摘要：
本報(bào)告使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)能夠根據(jù)輸入信號(hào)幅值切換調(diào)整增益的電壓放大電路。輸入信號(hào)可直流可交流，若為交流先通過整流濾波電路變?yōu)橹绷鳎粚⒅绷餍盘?hào)輸入到電壓比較器，通過基準(zhǔn)電壓的狀態(tài)控制模擬開關(guān)的工作狀態(tài)，選擇相應(yīng)的電壓增益進(jìn)行電壓放大；輸入為直流信號(hào)可直接輸出，交流信號(hào)需要再輸入到帶通濾波器后得到輸出。經(jīng)過仿真，電路可實(shí)現(xiàn)輸入U(xiǎn)_i<1V，電路增益為5倍；1V

1 功能描述
根據(jù)題目要求，本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠根據(jù)輸入信號(hào)U_i幅值自動(dòng)切換增益的電壓放大器，具體功能描述：
（1）當(dāng)輸入信號(hào)為直流時(shí)，
當(dāng)U_i<1V時(shí)，電路增益為5倍；
當(dāng)1V 當(dāng)5V 注：不可改變電壓的極性。
（2）當(dāng)輸入信號(hào)為交流時(shí)，
增益滿足直流輸入時(shí)的相同要求；
3dB帶寬為30-15KHz。

當(dāng)輸入信號(hào)為交流信號(hào)時(shí)，先經(jīng)過整流濾波電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)為直流信號(hào)或交流信號(hào)經(jīng)整流濾波后輸入到電壓比較器，通過電壓比較器判斷輸入電壓的大小，決定電壓比較器的輸出，其輸出決定增益電路中模擬開關(guān)的工作狀態(tài)，選擇輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電壓增益進(jìn)行電壓放大。若輸入為直流信號(hào)可直接從模擬信號(hào)的輸出得到輸出信號(hào)；若輸入為交流信號(hào)，則需再輸入到帶通濾波器，使其3dB帶寬為30Hz-15kHz后得到輸出信號(hào)。

2電路設(shè)計(jì)

2.1整流濾波電路模塊設(shè)計(jì)

首先，我們先去掉濾波部分的電容C1，電阻R5的阻值應(yīng)為20kΩ。
（1）當(dāng)輸入信號(hào)U_i>0時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，此時(shí)U1的增益為-R_2/R_1 =-1,所以U_o1=-U_i；這時(shí)電路的輸出信號(hào)U_o=-R_5/R_4 * U_i+R_5/R_3 * U_o1=U_i；
（2）當(dāng)輸入信號(hào)U_i<0時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)U1的增益為0，所以U_o1=0；這時(shí)電路的輸出信號(hào)U_o=-R_5/R_4 * U_i=-U_i。
由上所述，該電路可以實(shí)現(xiàn)整流功能。
在電路中接上電容C1后，可以實(shí)現(xiàn)濾波功能，但是由傅里葉級(jí)數(shù)展開可知，濾出的直流分量為峰值的2/π，為了得到峰峰值，需提高R5的大小，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，最終確定R_5=20×π≈62.8kΩ。

2.2電壓比較電路模塊設(shè)計(jì)

如圖2-2所示，選用兩個(gè)741芯片U3、U4作為電壓比較器。將它們的反相輸入端分別接基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2，這兩個(gè)基準(zhǔn)電壓根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求可知分別為U_REF1=5V和U_REF2=1V。
通過基準(zhǔn)電壓就可以得出R6、R7、R8的值。
U_REF1=VCC* R_8/(R_6+R_7+R_8 )=5V
U_REF2=VCC* (R_7+R_8)/(R_6+R_7+R_8 )=1V
設(shè)R8=10kΩ，可以計(jì)算出R6=100kΩ，R7=40kΩ。
直流電源信號(hào)或經(jīng)過整流濾波電路輸出的直流信號(hào)U_i，同時(shí)加在U3、U4的同相輸入端，U_i與基準(zhǔn)電壓U_REF1和U_REF2進(jìn)行比較，決定它們的輸出U_o1和U_o2是高電平還是低電平。
然后用U_o1和U_o2的狀態(tài)控制模擬開關(guān)的工作狀態(tài)。

2.3增益電路模塊設(shè)計(jì)

增益電路圖中使用了模擬開關(guān)元件ADG409BN，其是一款單芯片CMOS模擬多路復(fù)用器，內(nèi)置4個(gè)差分通道。它根據(jù)2位二進(jìn)制地址線A0和A1所確定地址，將4路差分輸入之一切換至公共差分輸出。該器件提供EN輸入，用來使能或禁用器件。
如圖2-3，U_i為輸入信號(hào)（直流電源或交流電源），U_i1和U_i2分別為電壓比較電路的兩個(gè)輸出信號(hào)。通過U_i1和U_i2的狀態(tài)控制模擬開關(guān)ADG409BN的工作狀態(tài)，切換反饋電阻即可實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。題目中要求的電壓增益分別為5、1、0.5。受模擬開關(guān)的控制，電阻R10、R11、R12與運(yùn)放U5構(gòu)成了反相比例放大電路。我們選定輸入電阻R9=10kΩ，分別可以確定反饋電阻的值為
R_10=5R_9=50kΩ
R_11=R_9=10kΩ
R_12=0.5R_9=5kΩ
由于我們利用U5構(gòu)成了反相比例放大電路，輸出電壓與輸入電壓反相，但題目設(shè)計(jì)要求不可改變電壓極性，因此我們?cè)赨5輸出后又添加了一個(gè)由U8構(gòu)成的增益為-R_19/R_18 =-1的反相比例放大電路，可不改變輸出電壓大小而使輸出電壓與輸入電壓極性相同。

2.4帶通濾波器模塊設(shè)計(jì)

為滿足題目中對(duì)3dB帶寬的要求（30-15kHz），我們通過一個(gè)帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。考慮通過查表法設(shè)計(jì)一個(gè)二階帶通濾波器實(shí)現(xiàn)該電路，采用一級(jí)二階高通濾波器和一級(jí)二階低通濾波器相級(jí)聯(lián)組成二階帶通濾波器。其中，高通濾波器的截止頻率決定帶通濾波器的下限截止頻率，低通濾波器的截止頻率決定帶通濾波器的截止頻率。

（1）高通濾波器的設(shè)計(jì)
題目要求下限截止頻率為f_L=30Hz，根據(jù)查表法選定電容C4=C5=1uF，因此參數(shù)K_L0為
K_L0=100/(f_L×C_4 )≈3.33
所以R16和R17的取值為
R_16=1.125K_L0≈3.75kΩ
R_17=2.251K_L0≈7.5kΩ
將各參數(shù)確定后，可算出該高通濾波器的實(shí)際截止頻率為
f_L=1/(2π√(R_16 R_17 C_4 C_5 ))≈30.03Hz
誤差ε_(tái)L為
ε_(tái)L=(30.03-30)/30=0.1%

（2）低通濾波器的設(shè)計(jì)
題目要求上限截止頻率為f_H=15kHz，根據(jù)查表法選定電容C2=1nF，所以C3=330pF，因此參數(shù)K_H0為
K_H0=100/(f_H×C_4 )≈6.67

所以R14和R15的取值為
R_16=1.422K_H0≈9.5kΩ
R_17=5.399K_H0≈36kΩ
將各參數(shù)確定后，可算出該低通濾波器的截止頻率為
f_H=1/(2π√(R_14 R_15 C_2 C_3 ))≈14.98kHz
誤差ε_(tái)H為
ε_(tái)H=(15-14.98)/15=0.13%

3 電路仿真
3.1整流濾波電路模塊仿真
（1）仿真電路圖

（2）仿真過程及結(jié)果
將圖3-1中的函數(shù)發(fā)生器的輸入信號(hào)設(shè)置為幅值為2V（峰峰值為4V）的正弦波信號(hào)，經(jīng)過整理濾波電路后，得到仿真解果見圖3-2。

圖3-2中，紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)，從圖中可以看到輸入信號(hào)為峰峰值為4V的正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)為4V的直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了整流濾波功能。

3.2電壓比較電路及增益電路模塊仿真
（1）仿真電路圖
本模塊也是當(dāng)輸入信號(hào)為直流時(shí)的增益自動(dòng)切換電壓放大電路。

（2）仿真過程與結(jié)果
a. 當(dāng)直流輸入電壓U_i<1V時(shí)，電路增益為5；選擇U_i=0.5V進(jìn)行驗(yàn)證。

從圖3-4中可以看到，紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)，輸入信號(hào)為0.5V，輸出信號(hào)為2.511V，實(shí)現(xiàn)了電路增益為5的電壓放大。
b. 當(dāng)直流輸入電壓1V

從圖3-5中可以看到，紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)，輸入信號(hào)為2V，輸出信號(hào)為2.013V，實(shí)現(xiàn)了電路增益為1的電壓放大。

c. 當(dāng)直流輸入電壓5V

3.3帶通濾波器電路模塊仿真
（1）仿真電路圖

（2）仿真過程與結(jié)果
設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的輸入信號(hào)為幅值2V、頻率為1kHz的正弦波信號(hào)，點(diǎn)擊運(yùn)行仿真，得到圖3-8。

從圖3-8中可以看出，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)幅值（均為2V左右）、頻率（均為1kHz左右）基本相同。

接下來進(jìn)行交流分析仿真，設(shè)置起始頻率為1Hz，停止頻率為10MHz，掃描類型為十倍頻程，輸出設(shè)置為該電路輸出電壓（V(20)），點(diǎn)擊仿真，得到圖3-9。

從圖3-9中我們可以通過光標(biāo)看到帶通濾波器增益下降3dB的位置并得到表3-1。

表3-1 帶通濾波器交流分析結(jié)果
參數(shù)名稱 |要求值 |實(shí)際值 |誤差
下限截至頻率 |30Hz |30.2787Hz |0.93%
上限截止頻率 |15kHz |14.9798kHz |0.13%

通過結(jié)果可知，該電路可以實(shí)現(xiàn)3dB帶寬為30Hz-15kHz的濾波功能。

3.3整機(jī)電路仿真
（1）仿真電路圖

(2) 仿真過程與結(jié)果
a. 當(dāng)交流輸入信號(hào)為U_i<1V（峰峰值）時(shí)，電路增益為5；選擇峰峰值U_i=0.5V（即幅值為0.25V）的正弦波信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，得到圖3-11。

圖3-11中紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)。輸入信號(hào)的峰峰值為0.5V，輸出信號(hào)的峰峰值為2.47V，滿足電路增益為5的要求。

b. 當(dāng)交流輸入信號(hào)為1V

圖3-12中紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)。輸入信號(hào)的峰峰值約為1.96V，輸出信號(hào)的峰峰值約為1.95V，滿足電路增益為1的要求。

c. 當(dāng)交流輸入信號(hào)為〖5V

圖3-12中紅色曲線表示輸入信號(hào)，藍(lán)色曲線表示輸出信號(hào)。輸入信號(hào)的峰峰值約為7.87V，輸出信號(hào)的峰峰值約為3.95V，滿足電路增益為0.5的要求。

d. 檢驗(yàn)3dB帶寬
設(shè)置輸入信號(hào)為幅值為4V、頻率為1kHz的正弦波交流信號(hào)，進(jìn)行交流分析。設(shè)置起始頻率為1Hz，停止頻率為10MHz，掃描類型為十倍頻程，輸出設(shè)置為該電路輸出電壓（V(20)），點(diǎn)擊仿真，得到圖3-14。

從圖3-14中我們可以通過光標(biāo)看到帶通濾波器增益下降3dB的位置并得到表3-2。
表3-2 帶通濾波器交流分析結(jié)果
參數(shù)名稱 | 要求值 | 實(shí)際值 | 誤差
下限截至頻率 | 30Hz | 30.2239Hz | 0.75%
上限截止頻率 | 15kHz | 14.9183kHz | 0.54%
通過結(jié)果可知，整機(jī)電路中濾波功能良好。
綜上所述，實(shí)現(xiàn)了交流輸入時(shí)的增益自動(dòng)切換電壓放大電路設(shè)計(jì)，且3dB帶寬為30Hz-15kHz。

4 結(jié)論
本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，分別對(duì)整流濾波電路、電壓比較電路、增益選擇電路和帶通濾波電路進(jìn)行了細(xì)致研究，其中了解了模擬開關(guān)特別是ADG409的使用方法。我們?cè)O(shè)計(jì)的整流濾波電路輸出電壓雜質(zhì)含量少，電壓比較電路對(duì)于電壓大小的判斷精準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓附近的電壓也能夠較為準(zhǔn)確判斷，帶通濾波電路的上下限截止頻率誤差都很小（都控制在了1%以內(nèi)）。這個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)切換增益的電壓放大電路。