测量放大器,武汉理工(课设)[学术参考].doc

学 号： 课 程 设 计题 目测量放大器学 院信息工程学院专 业通信工程班 级0804姓 名指导教师艾青松2010年1月23日教-学目 录1.设计要求2 内容摘要42.方案比较与论证6 2.1稳压电源设计6 2.1.1稳压电路分解说明6 2.1.2稳压电路仿真效果7 2.2测量放大器的设计8 2.2.1方案一8 2.2.2方案二9 2.2.3方案三10 2.3信号变换电路设计12 2.4电路主要参数的测试及计算122.4.1电路仿真测试结果122.4.2电路主要参数的计算142.4.3放大器放大性能的测试152.4.4放大器的频率响应测试 163.心得体会16附录18元件清单18参考资料20 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信0804 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 测量放大器 初始条件：集成运算放大器OP-07 三端固定稳压器CW7815，CW7915 30W变压器24V3抽头变压器 电阻 二极管 电容等其他元件若干要求完成的主要任务: 题目：测量放大器设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号VI取自桥式测量电路的输出。当R1R2R3R4时，VI0。R2改变时，产生VI 10的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。任务要求1. 基本要求（1） 测量放大器 a、 差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节； b、 最大输出电压为10V，非线性误差 < 0.5 ； c、 在输入共模电压+7.5V7.5V范围内，共模抑制比 KCMR >105 ； d、 在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V； e、 通频带010Hz ； f、 直流电压放大器的差模输入电阻2MW（可不测试，由电路设计予以保证）。 (2) 电源 设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。交流电压变化范围为1015。 （3） 设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。2.发挥部分（1）提高差模电压放大倍数至AVD1000，同时减小输出端噪声电压。 （2）在满足基本要求(1)中对输出端噪声电压和共模抑制比要求的条件下，将通频带展宽为0100Hz以上。 （3）提高电路的共模抑制比。 （4）差模电压放大倍数AVD可预置并显示，预置范围11000，步距为1，同时应满足基本要求(1)中对共模抑制比和噪声电压的要求。 （5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 摘 要 本设计电路的构成：正负15伏的稳压电路,信号变换放大电路，电阻桥式电路，高共模抑制比仪器放大器等部分组成。其中稳压电源又由变压电路，全波整流电路，滤波电路，稳压电路，保护电路组成，主要作用是提供电路各部分所用电源需求。信号变换电路主要作用就是将采集的信号转化为差动信号输入放大器！主放大器又包括三级放大，主要用来将输入的微小信号放大到理想的倍数，并提高共模抑制比，以达到实验要求.模拟部分是整个系统中最主要的环节。放大电路产生误差的原因很多，一般有：运放的输入偏置电流、失调电压和失调电流及其温漂；电阻器的实际值与标称值的误差，且随温度变化；另外，电源和信号源的内阻及电压变化、干扰和噪声都会造成误差。模拟部分的核心是一个带自举电源的差放电路。 Abstract The circuit design of the 15 volts: positive voltage circuit, signal transform amplifying circuit resistance, high bridge circuit common mode rejection ratio instrumentation amplifier components. One manostat by pressure circuit, the wave filter circuits, rectifier circuit voltage circuit, protection, circuit, the main function is to provide circuit used power demand parts. Signal transform circuit main function is to acquisition of signals are converted to differential signal input amplifier! The amplifier amplification and includes 3, is mainly used in the input signal to the ideal of tiny, and improve multiples of common mode rejection ratio, achieves the experimental requirements. The whole system simulation part is the most important link. The reasons causing errors amplifier circuit, generally have: the input bias current, voltage and current imbalance and WenPiao maladjusted, The actual value resistor and nominal value error, and changing with temperature, In addition, power source and the resistance and voltage change, interference and noise will cause errors. Part of the core is a simulated with the poor bootstrap power supply circuit. 2.方案论证与选择2.1稳压电源设计 直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、但电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。输出电路由+15V稳压共给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。所示的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。通过此电源来给整个过程中所需电源的电路供电（考虑到电路的需要，稳压源就选择上图完全可满足要求）。图3 2.1.1电路分解说明 全波整流： 图4通过利用二极管的特性，将输入的交流转换为直流。滤波电路： 图5充分利用电容的特性，构造滤波电路，减小输出的纹波电压。 保护电路： 图6电源输出端接有保护二极管D5和D6，如果不接保护二极管，LM7815输出电压通过RL加到LM7915的两端，必将LM7915烧毁。2.1.2稳压电源仿真效果 电路通过multisim仿真测试，达到了预期的结果，既可以稳压正负15伏。下图为结果截图：图72.2测量放大器的设计2.2.1方案一如图8所示，直接采用高精度OP放大器接成悬置电桥差动放大器： 图8 利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合，放大主要通过后一级的比例放大器获得，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不高，但是其输入阻抗低，共模抑制比失调电压和失调电流等参数亦受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路十分简单，元器件较少，但仍将其舍弃。2.2.2方案二 采用比较通用的仪用放大器，如图9所示，它是由运放A1A2按同相输入法组成第一级差分放大电路。运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，v1v2分别加到A1 和A2的同相端,R1和两个R2组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放A1、A2的两输入端形成虚短和虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，适当的选择电阻的阻值即可实现放大倍数的改变，并且可以将R1用一个适当阻值的电位器代替，通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制。该电路的优点是，电路简单，原件较少，A1和A1两个放大器组成差分放大电路，可以有效地抑制共模信号，并且为双端输出，根据虚短和虚断，流入放大器的电流为0所以输入电阻Ri，并且要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及其漂移产生的误差也相互抵消，但由于本实验要求放大倍数可以调节，通过电位器调节放大倍数，电位器的阻值无法准确获得，因而放大倍数无法准确得到，因而，本方案并不能完全满足实验要求，故舍弃本方案。 图92.2.3方案三主要是对第二种方案的合理改造，如图10所示，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输入双端输出，能有效的提高抑制共模抑制比，并且由于，电路了零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效的提高整个电路的共模抑制能力，然后再通过A3进行信号变换，将双端输入信号转变成为单端出，为提高电路的共模抑制能力，A3为节约成本仍采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加入了调零电路，并且为保证电路对称，用固定电阻R6与可变电阻R7串联后与R5进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，然后再接一级比例放大，通过调节R12的阻值即可改变整个电路的放大倍数，经过仿真测试，基本能满足实验要求，并且对于扩展部分，可以将R12用一个电阻网络代替，用单片机对其阻值进行控制即可满足放大倍数的调节，并且经过理论分析基本可以满足步进为1的要求，鉴于以上原因，将采用本电路。 OP07作为常用的运放主要以下特点：OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求，其主要特点是：1) 低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 极低的输入失调电压10 V3) 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ 4) 具有长期的稳定性0.2 V/MO5) 低的输入偏置电流 1nA 图106) 高的共模抑制比126dB7) 宽的共模输入电压范围14V8) 宽的电源电压范围 3V 22V9) 可替代725、108A、741、AD510 等电路2.3 信号变换电路方案 信号转换放大器的主要功能是将由函数信号发生器输出的单端信号转换成双端信号，供电压放大电路作为输入。采用了基本的差动放大电路，如图11所示。图112.4主要电路参数的计算及电路调试2.4.1电路仿真测试结果 图12图12为仿真时用万用表测得的输入和输出电压的数据，计算可得，放大倍数已超过1000倍，比较可观，可以制作实物了。图12为仿真时的输入和输出波形图。图122.4.2电路主要参数的计算第一级差模放大的电压放大倍数计算： 由于运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有 得 运放A3实际构成求差点路满足关系式： 带入该关系式得到 运放A4接成的是反向比例放大器，满足关系式： 因而最终测量放大器的放大倍数为： 从式子中可以看到通过调节R12的值即可实现对测量放大器放大倍数的调节，其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路的输入电阻，并不承担主要的放大任务，放大主要由最后一级比例放大器来完成，因而在电阻选择上考虑到这方面因素，本设计前级放大器的放大倍数 最后一级放大倍数而R12是一个100k的电位器，R11阻值为10k，故最后一级的增益最高可达600倍，最小增益可以小于1，完全可以满足实验的基本要求，但满足不了发挥部分的要求，因而在实际制作中将R10的值适当调小，即可满足放大倍数11000且手动可调的要求。2.4.3 放大器放大性能的测试 首先进行调零，将输入端端接，即将输入信号置零，调节各个电位器的调零电阻，直至输出电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用万用表测电桥的输出电压，手动调节可变电位器，直至电桥的输出电压为5mV，然后用1m长的导线将电桥与放大器连接，用示波器观察测量放大器的输出波形，发现有毛刺状的杂波，进分析，确定为导线过长引入了高频干扰，而设计电路中的电容C1本意就是为滤除高频信号干扰而设置的，但实际效果并不理想，于是采用双绞线代替普通导线进行信号传递，重新观察测量放大器的输出波形，发现输出波形有了明显的改善。对于测量放大器放大倍数的测量，通过键盘设置放大倍数，然后用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的输出电压，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大倍数相比较，即可得到测试放大器的放大性能与精度，以下是测量时得到的数据记录： 表 1输入 电压设置放大倍数输出 电压实际放大倍数输入 电压设置放大倍数输出 电压实际放大倍数0.0053001.543080.2255.125.50.011001.051050.32206.4220.60.023501.196530.542.014.020.06503.06511.61711.266.990.12303.6301.6469.835.990.18325.77832.12.1511.25751.05 2.4.4 测量放大器的频率响应测试首先要对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，及输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端，合理的设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，计算不同频率下的放大倍数，预置值进行比较，得出测量放大器的频率响应。以下是实际测试的记录表格：表2输入频率输入电压设置放大倍数输出电压实际放大倍数8.65482.114.31.02419.892.114.241.0654.72.114.41104.72.114.4110242.114.410.12814561000.25350.0990.01453547013.24472.8 3.心得体会通过这次课程设计，我学习到了很多东西，对于模电所学的知识有了进一步的了解，特别是差动放大电路，及集成电源的设计，还促进了我重新学习了模拟电路，而且是在实践的基础上学习，效果比单纯的课堂理论学习好的多。同时学会了已学知识转化成实际，这次课程设计我也学会了如何查阅书籍，包括各种课本上没见过的器件，这些器件的参数和结构都可以在网上查阅相关手册，十分方便，加速了课程设计的速度，从而有时间去分析电路的结构和进行实物焊接，在电路的调试中，我遇见了在书本中没有遇见过的性能参数，而且还学会了如何去测定和计算这些参数，同时，我还加深了有关频率响应的知识.在实物焊接过程中，也遇到了很多问题，以前遇见的都是已经有连线的电路板，如今是个干净的电路板，焊接后还要连线，而这个连线就是最大的问题，通过这次课设，我学会我焊接的基本技能。 在实际调试中，也遇见了一些问题，要解决问题需要静下心来好好分析，但对电路板的结构要慢慢的分析，切勿心烦气躁，通过这次课设，我学会的不仅是学习到了知识，还学会了处理实际电路的小小本领，对以后的专业能力的培养有很大的帮助。“干什么事都要认真”这句话的真谛之所在：整个实验我是以一种类似加速的方式完成的，越做越熟练，不断的在实验中找到问题，解决问题，提高了我发现问题和解决问题的能力，又使我的动手能力有了很大的提高，我想这就是我做实验最大的收获吧！这也算达到了模电开放实验的目的了吧！通过本次设计,让我们更进一步的了解到测量放大器的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获. 此次课程设计，我基本学会了使用multisim去仿真，我也从中学习到电路仿真的一般步骤，即先新建仿真设计的电路，然后输入原理电路结构图并连接好线路，接着编辑修改元件标号和参数值，然后连接好万用表和示波器，再执行仿真，如果有原理及连线的错误，就要重新修改后再执行仿真，最后查看输出的仿真结果。附录元器件清单表3序号名称规格数量备注1电阻 10K 3 2电阻 20 3 5% 3电阻 22k 1 5%4电阻 50K 1 5电阻 100K 4 6电阻 220K 2 7电阻 150K 2 8电解电容 0.1uf 2 9电解电容 470uf 2 10 电解电容2200uf 2 11 电容102 1 12电容103 1 13电容104 1 14电位器10K 4 15电位器100K 1 16集成运放Op07cp 10 17稳压芯片LM7815 1 18稳压芯片Lw7915 1参考文献 1谢自美 电子线路设计 实验 测试（第三版） 华中科技大学出版社 2006 2 童诗白 模拟电子技术基础 第五版 高等教育出版社 3 电子技术基础实验（模拟部分） 4 吴友宇 模拟电子技术基础 高等教育出版社 5 康光华主编，高等教育出版社，电子技术基础（模拟部分）第五版