东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路实验第2次实验实验名称：增益自动切换电压放大电路的设计院（系）：自动化学院专业：自动化姓名：某某学号：*****实验室: 101 实验组别：同组人员：实验时间：17年4月12日评定成绩：审阅教师：实验二增益自动切换电压放大电路的设计一、实验内容及要求用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1k Ω，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。
电路应实现的功能与技术指标如下：1.基本要求1）放大器能够具有0.1、1、10三档不同增益，可以用连线改变增益，或者以拨码开关切换增益，或者用模拟电子开关切换增益。
2）输入一个幅度为0.1～10V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.5～5V 范围内，设计电路根据输入信号的情况自动切换调整增益倍率。
3）放大器输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。
2.提高要求输入一个交流信号，频率10kHz，幅值范围为0.1～10V（峰峰值Vpp），要求输出信号电压控制0.5～5V（峰峰值Vpp）的范围内。
分析项目的功能与性能指标：功能：1)实现电压的比较，判断电压处于0.1~0.5、0.5~5、5~10V哪个范围之内。
2)根据判断出的结果将输入信号进行相应的增益放大，0.1~0.5V放大至1~5V,0.5~5V保持不变，5~10V缩小到0.5~1V。
3)实现交流信号的整流滤波以判断峰值处于哪个范围。
4)将交流信号根据峰值电压范围进行相应倍数的增益。
性能指标：1)跳变点为0.5V,5V,误差不能过大。
2)增益分别为10、1、0.1，误差不能过大。
3)交流信号的频率为10KHz,需在电路通频带中。
二、电路设计（预习要求）(1)电路设计思想：分模块设计1）基本要求：电路分为两个模块，比较电路以及增益电路，比较模块将输入的直流信号与0.5V、5V参考电压进行比较，类似于AD转换，获得数字信号。
获得的比较结果通过控制模拟开关的闭合来选择接入运放不同值的电阻R f,以实现不同的增益。
2）提高要求：由于有较小的输入信号幅度，会小于0.5V的导通电压，故需要精密整流滤波电路来获得与幅值相等的直流信号。
整流后的直流电压就可以输入比较模块“AD”转换。
比较后的不同结果控制模拟开关，将不同电阻接入增益电路。
(2)电路结构框图：1）基本要求2）提高要求(3)电路原理图：基本要求：Input模块：1)结构：电压跟随器，用于提高输入阻抗。
2)原理：深度负反馈阻值为0，输出电压与输入电压同幅同相，用于隔离。
比较电路模块：1)采用LM311作为比较器，由于311输出端7是集电极开路（OC），因此需要接一上拉电阻及恒压电源提供工作电压。
上拉的电阻值根据数据手册，IOH ≤10Ua，RC 选择1KΩ比较合适，具体计算为：UO = VCC – IOH*RC，由于实际使用的模拟开关是CD4052并非ADG409，因此工作电压选择是哪个有些区别，选择VCC = 15V,因此UO = VCC – IOH*RC ≥ 15 – 10-5 * 103≈15V,从表达式中也可以看出RC 不能选择过大，否则导致输出电压偏小，当然这对于15V来说还是可以忽略的。
2)参考电压利用电阻分压通过15V电压10KΩ、90KΩ、200KΩ电阻串联得到5V以及0.5V电压。
模拟开关以及增益电路模块：由于Multisim中没有模拟开关4052，因此选用ADG409作为替代仿真，实际性能也是差不多的。
通过比较电路产生的两路选通信号LT5和LT0.5接入模拟开关后，分别对应3,1,0条通路所接电阻分别为1k，10k，100k，作为运放的反馈电阻（实际搭电路时选择的是4052的3y端、1y端、0y端；另外本实验电路的选通信号是单电源输入，即0对应0V、1对应15V，因此实际电路中4052的VEE和VSS端都接地，VDD接+15V）。
由于运放反向输入端的电阻为10k，这样就分别实现了增益-0.1，-1，-10。
再在后面接一个增益为-1的反向比例放大器，就实现了自动切换增益0.1,1,10的功能。
提高要求：在基础要求的基础上，增加精密全波整流电路。
精密全波整流电路：采用全波精密整流电路。
由于输入的交流信号较小（<0.5V）,因此若简单的采用二极管—电容滤波电路会带来误差较大的问题。
通过调节R18大小来得到不同的增益，并且在R18上并联一个电容来滤波。
总电路：注：基本要求无需Full_Wave_Rectify模块(4)电路的仿真结果：1）基本要求十倍增益：输入0.2VDC,输出2VDC信号（红色A通道是输入，蓝色B通道是输出，下同）一倍增益：输入3VDC,输出3VDC信号0.1倍增益：输入7VDC,输出0.7VDC信号传输特性曲线：输入从0~10V的变化电压，用Y/X看两通道之间的关系,下图中横轴为输入，纵轴为输出，斜率分别是10,1,0.12）提高要求十倍增益：输入0.2Vp的正弦信号，输出2Vp的同相正弦信号一倍增益：输入3Vp的正弦信号，输出3Vp的同相正弦信号0.1倍增益：输入6Vp的正弦信号，输出0.6Vp的同相正弦信号三、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：将输入信号、输出信号分别接入示波器CH1、CH2通道。
直流信号由函数发生器直流档输出0.1V~10V信号；交流信号由函数发生器正弦档输出频率10KHz,峰峰值范围0.1V~10V。
先输入0.2V，观察增益；逐步提高电压至0.5V和5V左右观察跳变点，记录输入输出电压（直流）或峰峰值（交流）。
(3)使用的主要仪器和仪表：1）数字存储示波器2）函数信号发生器4）数字万用表5）稳压电源(4)调试电路的方法和技巧：1）需要更换元件时首先把电源断开，接通电源前应先测量VCC、VEE、GND电压值2）分模块调试，对于模拟开关，将地址端直接接高低电平选通指定的开关；将信号输入比较器，看逻辑是否正确；再看增益放大电路，手动将R f从独立于模拟开关外电阻，看是否有相应的增益；再单独调试整流滤波电路，因为电阻并不是十分精确，因此需要通过电位器调节增益，使得滤出来的直流信号与峰峰值十分接近。
3）注重调整跳变点的电压，将输入正弦信号的峰峰值维持在跳变点，然后调节参考电压，直到波形不稳定为止4）搭建电路时自下向上，先调试每一部分电路的正确性，再相互拼接，做总调试。
5）排查错误时自上向下，分模块排查，发现某个模块与预计结果不符时，再在模块内部继续排查。
(5)测试的数据和波形并与设计结果比较分析：十倍增益（下图CH1是输入的0.4V左右信号；CH2是输出信号）由图可算得实际增益为：3.92V/384mV = 10.2一倍增益（下图CH1是输入的4V左右信号；CH2是输出信号）由图可算得实际增益为：3.96V/3.84V = 1.030.1倍增益（下图CH1是输入的7V左右信号；CH2是输出信号）由图可算得实际增益为：748mV/6.64V = 0.11直流(V)10倍增益1倍增益0.1倍增益输入范围输出范围输入范围输出范围输入范围输出范围0.1~0.495 1.045~5.054 0.5~5.05 0.511~5.1095.1~10 0.561~1.097交流(VPP)10倍增益1倍增益0.1倍增益输入范围输出范围输入范围输出范围输入范围输出范围0.1~0.608 0.968~6.20 0.616~4.72 0.64~5 4.84~10 0.548~1.05四、总结(1)阐述设计和实验中遇到的问题、原因分析及解决方法：问题1：关于整流滤波电路电容的选择问题整流滤波电路仿真的时候发现，电容值选小了，整流稳压反应的速度非常快，很快就达到直流的稳定值，但是直流稳压值不是特别稳定，存在在稳定值附近的上下波动；电容值选大了，直流稳压值非常稳定，波动情况不是很明显，但是要达到直流稳压值要一定时间的充电，反应速度不及电容值小的，本实验选择了电容值适中的。
问题2：关于模拟开关CD4052的问题本次实验比较器采用的是LM311，输出0V左右表示逻辑0,8V左右表示逻辑1。
一开始考虑到是单电源将7脚VEE接0，但是单独的模拟开关能正常选择导通但是接上运放后一直无法接通，起初还以为可能是反相放大电路的问题，但是之后我尝试将VEE 接-8V,这是模拟开关和放大电路就能接在一起了。
之后有个异常现象是逻辑1输入A、B端应该是8V左右，但是发现只有2V左右，后来才能先应为模拟开关电路时忘记将VDD 接8V了，导致模拟开关不能正常工作(2)总结设计电路和方案的优缺点：优点电路较为简单，设计模块清晰，并且提高部分都只需在原来基础部分的基础上加一些新的功能即可，可以说基础部分的兼容性较强。
缺点缺点还是有很多，比如增益电路处，第一级反相放大的运放的同相端平衡电阻直接接了100KΩ，这是很不妥的。
CD4052实际上作为一个只用了一排，还要另一排可以做为并联100KΩ以实现平衡电阻与反相端的匹配。
(3)指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望：本实验分为两个部分，也分别对应了两个部分的考察和锻炼。
基本要求主要考察增益自动切换功能的实现，提高要求则主要考察对交流信号的峰峰值的提取。
增益可调还是很有用处的，比如可以将该电路应用于喇叭、音响中。
听音乐时，即时设定在固定的音量，不同的歌曲本身声音强度是不一样的，不同的电视频道也会出现这种现象，不同台切换时，声音有的过强，或者过弱，都需要手动调节，如果增益自动切换可调，那么声音过强时，增益变小，声音强度自动减小，反之改进意见：增加数电部分，锻炼学生的数模转换能力，数电部分可用数码管显示电压等等。
(4)实验的收获和体会：本次实验，进一步加强了模块化实验的思想，先借助Multisim将每个模块设计测试，然后将每个模块整合起来，这样有利于各个击破，出现问题时能够迅速找到是哪个模块出问题了。
例外，软件仿真和实际的硬件搭接调试是有很大区别的，由于电路比较复杂，很可能搭接的时候有些管脚接错位或者没接，另外就是电路搭错等实际问题，这就需要耐心地调试和排查错误。