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增益可自动变换的放大器设计
一、 设计要求
1、 放大器增益可在1倍→2倍→3倍→4倍四档间巡回切换，切换频率为1赫兹。
2、 能够对任意一种增益进行选择和保持（演示：控制某个增益保持时间为4秒）。
二、 设计方案
1、 方案图：

2、 功能说明：
此电路由电源电路，时钟脉冲产生电路，具有延时功能的脉冲产生、反相电路、计数电路、译码驱动电路、数码显示电路、具有选择功能的电路、电阻网络以及放大电路九部分组成。
增益可自动变换的放大器是通过以下方式来实现其功能的：时钟脉冲产生电路控制增益的切换频率，并通过计数电路对某一种增益进行选择；具有延时功能的脉冲产生电路通过对计数电路使能端的控制达到对某一种增益保持的目的；通过译码驱动显示电路显示不同的放大倍数；通过计数电路输出的信号控制具有选择功能的电路来实现不同反馈电阻的接入，从而实现了不同增益范围的切换。
三、 电路设计与分析
1、 时钟脉冲产生电路、具有延时功能的脉冲产生电路及反向电路
该部分电路的核心器件是555定时器，其中，时钟脉冲产生电路是由555定时器组成的多谐震荡器，具有延时功能的脉冲产生电路是由555定时器组成的单稳态触发器。其具体电路如下：

图一 时钟脉冲产生电路

图二 具有延时功能的脉冲产生电路及反向电路
555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。按其工艺分双极型和CMOS型两类，其应用非常广泛。
2、555定时器的组成和功能
图1—1是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。

图6—1 555定时器组成框图

它的各个引脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。
3脚：输出端Vo
2脚：低触发端
6脚：TH高触发端
4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1—1示。
表1—1 555定时器的功能表
清零端
高触发端TH
低触发端
Qn+1
放电管T
功能
0

0
导通
直接清零
1

0
导通
置0
1

1
截止
置1
1

Qn
不变
保持

3、555定时器的应用

如图所示的时钟脉冲产生电路是用555定时器组成的多谐震荡器，其工作波形如下所示：

计算公式如下：
输出高电平时间tpL=RP1C2ln2≈0.7RP1C2
输出低电平时间tpH=（R2+RP1）C2ln2≈0.7（R2+RP1）C2
振荡周期 f=1/ tpL+tpH≈1.43/ （R2+RP1）C2
由以上计算公式可知：通过确定电阻阻值及电容容值和调节电位器RP1可以实现频率为1赫兹的时钟脉冲输出。
如图2所示的具有延时功能的脉冲产生电路是555定时器组成的单稳态触发器，其工作波形如下：

计算公式如下：
输出电压Vo的脉宽tw：tw=R1C1ln3≈1.1R1C1
电路工作原理如下：
没有触发信号时Vi处于高电平（Vi>Vcc/3），电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态Vo=0，若触发输入端施加触发信号（Vi<Vcc/3），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容C1充电，当C1充电至Vc1=2Vcc/3时，电路的输出电压Vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C1放电，电路返回到稳定状态。
由计算公式可知：通过确定电阻阻值和电容容值可以得到实际中需要的tw。
图二所示电路中的反向电路采用74LS04，通过它将脉宽为tw高电平转变为低电平，将低电平转变为高电平。
4、计数电路及反向电路
该电路的电路图如下：

74LS161的功能表如下：
输入
输出
清零
CR非
预置
PE非
使能
CEP CET
时钟
CP
预置数据输入
D3 D2 D1 D0
Q3 Q2 Q1 Q0
进位TC
L
X
X
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
H
L
X
X
↑
D3*
D2*
D1*
D0*
D3
D2
D1
D0
#
H
H
L
X
X
X
X
X
X
保持
#
H
H
X
L
X
X
X
X
X
保持
L
H
H
H
H
↑
X
X
X
X
计数
#

如上面逻辑电路图所示。其主循环状态如下：

以上电路的接法是将74LS161计数到1111状态时产生的进位信号反相后，反馈到预置控制端。预置数据输入端成1100状态。该电路从1100状态开始加1计数，输入第三个CP脉冲后到达1111状态，此时Tc=CET .Q3.Q2.Q1.Q0=1，PE非=0，在第4个CP脉冲作用后，Q3 Q2 Q1 Q0 。被置成1100状态，同时使TC=0，PE非=1，新的计数周期又从1100开始。
上图所示电路的反相电路采用74LS04 。
5、译码驱动电路和显示电路

以上两部分组合成译码显示电路。其中译码驱动电路采用74LS47译码器，显示电路采用七段码共阳数码管。
译码驱动电路的设计需要用一制数码管，而半导体数码管的基本单位是PN结，加正向电压时，就能发出清晰的光线。单个PN结可以封装成发光二极管，多个PN结可以组成分段式封装半导体数码管。
半导体数码管将十进制数分成七个段，每段为一个发光二极管。在共阳极半导体数码管的七段输入引脚上分别接入相应的高低电平，观察数码管所显示的十进制数，并观察各段的亮暗关系。电阻起到限流的作用。
8421 BCD码 二一十进制译码器真值表：

输入8421代码
输出对应段亮暗
显示字型
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
3
6、 具有选择功能的电路、电阻网络和放大电路
三部分电路组合而成的电路图如下所示：

如上图所示，具有选择功能的电路由模拟开关4502实现，电阻网络由电阻阻值分别为0，100K， 200K， 300K的电阻组成，放电电路的核心器件是LM324。
模拟开关4502相当于一个双刀开关，具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定。
其真值表见下表所示：
输入状态
接通通道
INH
B（Q1）
A（Q0）
0
0
0
“0”X, “0”Y
0
0
1
“1”X, “1”Y
0
1
0
“2”X, “2”Y
0
1
1
“3”X, “3”Y
1
X
X
均不导通

通过以上不同接通通道的选择，实现了不同反馈电阻的接入，就实现了放大电路增益在1倍→2倍→3倍→4倍四档间巡回切换。
放大电路的增益的计算公式如下：
AoF=1+Rfx/R4（R4=100K，Rfx=0，100K，200K或300K）
3、 电源电路：由直流稳压电源分别提供+5V和-5V电压。
四、 整机电路图与仿真波形图
见附图
五、 焊接与调试
a) 焊接（或插接）调试及性能检测
首先，对元件进行合理布局，然后按照原理图连接各元气件，连接导线按块进行。焊接完毕后，通电进行调试。
调试，观察时钟脉冲产生电路能否实现放大器增益在1倍→2倍→3倍→4倍四档间实现频率为1HZ的巡回切换，同时观察具有延时功能脉冲产生电路能否实现对某一种增益进行选择和4S保持。若不能正常工作，需根据低那路原理分析对电路进行检查维修，直到电路能够正常工作为止。。
b) 性能指标测量记录
在调试过程中，通过测量，电路中各个元器件的性能指标均合格。
六、 元件清单
（1）NE555定时器 2个
（2）数码管 1个
（3）4052 1个、LM324 1个
（4）74LS161 1个
（5）74LS04 1个
（6） 电阻：200Ω 7个，10KΩ 1个 、10K可调、39K 1个、100K 2个 300K 1个
（7） 电容：100UF 2个 、0.01UF 2个
七、 总结
通过本次课程设计，我们对增益可自动变换的放大器的工作原理有了较为深入的了解。经过多次通电调试和检修，时钟脉冲产生电路和具有延时功能的脉冲产生电路均实现了其功能。

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