優(yōu)先編碼器4532完成。編碼的結(jié)果是放大倍數(shù)0、1、2、3分別對(duì)應(yīng)到數(shù)碼管的0、1、2、3顯示出來(lái)，對(duì)應(yīng)輸出為000、001、010、011，對(duì)應(yīng)的輸入i0、i1、i2、i3分別是高電平。數(shù)碼管1248左圖所示是以8421bcd碼為輸入信號(hào)的數(shù)碼管，從左向右依次從高位到低位。本次使用的是0、1、2、3分別表示0.5、1、2、3倍。6、綜合上述各部分電路功能，組合成完整電路圖如下圖：（圖示為輸入1.5v的直流電壓時(shí)的放大情況）vo增益可自動(dòng)變換的交流放大器一、 設(shè)計(jì)方案放大器的電壓增益由反饋電阻控制，因此只要改變反饋電阻就能切換不同的增益范圍；增益的自動(dòng)切換，可通過(guò)譯碼器輸出信號(hào)，控制模

8、擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同反饋電阻的接入；在進(jìn)行巡回檢測(cè)時(shí)，其增益的切換頻率由時(shí)鐘脈沖決定；對(duì)放大倍數(shù)的選擇有手動(dòng)輸入來(lái)控制選擇。 由此得出大致設(shè)計(jì)方案如下圖：時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)器譯碼器模擬開關(guān)負(fù)反饋電路放大電路放大倍數(shù)選擇控制電路輸入信號(hào)反相器二、電路設(shè)計(jì)1、1hz的切換頻率可以用555構(gòu)成的多諧振蕩器提供1hz的時(shí)鐘脈沖。左圖是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，其振蕩頻率為。要使f=1hz，這里可取r1=r2=10k，c1=47uf, c2=10nf,其中，c2為保護(hù)電容。 2、放大倍數(shù)選擇電路 因?yàn)榻涣鞣糯蟊稊?shù)是自動(dòng)循環(huán)，所以可以用計(jì)數(shù)器來(lái)自動(dòng)循環(huán)通過(guò)4532譯碼器來(lái)選擇反饋電路，放大倍數(shù)只有四種情況，所

9、以用161（或160）做一個(gè)四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器即可。 四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)過(guò)程： 接入時(shí)鐘信號(hào)后，161可以自動(dòng)計(jì)數(shù)，如下圖，從零開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)?100時(shí)清零信號(hào)有效，直接清零不等時(shí)鐘，所以計(jì)數(shù)器可以00000011四個(gè)數(shù)內(nèi)自動(dòng)循環(huán)。 左圖是由161構(gòu)成的四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，當(dāng)接入時(shí)鐘信號(hào)（此處的時(shí)鐘信號(hào)由555構(gòu)成的1hz的信號(hào)）后開始計(jì)數(shù)。 而放大倍數(shù)選擇可以有不同方法構(gòu)成，此處將類出兩種一共參考： 1.通過(guò)控制時(shí)鐘信號(hào)，來(lái)控制161的計(jì)數(shù)與否，因?yàn)?61時(shí)等時(shí)鐘的下降沿來(lái)計(jì)數(shù)的，控制555的時(shí)鐘產(chǎn)生，使之維持一個(gè)輸出不變，則161將不再計(jì)數(shù)，放大電路將維持當(dāng)前的放大倍數(shù)不變，此后將555繼續(xù)工作，

10、那么161等到時(shí)鐘的下降沿后會(huì)繼續(xù)計(jì)數(shù)，從而由當(dāng)前的放大狀態(tài)進(jìn)入循環(huán)。 左圖所示，將555的清零端接低電位后清零，計(jì)數(shù)器維持0輸出不變，則161不能計(jì)數(shù)，放大電路維持當(dāng)前放大倍數(shù)；接高電位正常工作，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，161等到時(shí)鐘信號(hào)后繼續(xù)工作，進(jìn)入循環(huán)。 上述方法簡(jiǎn)單，但是不能自主選擇放大倍數(shù)，只有當(dāng)電路進(jìn)入循環(huán)后工作到當(dāng)前的放大倍數(shù)才可以選擇，并且，選擇時(shí)可能是時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生下降沿從而使放大倍數(shù)后移而不是自己所想要的放大倍數(shù)。 2.直接控制置數(shù)端和161的輸入來(lái)選擇需要的放大倍數(shù)，如果置數(shù)端有效則置數(shù)，保持相應(yīng)的放大倍數(shù)，置數(shù)端無(wú)效時(shí)計(jì)數(shù)器由當(dāng)前狀態(tài)工作進(jìn)入循環(huán)。 左圖所示，采用此方法后，選擇放

11、大倍數(shù)只需將置數(shù)端的電平置于低電平，此時(shí)即使時(shí)鐘信號(hào)有效，計(jì)數(shù)器也不會(huì)計(jì)數(shù)；當(dāng)置數(shù)端置于高電平的時(shí)候，由當(dāng)前放大倍數(shù)進(jìn)入循環(huán)。（圖示為置數(shù)有效且輸入為0001） 3、其余的電路部分類似于支流放大電路，此處我采用的是直接用1、2、3、4表示放大倍數(shù)1、2、3、4。各器件工作原理不再贅述，電路圖如下圖：（此處數(shù)碼管顯示的2即表示放大倍數(shù)2） 三、小結(jié) 1、在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程有些芯片在multisim中難以找到，只有用類似功能的芯片來(lái)替代，如4052模擬開關(guān)沒(méi)有，用4066模擬開關(guān)替代，但4066接通后自身有一定的內(nèi)阻，使得放大倍數(shù)存在一定的誤差，但相對(duì)于所采用的電阻，內(nèi)阻影響并不是很大，最后的放大情

12、況與要求的接近，但不是嚴(yán)格意義上的整數(shù)。 2、設(shè)計(jì)電路前各部分功能的電路設(shè)計(jì)并不困難，主要的是如何將它們連接到一起，所以在連整個(gè)電路前在multisim中先找到設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的芯片，利用網(wǎng)絡(luò)資源查找相應(yīng)的功能，了解每個(gè)引腳該如何連接，其功能表等，再考慮如何將它們連到一個(gè)電路中。 3、本次設(shè)計(jì)將模電和數(shù)電知識(shí)結(jié)合，在以前的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有碰到過(guò)，所以思路一開始并不是很開闊。利用網(wǎng)絡(luò)資源后，發(fā)現(xiàn)自己大膽的想象有可行之處，所以敢大膽地著手電路設(shè)計(jì)。當(dāng)然電路的調(diào)試過(guò)程并不是一帆風(fēng)順的，比如模擬開關(guān)的選擇會(huì)對(duì)電路放大倍數(shù)的影響，就4066而言，我所采用的版本的multisim中不同型號(hào)道統(tǒng)后的內(nèi)阻相差很大，4

13、066bd和4066bp的內(nèi)阻就不同，前者的內(nèi)阻達(dá)到m，后者只有350左右，一開始沒(méi)有測(cè)量，在閱讀其功能后以為導(dǎo)通內(nèi)阻都一樣，所以一開始的放大倍數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。一開始以為是電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題,但用萬(wàn)用表測(cè)量各部分電路并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤,考慮到是輸出與輸入比例嚴(yán)重錯(cuò)誤后測(cè)量反饋電阻，發(fā)現(xiàn)不是電路錯(cuò)誤，而是模擬開關(guān)的內(nèi)阻太大，換取不同型號(hào)后再次測(cè)量，輸出與理論值相接近。 在555時(shí)鐘信號(hào)電路中,由于參數(shù)不可能確切的滿足1hz的要求，產(chǎn)生的信號(hào)是1.2s的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)交流放大器時(shí)，不僅要使放大倍數(shù)能自行循環(huán)，還要能手動(dòng)選擇一個(gè)放大倍數(shù)，并且能從當(dāng)前的放大倍數(shù)進(jìn)入循環(huán)，我一開始考慮得是用鎖存器，但是要

14、保持當(dāng)前狀態(tài)的話，計(jì)數(shù)器還在工作，那么后面的放大電路還在選擇,所以此方法被否決。后來(lái)考慮到計(jì)數(shù)器是靠時(shí)鐘的下降沿工作的，就在555時(shí)鐘發(fā)生器上考慮如何使時(shí)鐘保持輸出，就采取直接清零的方法，此方法的不足在上文已講明。在同學(xué)的幫助下，開始考慮計(jì)數(shù)器方面使得電路保持當(dāng)前放大倍數(shù)，一開始只考慮到上面的方法，直接控制計(jì)數(shù)器的使能和輸入，但上述方法需要知道二進(jìn)制的表達(dá)，如果想要通過(guò)外部直接輸入放大倍數(shù)則只需要再輸入端加一個(gè)編碼器，通過(guò)編碼器給161置數(shù)。 左圖所示，采用此方法后，選擇放大倍數(shù)只需將置數(shù)端的電平置于低電平，此時(shí)即使時(shí)鐘信號(hào)有效，計(jì)數(shù)器也不會(huì)計(jì)數(shù)；當(dāng)置數(shù)端置于高電平的時(shí)候，由當(dāng)前放大倍數(shù)進(jìn)入循環(huán)。4532編碼器將所需的放大倍數(shù)的選擇信號(hào)編碼送至計(jì)數(shù)器的輸入端。（除使能開關(guān)，輸入表示的放大倍數(shù)以此為1、2、3、4倍 ）通過(guò)