简易的可编程增益放大器电路的设计

2013-09-18张德树

滁州职业技术学院学报 2013年1期

关键词：高电平计数器倍数

张德树

（滁州职业技术学院，安徽滁州 239000）

一、方案分析与设计

计方案是反向放大如图1所示，为了让使用者更直观的看到实时的放大倍数，所以用数码管显示的方式来将实时的放大倍数显示出来。于是我利用数电的知识在原先的电路加了控制、显示、防抖动、复位等模块。

图1 设计方案框图

本方案电路主要分为几个部分：RC振荡器、可编程控制电路、运算放大电路、防抖动电路、译码显示电路。

二、单元电路的设计

（一）RC振荡器电路

RC桥式正弦波电路如下图2所示。其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相端之间构成正反馈，以产生正弦波振荡。R3、Rw及R4组成负反馈网络，调节Rw可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

图2 RC振荡器的原理图

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数有R3、Rw及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在两个半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

（二）可编程控制放大电路

1、可控制放大基本原理电路为了满足1～15倍的放大，将需要输入信号为正弦波来调试，利用反相运算放大电路。为使集成运算放大器工作在线性区，所以在输出端与反相端接了一个反馈电阻Rf，该电路为电压并联负反馈电路，经过整理后可得输出电压U0=-(Rf/Ri)Ui根据此公式可接出1倍的放大电路，其参数为Rf=20K,R1=10K，输出U0=2，且输出和输入为反相，若想得到1～5倍的放大倍数需要接15个不同比例的电路，因此成本比较高所以我用4个反相输入端与Rf反馈电阻进行匹配，如图3为电路接法：

图3 可编程放大基本原理图

4个开关断开与闭合可得到不同的阻值，16种阻值中阻值为0即为反相端与输入电阻属于断开状态，Rf与剩余15中状态相除得到1～15倍的放大，我们可以选择：10kΩ,20kΩ,39kΩ,82kΩ,Rf为 82kΩ(匹配关系不止这一个)，且匹配关系是当82kΩ电阻的开关闭合时，放大倍数为1，39kΩ电阻闭合时为2倍的放大倍数，82kΩ与39kΩ同时闭合为3倍的放大倍数，依此类推全部闭合开关时为15倍的放大，82kΩ电阻相应开关为8421BCD码的高位，10kΩ电阻的开关为8421BCD码的低位，由此可知82kΩ,39kΩ,20kΩ,10kΩ 电阻的开关闭合与断开与8421BCD码的逻辑运算完全相同。

2、可编程控制原理

因为开关的闭合与断开的匹配公式为8421BCD码想匹配所以选择放大倍数需要根据BCD码形式闭合相应的开关，由于这样不易于非专业人员的读取放大倍数，所以选择用按键加1的形式来进行调节。按键加1是利用16进制计数器74LS161进行计数，可得到16种状态，为了方便控制四个开关的闭合与断开就利用继电器作为开关，继电器线圈的一端接在电源上另一端用NPN型三极管作为开关，74LS161输出的16种状态可以实现相应继电器的断开与吸合，即开关的断开与闭合满足了本项目所需要的控制功能，即按键按一次放大倍数加相应的加1。

表1 放大电路放大倍数与74LS161输出信号的关系

3、可编程控制电路

采用74LS161为可预置的4位二进制同步计数器，当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。161的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，CLOCK在上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端D0－D3相一致。当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。74LS161的计数是同步的，CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。靠当ENP、ENT均为高电平时，在CLOCK上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于74LS161，只有当CLOCk为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而 74LS161的 ENP、ENT跳变与 CLOCK无关。74LS161有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q1的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。对于74LS161，在CLOCk出现前，即使ENP、ENT、CLEAR发生变化，电路的功能也不受影响，本部分电路见图4。

（三）计数、译码、显示电路

为了让使用者更直观的看到实时的放大倍数，所以用数码管显示的方式来将实时的放大倍数显示出来，显示0-15这16个数字我将利用2个十进制计数器74LS192作为计数芯片，即按键按一次有一个脉冲进来作为计数器加1，当个位计数器计到9时，再来一个脉冲，则74LS192有一个进位输出端脉冲送给十位计数器，则十位计数器加1.当计数计到15时再来一个脉冲就将显示清零。我们取十位计数器的最低位及个位的低两位和第三位经过3输入端与非门74LS10送给计数器的预置端（注：十位计数器信号为0001，个位的信号为0110，即为十进制数16，由于74LS192是同步十进制计数器所以当这个信号来时就被清零了），然后将两个74LS192的输出信号接到两个7端译码显示器74LS247的输入端，其74LS247的输出端接两个数码管就可以实现显示功能。本部分电路见图5。

（四）防抖动及复位电路

由于此脉冲信号与74LS161的脉冲信号完全一样所以将两个计数器的时钟端接到按键上，由于调节信号每次只加1，若此时的放大倍数为3倍，却想得到两倍的放大，则要按15次按键才能得到2倍的放大倍数，若加一个复位开关则只需按下复位开关然后再按两次按键便可得到2倍的放大，因此我加了一个复位开关。要想使输出的放大倍数为0，则74LS161的控制输出全为0且74LS192也要输出为0，所以将三个计数器的复位端接到一起，再利用按键进行复位。

计数器脉冲端的时钟信号是利用按键实现的，由于按键按下时会产生多次闭合或断开，即为开关的抖动，由于按键抖动所以按键按一次，计数器加的可能不是1，所以不能准确的进行加1调节，为了克服这一缺点就设计了一个防抖动电路。其抖动的原理是两个与非门组成的RS触发器，当开关置于A时为0，为1，若在开关闭合时出现抖动即和全为1，触发器为保持状态，所以对输出没有影响，实现了按键防抖动功能，即按键按一次只加1.

防抖动电路与复位电路的设计原理：由于此脉冲信号与74LS161的脉冲信号完全一样所以将两个计数器的时钟端接到按键上，由于调节信号每次只加1，若此时的放大倍数为3倍，却想得到两倍的放大，则要按15次按键才能得到2倍的放大倍数，若加一个复位开关则只需按下复位开关然后再按两次按键便可得到2倍的放大，因此我加了一个复位开关。要想使输出的放大倍数为0，则74LS161的控制输出全为0且74LS192也要输出为0，所以将三个计数器的复位端接到一起，再利用按键进行复位。

计数器脉冲端的时钟信号是利用按键实现的，由于按键按下时会产生多次闭合或断开，即为开关的抖动，由于按键抖动所以按键按一次，计数器加的可能不是1，所以不能准确的进行加1调节，为了克服这一缺点就设计了一个防抖动电路。其抖动的原理是两个与非门组成的RS触发器，当开关置于A时RD和SD全为1，触发器为保持状态，所以对输出没有影响，实现了按键防抖动功能，即按键按一次只加1。