增益自动切换电压放大电路

电工电子基础课程实验案例设计信息表

1. 实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否有不同层次的要求

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 1kΩ，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，并能够以数字方式切换增益。

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。

2. 提高要求

1） 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。

2） 能显示不同的增益值。

3. 发挥要求

利用数字系统综合设计中 FPGA 构建 AD 采集模块，来实现程控增益放大器的设计。

2. 实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在自学预习、思考讨论、设计电路、软件仿真、构建平台、选择器件、设计过程、设计表格、观察现象、测试数据、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 根据实验内容、技术指标及实验室现有条件，自选方案设计出原理图，分析工作原理、计算元件参数。利用 Multisim 软件进行仿真，并优化设计。

2. 实际搭试所设计电路，使之达到设计要求。

3. 按照设计要求对调试好的硬件电路进行测试，记录测试数据，分析电路性能指标。

4. 撰写实验报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。。

3. 相关知识及背景（限150字）

实验涉及知识、方法、技能

增益自动切换电压放大电路在信号调整与控制电路具有广泛的用途，也是放大器的基本应用电路之一，本实验需要运用模拟电路技术、信号检测技术、信号处理、模数信号转换、数据显示等相关知识与技术方法。并涉及运算放大器设计、计算机软件仿真、硬件调试及抗干扰等概念与方法。

4. 教学目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在较为完整的项目实现过程中由浅入深引导学生了解运算放大器的设计和实现方法的多样性及根据需求比较和选择合理的技术方案；引导学生设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

5. 实验教学与指导

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。

增益自动切换电压放大电路的设计实验是一个对运算放大器综合应用的实验工程，也是引导学生对程控增益放大器的原型设计和深入理解的拓展项目，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实验调试、现场测试、设计总结等过程。在实验教学中，在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 指导学生对设计任务进行具体分析，充分理解实验项目的需求、每项指标的含义，并在此基础上查阅资料，广开思路，提出尽量多的方案。

2. 引导学生对设计方案进行可行性分析和比较选择，选取合理的设计方案。

3. 将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理、各单元电路的功能、信号的流向及各单元电路间的关系。

4. 学习增益控制的基本方法，运算放大器增益主要取决于反馈电阻与输入端电阻的比值关系，改变增益实质上主要就是改变反馈电阻的阻值。改变反馈电阻的方法主要有继电器切换、模拟开关切换、DAC内部电阻网络等方法，比较这几种方法对放大器指标的影响。

5. 学习检测判断输入信号的方法，由于限制了输出信号的幅度范围，因此必须根据输入信号的幅度来决定放大器的增益，直流信号检测比较简单，要引导学生思考交流信号的幅值检测，并比较不同方法的特点。

6. 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

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，要注意测试环境、仪器仪表对系统指标的影响，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。

根据实验任务的指标要求有两种基本的电路结构，即同相放大和反相放大，同时，由于输出信号的限幅，对信号的放大和衰减次序要根据需要安排，并设计合理的放大和衰减倍数，在做上述选择的时候要充分考虑现有元器件资源和电路的结构的特点，如果采用同相比例电路，为了使得增益可以分别达到0.1,1,10，可以采取先将信号衰减10倍，然后分别放大1,10,100倍的方法来达到要求，但是在10KHz频率下有增益带宽积的限制，信号不能放大到100倍，可以让信号先衰减到1倍（即不衰减），而不是10倍，然后再通过运算放大器放大10倍。同时，同相比例放大电路的增益特点给增益电阻网络的取值带来困难，其中一种解决办法是让信号先衰减为，然后分别放大1.1倍、11倍，这同样实现了0.1倍、1倍的增益，仅使用1K、10K的电阻就实现了相同的功能，且理论上没有电阻阻值引起的误差。在这些设计的细节上可以引导学生深入思考并拓展出新方法和新思路。

改变增益实质上主要就是改变反馈电阻的阻值。改变反馈电阻的阻值的方法有继电器切换、模拟开关（ADG409、74HC4052）切换、数字电位器（CAT5132）、DAC内部电阻网络等。不同的方法的电路结构不同，同时引入“驱动电路”概念，并引导学生关注切换开关放在不同的位置时其内阻给系统带来误差的思考和分析。

增益的选择取决于输入信号的幅值，对于直流信号，比较器是比较常用的幅值分级方法，而交流信号的幅值检测方法有半波或全波整流峰值检测、直接交流峰值检测、ADC转换，其中ADC转换宜采用单片机或在PLD器件中设计控制器，可以引导学生在后续的时间继续深入思考、设计和实现。

在增益的数字显示形式上，也有数码管、字符型LCD等形式，也可以将模拟信号通过一组比较器直接驱动灯柱显示，其中LCD显示同样需要控制器控制，可稍做引导。

搭建测试环境是实验的一个组成部分，可以按照实验要求逐点输入信号观察输出信号是否满足指标，也可以输入缓慢变化（如0.1Hz的三角波新号、正弦波信号）来观察输出指标，也可以自制电路模块搭建测试环境。

本实验实现了增益自动切换电压放大电路的设计，专用的程控增益放大器（PGA）如AD603、PGA103、PGA112等就是在此原理上完成的集成芯片，今后的学习和设计中，可以加深此类型电路的理解，并根据需要进行选型。

7. 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）分析项目的功能与性能指标。

2）电路设计，包括：

• 电路设计思想，电路结构框图与系统工作原理。

• 各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明。

• 电路的仿真与优化。

3）画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。

4）制定实验测量方案。

5）安装调试，包括：

• 使用的主要仪器和仪表。

• 调试电路的方法和技巧。

• 测试的数据和波形并与设计结果比较分析。

• 调试中出现的故障、原因及排除方法。

6）总结：

• 阐述设计中遇到的问题、原因分析及解决方法。

• 总结设计电路和方案的优缺点。

• 指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望。

• 实验的收获和体会。

7）列出系统需要的元器件清单。

8）列出参考文献。

8. 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） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如温度测量精度、控制精度），完成时间。

2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3） 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。

4） 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。

5） 实验数据：测试数据和测量误差。

6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

9. 项目特色或创新（限150字）

项目的特色在于：实验背景的工程性，知识应用的拓展性和综合性，实现方法的多样性，让学生感觉到模电实验与现实世界联系紧密，激发学生的学习兴趣和深入思考的动力。

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