張德樹

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、方案分析與設(shè)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(shù)，所以用數(shù)碼管顯示的方式來將實時的放大倍數(shù)顯示出來。于是我利用數(shù)電的知識在原先的電路加了控制、顯示、防抖動、復(fù)位等模塊。

圖1 設(shè)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(yùn)算放大電路、防抖動電路、譯碼顯示電路。

二、單元電路的設(shè)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(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相端之間構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦波振蕩。R3、Rw及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)Rw可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)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(fù)反饋回路里加入非線性元件來自動調(diào)整負(fù)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(dāng)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(fù)反饋系數(shù)有R3、Rw及R4決定；當(dāng)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(lián)，使反饋系數(shù)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(diào)試，利用反相運(yùn)算放大電路。為使集成運(yùn)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(lián)負(fù)反饋電路，經(jīng)過整理后可得輸出電壓U0=-(Rf/Ri)Ui根據(jù)此公式可接出1倍的放大電路，其參數(shù)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(shù)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(jìn)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(guān)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(guān)系不止這一個)，且匹配關(guān)系是當(dāng)82kΩ電阻的開關(guān)閉合時，放大倍數(shù)為1，39kΩ電阻閉合時為2倍的放大倍數(shù)，82kΩ與39kΩ同時閉合為3倍的放大倍數(shù)，依此類推全部閉合開關(guān)時為15倍的放大，82kΩ電阻相應(yīng)開關(guān)為8421BCD碼的高位，10kΩ電阻的開關(guān)為8421BCD碼的低位，由此可知82kΩ,39kΩ,20kΩ,10kΩ 電 阻 的 開 關(guān) 閉 合 與 斷 開 與8421BCD碼的邏輯運(yùn)算完全相同。

2、可編程控制原理

因為開關(guān)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(shù)需要根據(jù)BCD碼形式閉合相應(yīng)的開關(guān)，由于這樣不易于非專業(yè)人員的讀取放大倍數(shù)，所以選擇用按鍵加1的形式來進(jìn)行調(diào)節(jié)。按鍵加1是利用16進(jìn)制計數(shù)器74LS161進(jìn)行計數(shù)，可得到16種狀態(tài)，為了方便控制四個開關(guān)的閉合與斷開就利用繼電器作為開關(guān)，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(guān)，74LS161輸出的16種狀態(tài)可以實現(xiàn)相應(yīng)繼電器的斷開與吸合，即開關(guān)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(shù)加相應(yīng)的加1。

表1 放大電路放大倍數(shù)與74LS161輸出信號的關(guān)系

3、可編程控制電路

采用74LS161為可預(yù)置的4位二進(jìn)制同步計數(shù)器，當(dāng)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(yù)置是同步的。當(dāng)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(shù)據(jù)輸入端D0－D3相一致。當(dāng)CLOCK由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制端ENP、ENT為高電平，則LOAD應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而74LS161無此種限制。74LS161的計數(shù)是同步的，CLOCK同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的?？慨?dāng)ENP、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(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于74LS161，只有當(dāng)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(guān)。74LS161有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)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(lián)成N位同步計數(shù)器。對于74LS161，在CLOCk出現(xiàn)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(shù)、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(shù)，所以用數(shù)碼管顯示的方式來將實時的放大倍數(shù)顯示出來，顯示0-15這16個數(shù)字我將利用2個十進(jìn)制計數(shù)器74LS192作為計數(shù)芯片，即按鍵按一次有一個脈沖進(jìn)來作為計數(shù)器加1，當(dāng)個位計數(shù)器計到9時，再來一個脈沖，則74LS192有一個進(jìn)位輸出端脈沖送給十位計數(shù)器，則十位計數(shù)器加1.當(dāng)計數(shù)計到15時再來一個脈沖就將顯示清零。我們?nèi)∈挥嫈?shù)器的最低位及個位的低兩位和第三位經(jīng)過3輸入端與非門74LS10送給計數(shù)器的預(yù)置端（注：十位計數(shù)器信號為0001，個位的信號為0110，即為十進(jìn)制數(shù)16，由于74LS192是同步十進(jìn)制計數(shù)器所以當(dāng)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(shù)碼管就可以實現(xiàn)顯示功能。本部分電路見圖5。

（四）防抖動及復(fù)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(shù)器的時鐘端接到按鍵上，由于調(diào)節(jié)信號每次只加1，若此時的放大倍數(shù)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(shù)，若加一個復(fù)位開關(guān)則只需按下復(fù)位開關(guān)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(fù)位開關(guān)。要想使輸出的放大倍數(shù)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(shù)器的復(fù)位端接到一起，再利用按鍵進(jìn)行復(fù)位。

計數(shù)器脈沖端的時鐘信號是利用按鍵實現(xiàn)的，由于按鍵按下時會產(chǎn)生多次閉合或斷開，即為開關(guān)的抖動，由于按鍵抖動所以按鍵按一次，計數(shù)器加的可能不是1，所以不能準(zhǔn)確的進(jìn)行加1調(diào)節(jié)，為了克服這一缺點就設(shè)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(dāng)開關(guān)置于A時為0，為1，若在開關(guān)閉合時出現(xiàn)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(xiàn)了按鍵防抖動功能，即按鍵按一次只加1.

防抖動電路與復(fù)位電路的設(shè)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(shù)器的時鐘端接到按鍵上，由于調(diào)節(jié)信號每次只加1，若此時的放大倍數(shù)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(shù)，若加一個復(fù)位開關(guān)則只需按下復(fù)位開關(guān)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(fù)位開關(guān)。要想使輸出的放大倍數(shù)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(shù)器的復(fù)位端接到一起，再利用按鍵進(jìn)行復(fù)位。

計數(shù)器脈沖端的時鐘信號是利用按鍵實現(xiàn)的，由于按鍵按下時會產(chǎn)生多次閉合或斷開，即為開關(guān)的抖動，由于按鍵抖動所以按鍵按一次，計數(shù)器加的可能不是1，所以不能準(zhǔn)確的進(jìn)行加1調(diào)節(jié)，為了克服這一缺點就設(shè)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(dāng)開關(guān)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(xiàn)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(jìn)行放大，如果幅度過大的話將會出現(xiàn)失真，所有我們先通過15倍的壓縮電路進(jìn)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(xiàn)失真。

放大器要想得到不同的放大倍數(shù)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(jìn)行控制放大倍數(shù)的，所有我們只要控制各路電阻的通斷就可以實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)了。本打算用模擬電子開關(guān)實現(xiàn)各電阻的通斷，但是實驗室沒有模擬電子開關(guān)，所以采用了繼電器實現(xiàn)此功能。

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

因為計數(shù)信號和放大按鍵的信號需要同時進(jìn)行，所以使兩個信號接在一起，實現(xiàn)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(shù)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(jìn)行對輸入+12V電源進(jìn)行5V穩(wěn)壓得到5V電源供顯示等部分應(yīng)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(rèn)電路正確后，進(jìn)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(shù)碼管顯示了15，表示是現(xiàn)在的放大倍數(shù)。

圖5 15倍放大倍數(shù)的仿真圖

（三）可編程增益放大器的調(diào)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(shù)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(shù)字電子技術(shù)[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(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]蘭吉昌.數(shù)字集成電路應(yīng)用260例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.