三運(yùn)放儀表放大器

三運(yùn)放儀表放大器摘 要本系統(tǒng)采用三個(gè)OP07雙電源單集成運(yùn)放芯片構(gòu)成儀表放大器，此放大器能調(diào)節(jié)將輸入差模信號(hào)放大100至200倍，同時(shí)具有高輸入電阻和高共模抑制比，對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)；電源部分由變壓器、整流橋、7812、7912、7805等線性電源芯片組成，可輸出+5V、+12V、-12V三路電壓。一、 方案論證與比較1.放大器電源的制作方法方案一：本三運(yùn)放儀表放大器系統(tǒng)采用集成運(yùn)放OP07，由于OP07是雙電源放大器，典型電源電壓為12V，可方便采用市售開關(guān)電源或者開關(guān)電源芯片制作電源作為OP07的電源輸入，開關(guān)電源具有的效率高，體積小，散熱小，可靠性高等特點(diǎn)，但是因?yàn)槠鋬?nèi)部構(gòu)造特性，使輸出電壓帶有一定的噪聲干擾，不能輸出純凈穩(wěn)定的電壓。方案二：采用線性電源穩(wěn)壓芯片78系列和79系列制作線性電源，使用多輸出抽頭變壓器接入整流橋再接入穩(wěn)壓芯片，輸出純凈的線性電源。2.電源方案論證本系統(tǒng)是一個(gè)測(cè)量放大系統(tǒng)，其信號(hào)要求純凈無噪聲干擾，在系統(tǒng)中加入濾波器消除干擾的同時(shí)，我們應(yīng)該考慮系統(tǒng)本身的干擾源并盡量降低干擾?？紤]到開關(guān)電源的輸出電壓不是十分純凈的，帶有許多噪聲干擾，而線性電源可以穩(wěn)定輸出電壓值，雖然線性電源體積較大，效率較低，但是作為測(cè)量系統(tǒng)中，我們采用方案二來提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。3.放大器制作方法方案一：題目要求使輸入信號(hào)放大100至200倍，可使用單運(yùn)放構(gòu)成比例運(yùn)算放大電路，按負(fù)反饋電阻比例運(yùn)算進(jìn)行放大，輸出電壓Uo=-RfRUi，此放大電路可以達(dá)到預(yù)定的放大倍數(shù)，但是其對(duì)共模信號(hào)抑制較差，容易出現(xiàn)波形失真等問題。方案二：采用三運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器，這是一種對(duì)弱信號(hào)放大的一種常用放大器，輸出電壓Uo=1+2R1R2(U1-U2)。4.放大器方案論證在測(cè)量系統(tǒng)中，通常被測(cè)物理量均通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大，因此，傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻均不是常量，他們隨所測(cè)物理量的變化而變。這樣，對(duì)于放大器而言信號(hào)源內(nèi)阻是變量，放大器的放大能力將隨信號(hào)的大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器輸入電阻加大，因信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就越小。此外，傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有較大的共模部分，期數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器具有較強(qiáng)的共模信號(hào)抑制能力。綜上所述，采用方案二儀表放大器方案，儀表放大器除了具有足夠的放大倍數(shù)外，還具有高輸入電阻和高共模抑制比。二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.總體設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)框圖 如圖 1-1-1所示。 圖1-1-1(2)模塊說明u 電源模塊：由7812、7912、7805三個(gè)線性電源穩(wěn)壓芯片組成的三路輸出直流電源，其中+12V和-12V為雙電源集成運(yùn)放OP07供電。+5V可為單片機(jī)、A/D芯片或其他外部設(shè)備供電。u 放大器模塊：由三個(gè)OP07構(gòu)成的三運(yùn)放儀表放大器，其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力，并且能夠調(diào)節(jié)放大輸入信號(hào)至100到200倍。2.各模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)運(yùn)算(1)由于電源需要向放大器提供12V電壓，并且為放大器供電的電源需低噪聲干擾，放大器對(duì)輸入電壓的純凈度要求嚴(yán)格。所以綜合考慮?。?C1=C3=0.1uF C2=1000uF C4=10uF電源濾波電路如圖1-1-2所示 (2) 三運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器的主要原理如圖1-1-3所示，第一級(jí)電路由U1和U2組成，第二級(jí)運(yùn)放由U3構(gòu)成，其放大倍數(shù)為1。根據(jù)運(yùn)算電路的基本算法分析：UI1-UI2=R22R1+R2UO1-UO2 即 UO1-UO2=1+2R1R2UI1-UI2所輸出的電壓： UO=-RfRUO1-UO2=-RfR1+2R1R2UI1-UI2設(shè) UId=UI1-UI2,則 UO=-RfR1+2R1R2UId當(dāng)UI1=UI2=UIC時(shí)，由于UA=UB=UIC，R2中的電流為零，UO1=UO2=UIC，輸出電壓UO=0。可見，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。差模放大倍數(shù)數(shù)值越大，共模抑制比越高。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲，也講被抑制。 圖1-1-33.系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（如圖1-1-4所示） 圖1-1-4三、調(diào)試根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，調(diào)試過程共分三大部分：電源調(diào)試、放大器調(diào)試、電源和放大器聯(lián)調(diào)。各模塊分別調(diào)試，將電源和放大器分別調(diào)試正常工作后再進(jìn)行聯(lián)調(diào)。1. 電源調(diào)試(1) 接通電源間隔34秒后斷電，然后檢查7805、7812、7912及個(gè)電熔是否有過熱的(實(shí)踐證明若7805、7812或7812連接有錯(cuò)誤將在短時(shí)間內(nèi)發(fā)熱)，如沒有明顯過熱現(xiàn)象說明電路連接正常。(2) 測(cè)得電路無連接從錯(cuò)誤后，接通電源，用萬用表分別測(cè)量三路輸出端得電壓是否為+12V、-12V、+5V。2. 放大器調(diào)試(1)用標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的12V 直流電源給放大器供電，穩(wěn)定的電源能減小電源對(duì)放大電路的影響，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率設(shè)置成100Hz，幅值為15mV的正弦波。觀察示波器的波形，計(jì)算放大倍數(shù)。(2)改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率（fout1kHz）觀察示波器的波形計(jì)算出放大倍數(shù)。3. 電源放大器聯(lián)調(diào)(1)將電源模塊的12V輸出與放大器相連，測(cè)試過程與放大器調(diào)試過程相同，首先信號(hào)發(fā)生器輸出頻率設(shè)置成100Hz，幅值為15mV的正弦波。然后改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，觀察波形，計(jì)算放大倍數(shù)。四、指標(biāo)測(cè)試(1)測(cè)試儀表 示波器 信號(hào)發(fā)生器(2)指標(biāo)測(cè)試電路電壓放大倍數(shù)公式Au=K=1NAuk 上限頻率：將式中的Au用低頻電壓放大倍數(shù)Aulk的表達(dá)式帶入并去摸，得出多級(jí)放大電路低頻段的電壓放大倍數(shù)為Aul=k=1NAumk1+fLKf2根據(jù)fL的定義，當(dāng)f=fL時(shí)Aul=k=1NAumk2即k=1N1+fLKfL2=2等式兩邊取平方，得k=1N1+fLKfL2=2展開上式，得1+fLKfL2+高次項(xiàng)=2由于fLKfL小于1，可將高次項(xiàng)忽略，得出fLk=1NfLK2如加上修正系數(shù)，則fL1.1k=1NfLK2下限頻率：將式中的Au用高頻電壓放大倍數(shù)Auhk的表達(dá)式帶入并去摸，得出多級(jí)放大電路低頻段的電壓放大倍數(shù)為Auh=K=1NAumk1+ffHK2根據(jù)fL的定義，當(dāng)f=fH時(shí)Auh=k=1NAumk2即K=1N1+fHfHk2=2等式兩邊取平方，得K=1N1+fHfHk2=2展開上式，得1+fHfHk2+高次項(xiàng)=2由于fLKfL小于1，可將高次項(xiàng)忽略，得出1fHk=1N1fHK2如加上修正系數(shù)，則1fH1.1k=1N1fHK2根據(jù)以上分析可知，若兩級(jí)放大電路是由具有兩個(gè)相同頻率的單管放大電路組成，則其上、下限頻率分別為1fH1.12fHL2 , fHfH11.120.643fH1fL1.12fL11.56fL1對(duì)各級(jí)具有相同頻率特性的三級(jí)放大電路，其上、下限頻率分別為1fH1.13fHL2 , fHfH11.120.52fH1fL1.13fL11.91fL1五、結(jié)論本系統(tǒng)完成了題目的基本功能、基本指標(biāo)?，F(xiàn)將題目要求指標(biāo)及系統(tǒng)實(shí)際性能列表如下：基本要求發(fā)揮要求實(shí)際性能制作一個(gè)電源，要求輸出+5V、+12V、-12V三路電壓實(shí)現(xiàn)，并