簡易的可編程增益放大器電路的設計

張德樹

（滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000）

一、方案分析與設計

計方案是反向放大如圖1所示，為了讓使用者更直觀的看到實時的放大倍數，所以用數碼管顯示的方式來將實時的放大倍數顯示出來。于是我利用數電的知識在原先的電路加了控制、顯示、防抖動、復位等模塊。

圖1 設計方案框圖

本方案電路主要分為幾個部分：RC振蕩器、可編程控制電路、運算放大電路、防抖動電路、譯碼顯示電路。

二、單元電路的設計

（一）RC振蕩器電路

RC橋式正弦波電路如下圖2所示。其中R1、C1和R2、C2為串、并聯選頻網絡，接于運算放大器的輸出與同相端之間構成正反饋，以產生正弦波振蕩。R3、Rw及R4組成負反饋網絡，調節(jié)Rw可改變負反饋的反饋系數，從而調節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。

圖2 RC振蕩器的原理圖

為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負反饋回路里加入非線性元件來自動調整負反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個二極管D1，D2便是穩(wěn)幅元件。當輸出電壓的幅度較小時，電阻R4兩端的電壓低，二極管D1、D2截止，負反饋系數有R3、Rw及R4決定；當輸出電壓的幅度增加到一定程度時，二極管D1、D2在兩個半周輪流工作，其動態(tài)電阻與R4并聯，使反饋系數加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。

（二）可編程控制放大電路

1、可控制放大基本原理電路為了滿足1～15倍的放大，將需要輸入信號為正弦波來調試，利用反相運算放大電路。為使集成運算放大器工作在線性區(qū)，所以在輸出端與反相端接了一個反饋電阻Rf，該電路為電壓并聯負反饋電路，經過整理后可得輸出電壓U0=-(Rf/Ri)Ui根據此公式可接出1倍的放大電路，其參數為Rf=20K,R1=10K，輸出U0=2，且輸出和輸入為反相，若想得到1～5倍的放大倍數需要接15個不同比例的電路，因此成本比較高所以我用4個反相輸入端與Rf反饋電阻進行匹配，如圖3為電路接法：

圖3 可編程放大基本原理圖

4個開關斷開與閉合可得到不同的阻值，16種阻值中阻值為0即為反相端與輸入電阻屬于斷開狀態(tài)，Rf與剩余15中狀態(tài)相除得到1～15倍的放大，我們可以 選擇：10kΩ,20kΩ,39kΩ,82kΩ,Rf為 82kΩ(匹配關系不止這一個)，且匹配關系是當82kΩ電阻的開關閉合時，放大倍數為1，39kΩ電阻閉合時為2倍的放大倍數，82kΩ與39kΩ同時閉合為3倍的放大倍數，依此類推全部閉合開關時為15倍的放大，82kΩ電阻相應開關為8421BCD碼的高位，10kΩ電阻的開關為8421BCD碼的低位，由此可知82kΩ,39kΩ,20kΩ,10kΩ 電 阻 的 開 關 閉 合 與 斷 開 與8421BCD碼的邏輯運算完全相同。

2、可編程控制原理

因為開關的閉合與斷開的匹配公式為8421BCD碼想匹配所以選擇放大倍數需要根據BCD碼形式閉合相應的開關，由于這樣不易于非專業(yè)人員的讀取放大倍數，所以選擇用按鍵加1的形式來進行調節(jié)。按鍵加1是利用16進制計數器74LS161進行計數，可得到16種狀態(tài)，為了方便控制四個開關的閉合與斷開就利用繼電器作為開關，繼電器線圈的一端接在電源上另一端用NPN型三極管作為開關，74LS161輸出的16種狀態(tài)可以實現相應繼電器的斷開與吸合，即開關的斷開與閉合滿足了本項目所需要的控制功能，即按鍵按一次放大倍數加相應的加1。

表1 放大電路放大倍數與74LS161輸出信號的關系

3、可編程控制電路

采用74LS161為可預置的4位二進制同步計數器，當清除端CLEAR為低電平時，不管時鐘端CLOCK狀態(tài)如何，即可完成清除功能。161的預置是同步的。當置入控制器LOAD為低電平時，CLOCK在上升沿作用下，輸出端QA－QD與數據輸入端D0－D3相一致。當CLOCK由低至高跳變或跳變前，如果計數控制端ENP、ENT為高電平，則LOAD應避免由低至高電平的跳變，而74LS161無此種限制。74LS161的計數是同步的，CLOCK同時加在四個觸發(fā)器上而實現的?？慨擡NP、ENT均為高電平時，在CLOCK上升沿作用下Q0－Q3同時變化，從而消除了異步計數器中出現的計數尖峰。對于74LS161，只有當CLOCk為高電平時，ENP、ENT才允許由高至低電平的跳變，而 74LS161的 ENP、ENT跳變與 CLOCK無關。74LS161有超前進位功能。當計數溢出時，進位輸出端（RCO）輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q1的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯成N位同步計數器。對于74LS161，在CLOCk出現前，即使ENP、ENT、CLEAR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響，本部分電路見圖4。

（三）計數、譯碼、顯示電路

為了讓使用者更直觀的看到實時的放大倍數，所以用數碼管顯示的方式來將實時的放大倍數顯示出來，顯示0-15這16個數字我將利用2個十進制計數器74LS192作為計數芯片，即按鍵按一次有一個脈沖進來作為計數器加1，當個位計數器計到9時，再來一個脈沖，則74LS192有一個進位輸出端脈沖送給十位計數器，則十位計數器加1.當計數計到15時再來一個脈沖就將顯示清零。我們取十位計數器的最低位及個位的低兩位和第三位經過3輸入端與非門74LS10送給計數器的預置端（注：十位計數器信號為0001，個位的信號為0110，即為十進制數16，由于74LS192是同步十進制計數器所以當這個信號來時就被清零了），然后將兩個74LS192的輸出信號接到兩個7端譯碼顯示器74LS247的輸入端，其74LS247的輸出端接兩個數碼管就可以實現顯示功能。本部分電路見圖5。

（四）防抖動及復位電路

由于此脈沖信號與74LS161的脈沖信號完全一樣所以將兩個計數器的時鐘端接到按鍵上，由于調節(jié)信號每次只加1，若此時的放大倍數為3倍，卻想得到兩倍的放大，則要按15次按鍵才能得到2倍的放大倍數，若加一個復位開關則只需按下復位開關然后再按兩次按鍵便可得到2倍的放大，因此我加了一個復位開關。要想使輸出的放大倍數為0，則74LS161的控制輸出全為0且74LS192也要輸出為0，所以將三個計數器的復位端接到一起，再利用按鍵進行復位。

計數器脈沖端的時鐘信號是利用按鍵實現的，由于按鍵按下時會產生多次閉合或斷開，即為開關的抖動，由于按鍵抖動所以按鍵按一次，計數器加的可能不是1，所以不能準確的進行加1調節(jié)，為了克服這一缺點就設計了一個防抖動電路。其抖動的原理是兩個與非門組成的RS觸發(fā)器，當開關置于A時為0，為1，若在開關閉合時出現抖動即和全為1，觸發(fā)器為保持狀態(tài)，所以對輸出沒有影響，實現了按鍵防抖動功能，即按鍵按一次只加1.

防抖動電路與復位電路的設計原理：由于此脈沖信號與74LS161的脈沖信號完全一樣所以將兩個計數器的時鐘端接到按鍵上，由于調節(jié)信號每次只加1，若此時的放大倍數為3倍，卻想得到兩倍的放大，則要按15次按鍵才能得到2倍的放大倍數，若加一個復位開關則只需按下復位開關然后再按兩次按鍵便可得到2倍的放大，因此我加了一個復位開關。要想使輸出的放大倍數為0，則74LS161的控制輸出全為0且74LS192也要輸出為0，所以將三個計數器的復位端接到一起，再利用按鍵進行復位。

計數器脈沖端的時鐘信號是利用按鍵實現的，由于按鍵按下時會產生多次閉合或斷開，即為開關的抖動，由于按鍵抖動所以按鍵按一次，計數器加的可能不是1，所以不能準確的進行加1調節(jié)，為了克服這一缺點就設計了一個防抖動電路。其抖動的原理是兩個與非門組成的RS觸發(fā)器，當開關置于A時RD和SD全為1，觸發(fā)器為保持狀態(tài)，所以對輸出沒有影響，實現了按鍵防抖動功能，即按鍵按一次只加1。

三、可編程增益放大器總電路

可編程增益放大器的原理圖見下圖4所示：

圖4 可編程增益放大器的原理圖

首先由RC振蕩器振蕩出一個正弦波，振蕩出的正弦波幅度約9V左右。因為我們要信號送到可編程增益放大器進行放大，如果幅度過大的話將會出現失真，所有我們先通過15倍的壓縮電路進行壓縮，使送給可編程增益放大器的信號被放大15倍后不會出現失真。

放大器要想得到不同的放大倍數要使反饋電阻與輸入電阻的比值發(fā)生變化，又因為可編程增益放大器是利用BCD碼的形式進行控制放大倍數的，所有我們只要控制各路電阻的通斷就可以實現不同的放大倍數了。本打算用模擬電子開關實現各電阻的通斷，但是實驗室沒有模擬電子開關，所以采用了繼電器實現此功能。

為了更方便的讀出放大器的放大倍數，所有我在電路上加了一個放大倍數顯示模塊，此模塊主要利用10禁制計數器74LS192、7段譯碼器74LS247、共陽極數碼管和3輸入與非門74LS10來實現改模塊的功能。

因為計數信號和放大按鍵的信號需要同時進行，所以使兩個信號接在一起，實現同步控制。

因為放大器的芯片需要±12V電源，顯示模塊和控制模塊的計數器74LS161需要+5V電源，測試的話需要三組不同的電源，為了測試的方便所有我用7805穩(wěn)壓器進行對輸入+12V電源進行5V穩(wěn)壓得到5V電源供顯示等部分應用。

四、電路仿真

利用Proteus軟件，在原理圖窗口繪制電路圖，在確認電路正確后，進行仿真，如圖5所示，為74LS161輸出1111代碼時，輸出信號與輸出信號的對比，并且數碼管顯示了15，表示是現在的放大倍數。

圖5 15倍放大倍數的仿真圖

（三）可編程增益放大器的調試

通過組裝后，通上電源，如圖6的（a）圖和（b）圖分別顯示的是放大倍數是1倍和15倍時的情況。

圖6 電路實物圖及輸出信號情況

[1]卜錫濱.數字電子技術[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]卜錫濱.電路與模擬電子技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]蘭吉昌.數字集成電路應用260例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.