摘要：
本報告使用運算放大器設計一個能夠根據輸入信號幅值切換調整增益的電壓放大電路。輸入信號可直流可交流，若為交流先通過整流濾波電路變為直流；將直流信號輸入到電壓比較器，通過基準電壓的狀態控制模擬開關的工作狀態，選擇相應的電壓增益進行電壓放大；輸入為直流信號可直接輸出，交流信號需要再輸入到帶通濾波器后得到輸出。經過仿真，電路可實現輸入U_i<1V，電路增益為5倍；1V

1 功能描述
根據題目要求，本實驗需要設計一個能夠根據輸入信號U_i幅值自動切換增益的電壓放大器，具體功能描述：
（1）當輸入信號為直流時，
當U_i<1V時，電路增益為5倍；
當1V 當5V 注：不可改變電壓的極性。
（2）當輸入信號為交流時，
增益滿足直流輸入時的相同要求；
3dB帶寬為30-15KHz。

當輸入信號為交流信號時，先經過整流濾波電路將交流信號轉化為直流信號。當輸入信號為直流信號或交流信號經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的工作狀態，選擇輸入信號相對應的電壓增益進行電壓放大。若輸入為直流信號可直接從模擬信號的輸出得到輸出信號；若輸入為交流信號，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。

2電路設計

2.1整流濾波電路模塊設計

首先，我們先去掉濾波部分的電容C1，電阻R5的阻值應為20kΩ。
（1）當輸入信號U_i>0時，二極管D1截止，D2導通，此時U1的增益為-R_2/R_1 =-1,所以U_o1=-U_i；這時電路的輸出信號U_o=-R_5/R_4 * U_i+R_5/R_3 * U_o1=U_i；
（2）當輸入信號U_i<0時，二極管D1導通，D2截止，此時U1的增益為0，所以U_o1=0；這時電路的輸出信號U_o=-R_5/R_4 * U_i=-U_i。
由上所述，該電路可以實現整流功能。
在電路中接上電容C1后，可以實現濾波功能，但是由傅里葉級數展開可知，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，通過調節滑動變阻器，最終確定R_5=20×π≈62.8kΩ。

2.2電壓比較電路模塊設計

如圖2-2所示，選用兩個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電壓U_REF1和U_REF2，這兩個基準電壓根據題目設計要求可知分別為U_REF1=5V和U_REF2=1V。
通過基準電壓就可以得出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R8=10kΩ，可以計算出R6=100kΩ，R7=40kΩ。
直流電源信號或經過整流濾波電路輸出的直流信號U_i，同時加在U3、U4的同相輸入端，U_i與基準電壓U_REF1和U_REF2進行比較，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的狀態控制模擬開關的工作狀態。

2.3增益電路模塊設計

增益電路圖中使用了模擬開關元件ADG409BN，其是一款單芯片CMOS模擬多路復用器，內置4個差分通道。它根據2位二進制地址線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（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輸出信號。通過U_i1和U_i2的狀態控制模擬開關ADG409BN的工作狀態，切換反饋電阻即可實現增益的自動轉換。題目中要求的電壓增益分別為5、1、0.5。受模擬開關的控制，電阻R10、R11、R12與運放U5構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，但題目設計要求不可改變電壓極性，因此我們在U5輸出后又添加了一個由U8構成的增益為-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帶通濾波器模塊設計

為滿足題目中對3dB帶寬的要求（30-15kHz），我們通過一個帶通濾波器實現。考慮通過查表法設計一個二階帶通濾波器實現該電路，采用一級二階高通濾波器和一級二階低通濾波器相級聯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）高通濾波器的設計
題目要求下限截止頻率為f_L=30Hz，根據查表法選定電容C4=C5=1uF，因此參數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
將各參數確定后，可算出該高通濾波器的實際截止頻率為
f_L=1/(2π√(R_16 R_17 C_4 C_5 ))≈30.03Hz
誤差ε_L為
ε_L=(30.03-30)/30=0.1%

（2）低通濾波器的設計
題目要求上限截止頻率為f_H=15kHz，根據查表法選定電容C2=1nF，所以C3=330pF，因此參數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_H為
ε_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）仿真過程及結果
將圖3-1中的函數發生器的輸入信號設置為幅值為2V（峰峰值為4V）的正弦波信號，經過整理濾波電路后，得到仿真解果見圖3-2。

圖3-2中，紅色曲線表示輸入信號，藍色曲線表示輸出信號，從圖中可以看到輸入信號為峰峰值為4V的正弦波信號，輸出信號為4V的直流信號，實現了整流濾波功能。

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

（2）仿真過程與結果
a. 當直流輸入電壓U_i<1V時，電路增益為5；選擇U_i=0.5V進行驗證。

從圖3-4中可以看到，紅色曲線表示輸入信號，藍色曲線表示輸出信號，輸入信號為0.5V，輸出信號為2.511V，實現了電路增益為5的電壓放大。
b. 當直流輸入電壓1V

從圖3-5中可以看到，紅色曲線表示輸入信號，藍色曲線表示輸出信號，輸入信號為2V，輸出信號為2.013V，實現了電路增益為1的電壓放大。

c. 當直流輸入電壓5V

3.3帶通濾波器電路模塊仿真
（1）仿真電路圖

（2）仿真過程與結果
設置函數發生器的輸入信號為幅值2V、頻率為1kHz的正弦波信號，點擊運行仿真，得到圖3-8。

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

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

從圖3-9中我們可以通過光標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果
參數名稱 |要求值 |實際值 |誤差
下限截至頻率 |30Hz |30.2787Hz |0.93%
上限截止頻率 |15kHz |14.9798kHz |0.13%

通過結果可知，該電路可以實現3dB帶寬為30Hz-15kHz的濾波功能。

3.3整機電路仿真
（1）仿真電路圖

(2) 仿真過程與結果
a. 當交流輸入信號為U_i<1V（峰峰值）時，電路增益為5；選擇峰峰值U_i=0.5V（即幅值為0.25V）的正弦波信號進行驗證，得到圖3-11。

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

b. 當交流輸入信號為1V

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

c. 當交流輸入信號為〖5V

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

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

從圖3-14中我們可以通過光標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果
參數名稱 | 要求值 | 實際值 | 誤差
下限截至頻率 | 30Hz | 30.2239Hz | 0.75%
上限截止頻率 | 15kHz | 14.9183kHz | 0.54%
通過結果可知，整機電路中濾波功能良好。
綜上所述，實現了交流輸入時的增益自動切換電壓放大電路設計，且3dB帶寬為30Hz-15kHz。

4 結論
本次實驗設計過程中，分別對整流濾波電路、電壓比較電路、增益選擇電路和帶通濾波電路進行了細致研究，其中了解了模擬開關特別是ADG409的使用方法。我們設計的整流濾波電路輸出電壓雜質含量少，電壓比較電路對于電壓大小的判斷精準，基準電壓附近的電壓也能夠較為準確判斷，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）。這個電路設計簡潔，實現了自動切換增益的電壓放大電路。