电工电子基础课程实验案例设计信息表

课程名称：电子电路综合设计（含电子技术）

**实验题目：**可变增益放大器

课程简要信息：

课程名称：电子技术课程综合设计

学时安排（课内/课外）：（课内28学时/课外4学时）

学生专业、年级：电子工程、信息工程以及通信工程，大学二年级

1.  实验内容与任务（限500字） {#实验内容与任务限500字}

设计和实现一可变增益放大器，指标要求：

1）增益在0～40dB之间，以10dB步进可调；

2）当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz；

3）电压增益误差≤10％；

4）设定增益可以实时显示；

5）输出电压峰峰值≤5V；

6）输入电压峰峰值≤50mV。

扩展要求：

进一步扩大可变增益范围，还可利用单片机，通过编程控制多路电子开关控制增益，进一步缩小放大步距，实现增益和输出电压的同时显示甚至可以实现自动增益控制等。

2.  实验过程及要求（限300字） {#实验过程及要求限300字}

1）学习可变增益放大器的工作原理；

2）根据实验内容、技术指标以及实验室现有条件，选取单元电路及元件，考虑好两种以上的设计方案，通过论证与比较得到较好的实施方案；

3）计算和选取单元电路的元件参数，绘制出相应的模块原理图和总电路原理图，并分析工作原理；利用Multisim或者Proteus电路仿真软件进行仿真；

4）焊接电路，并进行调试。调试前应设计电路的调试方案，并按步骤进行调试，注意先调试基本单元电路，再进行系统联调；

5）根据实验内容与任务中提出的指标要求逐项验收实验结果；

6）撰写实验报告。

3.  相关知识及背景（限150字） {#相关知识及背景限150字}

实验涉及知识、方法、技能

可变增益放大器广泛用于多种远程检测和通信设备中，如超声波、雷达、激光雷达、无线通信、语音分析等应用都采用可变增益来增强动态性能。该案例是一个运用数字和模拟电子技术解决工程实际问题的典型案例，需要运用运算放大器、触发器、开关控制、数据显示器、DA转换器等相关知识与技术方法，并鼓励学生提前学习和使用单片机技术。

4.  教学目标与目的（限100字） {#教学目标与目的限100字}

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在较为完整的工程项目实施过程中引导学生加深对可变增益放大器的性能和特点的理解；掌握电子系统的设计、调试、评估和分析方法；提高课程知识的综合运用能力；培养科研能力以及良好的工程素养；锻炼协作、沟通以及查阅资料的能力。

5.  教学设计与引导 {#教学设计与引导}

实验前讲课内容，如：知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的指导或引导。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践过程，需要经历学习研究、方案设计、方案论证、设计调试、测试验收、总结答辩等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导。

1）学习可变增益放大器的基本原理和应用背景；

2）掌握常用集成芯片的选型；

3）学会利用集成运算放大器构成放大电路的方法，重点学习如何控制电路的元件参数调整增益的方法；

4）学会集成多路模拟开关的使用方法，重点学会将集成多路模拟开关分别接入运放的反馈电阻网络来调整增益的方法；

5）掌握机械开关或者机械键盘消抖电路的一般设计方法，重点学会利用触发器设计数字消抖电路的方法。如果选择使用单片机，学会软件消抖的方法；

6）掌握数字显示的基本方法，可以自行选择LED数码管显示或者液晶显示。

7）学习D/A转换器的基本工作原理和集成D/A转换器的基本使用方法，重点学会通过单片机控制DAC输入数据实现放大器增益的程控改变方法；

8）本实验主要以模拟电路、数字电路的基本知识为基础，采用模块化的设计方法，使学生能够综合运用所学知识，构建应用系统。同时也给学有余力的同学提供进一步自学拓展的空间，可以把单片机系统等后续课程知识的应用提前；

9）还可以组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案的特点，进一步拓宽知识面；

10）在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

6.  实验原理及方案 {#实验原理及方案}

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的技术、电路、器件。

1）实验原理

可变增益放大器的基本原理比较简单，通常是在由运放构成的一般放大器（同相或者反相型放大器）的基础上，通过改变其反馈电阻或输入电阻，即可改变放大器的增益。

图1为运放构成的反相放大器，其增益为：

(1)

图1 运放构成的反相放大器

若利用开关S1，S2，...，Sn来控制其反馈电阻，如图2，开关闭合表示逻辑1，开关断开表示逻辑0，即可实现对放大电路增益的控制。其增益为

(2)

图2 由开关控制的可变增益放大器

这里的开关可以是继电器、模拟开关，或者通过数字逻辑控制来实现的数字开关，也可以是用编程控制来实现的程控开关。

还可利用电阻网络型DAC内含的R-2R电阻网络,作为运放的反馈电阻或输入电阻,通过控制DAC的输入数据来改变输出电流的大小,实现放大器增益的程控改变。如图3所示，由于虚短虚断且虚地，10位DAC满足：

(3)

通过运算放大器将电流转换成电压输出，因为，，得

(4)

其中d9~d0为DAC对应的10位输入，N为其对应的十进制数。

图3 由DAC和运算放大器构成的可变增益放大器

此外，还可利用多片DAC实现更灵活的增益控制。图4中(DAC)A和 (DAC)B分别用作可变输入电阻和可变反馈电阻，NA、NB分别为来自单片机控制的(DAC)A、 (DAC)B的数字输入量。该电路的增益为

(5)

图4 用双DAC构成的程控增益放大器

2）系统结构

图5 可变增益放大器系统结构

3）实现方案

图6 可变增益放大器实现方案

(1)集成运放构成一般放大器的设计

集成运放构成的一般放大器通常有同相放大器、反相放大器和差分放大器。同相放大器输入阻抗高，缺点是只能放大不能衰减，且存在共模输入分量，对运放的共模抑制比参数要求较高。反相放大器既可以放大又可以衰减，对运放的共模抑制比参数要求低，缺点是输入阻抗比较低。差分放大器的共模抑制比很高，要注意的是单运放构成的差分放大器存在两路通道输入阻抗不平衡的缺点，因此通常采用三运放构成差分放大器，性能优越，对外部电阻的匹配要求不高。

(2)控制模块的设计

控制模块是可变增益放大器的关键，通过改变一般放大器的反馈电阻或输入电阻，来改变放大器的增益。可以采用继电器、集成多路模拟开关CD4051或者数字电位器来控制一般放大器的电阻网络，用拨码开关或者微动开关来控制CD4051的输入即选择放大器的增益。在使用模拟开关时，需要注意模拟开关的导通电阻对放大器增益的影响，并注意防抖电路的设计。还可使用单片机控制DAC的电阻网络来改变增益，用键盘来选择放大器的增益。

(3)数字显示电路的设计

在数字显示形式上，有LED数码管显示、液晶显示（LCD）等形式。数码管显示方式可以采用静态显示方式和动态显示方式。当数码管显示器工作在静态显示方式时，共阴极（或共阳极）点必须连接在一起接地（或电源正极）；当数码管显示器工作在动态显示方式时，需解决显示闪烁和亮度不足的问题。

(4)DAC电路的设计

DAC电路的基本功能是将输入的数字量D转换成与之唯一对应的模拟电压量。使用时要综合考虑分辨率、转换精度及外接电阻等方面的要求。

(5)实验拓展

可利用单片机，通过编程控制多路电子开关控制增益，进一步缩小放大步距，实现增益和输出电压的同时显示甚至可以实现自动增益控制等。

教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

8.  实验报告要求 {#实验报告要求}

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析

2）实验方案论证

3）电路设计：

(1)电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理；

(2)各单元电路结构、工作原理，参数计算和元器件选择说明

(3)完整的电路仿真图以及需要的元器件清单

4）制定电路测试方法，包括：

(1)使用的主要仪器和仪表

(2)调试电路的方法和技巧

(3)测试结果分析

(4)调试中出现的故障、原因分析及排除方法。

5）实验总结

(1)阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法

(2)总结设计电路和方案的优缺点

(3)分享实验的收获、体会及展望

6）参考文献

9.  考核要求与方法（限300字） {#考核要求与方法限300字}

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）仿真预习：利用仿真软件，完成实验各单元电路的仿真，提交仿真波形及元器件清单。

2）实物验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。

3）实验质量：电路方案的合理性，电路连接质量，布局的规范合理性等。

4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力，实现电路的简洁性。

5）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。选择的集成芯片是否为主流品种；是否容易采购且低成本；片内资源是否已得到有效利用。

6）实验数据：测试数据和测量误差。设计制作过程中，单元电路得到的测试结果；设计制作完成后，整个电路得到的测试结果。

7）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

10.  项目特色或创新（限150字） {#项目特色或创新限150字}

1）与实验室的日常仪器使用紧密相连，培养学生运用所学知识解决日常问题的习惯；

3）仿照项目实施流程开展实验，培养学生的工程素养、分析解决问题的能力等；

2）多样化的实现方法和多层次的实验任务，可以充分发挥学生的自主能动性，满足不同层次学生的发展需求。

参赛选手信息表