測(cè)量放大器---模電課程設(shè)計(jì)

1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名戴明威專業(yè)班級(jí)通信0805指導(dǎo)教師和封面一致工作單位信息工程學(xué)院題目測(cè)量放大器初始條件三端固定穩(wěn)壓器CW7812,25W電源變壓器，若干電容電阻及二極管額定電流為2A的整流橋OP07的運(yùn)算放大器要求完成的主要任務(wù)（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、設(shè)計(jì)一測(cè)量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。差模電壓放大倍數(shù)AD1005000。最大輸出電壓為10V，非線性誤差小于5。在滿足基本要求中對(duì)輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為01000HZ。時(shí)間安排第19周理論講解，時(shí)間禮拜一5，6，7、8節(jié)地點(diǎn)鑒三204第20周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，地點(diǎn)鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室（1）2指導(dǎo)教師簽名20010年1月日系主任（或責(zé)任教師）簽名年月日3目錄1、摘要42、測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)53、直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)94、信號(hào)變換放大器設(shè)計(jì)125、電路仿真測(cè)試136、主要電路參數(shù)計(jì)算167、心得體會(huì)178、元件清單199、參考文獻(xiàn)204摘要放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對(duì)于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號(hào)檢測(cè)中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采用的有測(cè)量放大器和隔離放大器。測(cè)量放大器又稱為數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應(yīng)變電橋流量計(jì)，生物電測(cè)量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中，常需要對(duì)遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于信號(hào)遠(yuǎn)離運(yùn)放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長線干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動(dòng)輸人方式。對(duì)測(cè)量電路的基本要求是高輸人阻抗,高共模抑制比,高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍。本次設(shè)計(jì)通過采用儀用放大器的改造來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一測(cè)量放大器及其所用的穩(wěn)壓電源,并滿足其高輸入阻抗和高共模抑制比及高通頻帶的要求。測(cè)量放大器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)微信號(hào)的測(cè)量，主要通過運(yùn)用集成運(yùn)放組成測(cè)量放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大，要求有較高的共模抑制能力及較高的輸入電阻，減少測(cè)量的誤差及對(duì)被測(cè)電路的影響，并要求放大器的放大倍數(shù)可調(diào)已實(shí)現(xiàn)對(duì)比較大的范圍的被測(cè)信號(hào)的測(cè)量。測(cè)量放大器前級(jí)主要用差分輸入，經(jīng)過雙端信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)比例放大進(jìn)行放大5任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。參見圖1。輸入信號(hào)VI取自橋式測(cè)量電路的輸出。當(dāng)R1R2R3R4時(shí)，VI0。R2改變時(shí)，產(chǎn)生VI0的電壓信號(hào)。測(cè)量電路與放大器之間有1米長的連接線。1測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)11設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)一測(cè)量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。差模電壓放大倍數(shù)AD1005000。最大輸出電壓為10V，非線性誤差小于5。在AV500時(shí)，輸出噪聲電壓的峰峰值小于1V。在滿足基本要求中對(duì)輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為01000HZ。12設(shè)計(jì)原理原理概述放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對(duì)于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號(hào)檢測(cè)中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采用的有測(cè)量放大器和隔離放大器。測(cè)量放大器又稱為數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應(yīng)變電橋流量計(jì)，生物電測(cè)量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。差分放大器和測(cè)量放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，它們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和測(cè)量放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比（）。它們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量放大器的第一級(jí)只對(duì)差摸信號(hào)有一定的放大作用，而對(duì)共模信號(hào)幾乎6沒有抑制作用，對(duì)共模信號(hào)幾乎沒有抑制作用主要由第二級(jí)電路來完成,而且放大器的共摸抑制比約為第一級(jí)電路的差摸電壓增和第二級(jí)電路的共摸抑制比的乘積。在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中，常需要對(duì)遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于信號(hào)遠(yuǎn)離運(yùn)放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長線干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動(dòng)輸人方式。對(duì)測(cè)量電路的基本要求是高輸人阻抗，以抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引人的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引人的誤差。高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)信號(hào)源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運(yùn)放組合的電路來滿足，典型的組合方式有以下幾種同相串聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，同相并聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，高共模抑制測(cè)量放大器用分離元件構(gòu)建測(cè)量放大器需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，而采用集成運(yùn)放放大器或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。用集成運(yùn)算放大器放大信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)（1）電路設(shè)計(jì)簡化，組裝調(diào)試方便，只需適當(dāng)配外接元件，便可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的各種放大關(guān)系（2）由于運(yùn)放得開環(huán)增益都很高，用其構(gòu)成的防大電路一般工作的深度負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)，則性能穩(wěn)定，非線性失真小。（3）運(yùn)放的輸入阻抗高，失調(diào)和漂移都很小，故很適合于各種微弱信號(hào)的放大。又因其具有很高的共模抑制比，對(duì)溫度的變化，電源的波動(dòng)以及其他外界干擾獨(dú)有很強(qiáng)的抑制能力。運(yùn)算放大器組成的放大電路，按電路的性質(zhì)可分為反相放大器，同相放大器和差分放大器三種。按輸入信號(hào)性質(zhì)又可分為直流放大器和交流放大器兩類。差分放大器分為（1）單端輸入、單端輸出（2）雙端輸入、單端輸出（3）單端輸入、雙端輸出三種，而雙端輸入、單端輸出型差動(dòng)放大器常用于多級(jí)差分放大電路的中間極或末極。713設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方案論證與比較方案一低噪聲前置放大電路設(shè)計(jì)本電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入阻抗高，放大倍數(shù)可調(diào)；但是共模抑制比較小，實(shí)測(cè)只有104，共模抑制能力太差。方案2同相并聯(lián)式高阻抗測(cè)量放大器電路具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移互相補(bǔ)償、雙端變單端以及輸出不包括共模信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。線路前級(jí)為同相差動(dòng)放大結(jié)構(gòu)，要求兩運(yùn)放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模、共模輸人電阻大的特點(diǎn)外，兩運(yùn)放的共模增益、失調(diào)及其漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消，因而不需精密匹配電阻。后級(jí)的作用是抑制共模信號(hào)，并將雙端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味朔糯筝敵?，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要，后級(jí)的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級(jí)取高值，后級(jí)取低值。8該測(cè)量放大器由運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成第一級(jí)差分放大電路，運(yùn)放U3組成第二級(jí)差分放大電路，對(duì)測(cè)量電路的基本要求是高輸入阻抗，以抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引入的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引入的誤差。高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)信號(hào)源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運(yùn)放組合的電路來滿足，典型的組合方式有以下幾種同相串聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，同相并聯(lián)式高阻測(cè)量放大器。抑制共模信號(hào)傳遞的最簡單方法是在基本的同相并聯(lián)電路之后，再接一級(jí)差動(dòng)運(yùn)算放大器，它不僅能割斷共模信號(hào)的傳遞，還將雙端變單端，適應(yīng)接地負(fù)載的需要，電路如圖二所示。它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償，以及輸出不包含共模信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，其代價(jià)是所用組件數(shù)目較多，共模抑制能力略有下降。其中AC12和CMRR12為A1和A2組成的前置級(jí)的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級(jí)的共模抑制比。方案二比方案一的抑制共模能力強(qiáng)，故采取方案二方案二電路的理想閉環(huán)增益和共模抑制比分別為9ACR3/R212R1/RWCMRRAC12CMRR3CMRR12/AC12CMRR3CMRR12若CMRR12AC12CMRR3則有CMRRAC12CMRR3其中AC12和CMRR12為A1和A2組成的前置級(jí)的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級(jí)的共模抑制比。OP07作為常用的運(yùn)放主要有以下特點(diǎn)1低的輸入噪聲電壓幅度035UVPP（01HZ10HZ）2極低的輸入失調(diào)電壓10UV3極低的輸入失調(diào)電壓溫漂02UF/C4具有長期的穩(wěn)定性02UV/MO5低的輸入偏置電流1NA6高的共模抑制比126DB7寬的共模輸入電壓范圍14V8寬的電源電壓范圍3V22V9可替代725，108A，741，AD510等電路2直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)21設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)并制作上述放大器所用的直流穩(wěn)壓電源。由單相220V交流電壓供電。交流電壓變化范圍為1015。22電路設(shè)計(jì)及原理221選擇集成穩(wěn)壓器選三端固定穩(wěn)壓器CW7812,其性能參數(shù)為IOMAX15A,最小輸入輸出壓差UIUOMIN3V,最大功率30W，最大輸入電壓840V，均能滿足性能要求。10222選電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓UI。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1，式中是變壓器的效率。通常根據(jù)變壓器副邊輸出的功率P2來選購或自繞變壓器。副邊功率P2WIOMAX15A變壓器效率為07,則其功率P2U2I2225W為留有余地，故選擇功率25W的變壓器。223選整流二極管及濾波電容選整流二極管可以選1N4002，其極限參數(shù)URM50V,141521V,IF15A,所以均滿足要求濾波電容為CIOMAXT/2UI1500UF,它的耐壓應(yīng)大于21V,因而可取2200UF/25V的電容。224選穩(wěn)壓器由于要輸出正負(fù)12電壓，于是采用的是7815和7915三端集成穩(wěn)壓器，其中78系列輸出的為正電壓，79系列輸出的為負(fù)電壓，如圖，78系列和79系列的接法如下11穩(wěn)壓芯片7812主要參數(shù)輸出電流1A輸出電壓15V1地，GND2輸入3輸出3、信號(hào)變換放大器設(shè)計(jì)123設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)變換放大器，參見圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，用作測(cè)量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號(hào)。設(shè)計(jì)要求將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號(hào)不失真的轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，用作測(cè)量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號(hào)。為了使信號(hào)不失真，就需保證電路的對(duì)稱性。設(shè)計(jì)采用單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大級(jí)進(jìn)行信號(hào)的變換電路中使用OP07運(yùn)算放大器，同相放大器結(jié)成射級(jí)跟隨器，前端輸入進(jìn)行分壓，從而使VO1/2VIN，反相放大器的AVR6/R205,使得VO05VIN，從而實(shí)現(xiàn)不失真變換。同相放大器接成射隨器，前端輸入進(jìn)行分壓，從而使VO1/2VIN，反向放大器的AVR6/R250/1001/2，使得VO1/2VIN，從而實(shí)現(xiàn)不失真變換。此電路從同相端入，因此輸入阻抗高，滿足題目提出的要求。134放大器性能測(cè)試放大器性能測(cè)試首先調(diào)零，將輸入端短接，即將輸入信號(hào)置零，調(diào)節(jié)各個(gè)電位器的調(diào)零電阻，直至輸入電壓為零，完成調(diào)零操作，然后將電橋加電壓，用萬用表測(cè)電橋的輸出電壓，手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電位器，直至電橋的輸出電壓為5MV，然后用1米長的導(dǎo)線將電橋與放大器連接，用示波器觀察測(cè)量放大器的輸出波形。對(duì)于測(cè)量放大器放大倍數(shù)的測(cè)量，設(shè)置放大倍數(shù)然后用萬用表測(cè)電橋的輸出電壓及測(cè)量放大器放大后的輸出電壓，求出實(shí)際電壓放大倍數(shù)，然后與設(shè)置的電壓放大倍數(shù)比較。測(cè)量放大器的頻率響應(yīng)測(cè)試首先對(duì)信號(hào)變換電路進(jìn)行調(diào)零，同樣是將輸入短接，即輸入端直接接地，然后調(diào)節(jié)用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)源，然后將輸出信號(hào)通過信號(hào)變換電路將單端輸出轉(zhuǎn)變成雙端輸出，再將信號(hào)變換器的輸出信號(hào)接到測(cè)量放大器的輸入端合理設(shè)置輸出電壓及測(cè)量放大器的放大倍數(shù)，然后用交流毫伏表測(cè)量放大器和信號(hào)變換電路的輸出電壓，并改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器14的輸出頻率，得到不同頻率下的放大倍數(shù)。仿真圖15信號(hào)變換放大器波形穩(wěn)壓源波形165主要電路參數(shù)計(jì)算51前端放大電路第一級(jí)差模放大倍數(shù)AV1計(jì)算如下VIVAVC,VIVBVDVCVD/R10V01VI/R1VIV02解得V02V01（12R1/R10VCVD1200/22VCVD1200/22VIVI即差模增益AV110第一級(jí)差模放大倍數(shù)AV2計(jì)算如下V039/49V02V0139/1039/49V0239/49V02V01此級(jí)放大倍數(shù)AV239所以前端放大倍數(shù)AVAV1AV210393952通頻帶的計(jì)算壓擺率是指在額定的滿幅度輸出條件下，運(yùn)放輸出電壓的最大變化幅度，以SR表示，即DV0/DTAWCOSWT,SRDV0/DTMAXAW題目要求輸出電壓為10V，通頻帶0100HZ，則壓擺率至少要達(dá)到SR101002628103V/S,使用的OP07的壓擺率為SR017106V/S，理論運(yùn)放的通頻帶為FSR/2A017106/10/227103HZ由于加了低通濾波，通頻帶為F1/2RC1/22000002103398HZ所以系統(tǒng)的理論通頻帶為0398HZ176心得體會(huì)通過本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我懂得首先要對(duì)設(shè)計(jì)原理搞懂，才能在設(shè)計(jì)內(nèi)容方面游刃有如。我也從中加深了對(duì)差分放大器的各項(xiàng)指標(biāo)的理解與應(yīng)用，例如它的共摸抑制比，輸入輸出阻抗的大小，通頻帶與增益之間的關(guān)系，我掌握了測(cè)量放大器的性能測(cè)量方法。課程設(shè)計(jì)時(shí)間定在我們考試期間，所以任務(wù)還是相當(dāng)重的。一方面要準(zhǔn)備考試，一方面要準(zhǔn)備課程設(shè)計(jì)，每天都在忙碌著，也鍛煉了我們合理利用時(shí)間的能力。在這次的課程設(shè)計(jì)中我遇到了不少的問題。我的課程設(shè)計(jì)獨(dú)立的直流穩(wěn)壓源，好在我們?cè)?jīng)做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可是由于我們做的是78系列的電路，我所需要的還有79系列的，對(duì)于各個(gè)引腳的功能和解法總是和78系列弄混淆，最后通過查閱資料才弄明白，雖然這是一些很基礎(chǔ)的問題，可是我們還是要認(rèn)真的對(duì)待?？赡苁怯捎谠O(shè)備的原因，導(dǎo)致最后的結(jié)果調(diào)試不出來，但是我不曾灰心，結(jié)果不是最重要的，最終的是我在這次課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多。在仿真設(shè)計(jì)中，有的電路圖沒有仿真出來，這一方面是由于時(shí)間比較緊，另一方面是由于對(duì)軟件和電路不是很熟悉，也說明電路的設(shè)計(jì)還有一些問題。由于對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)，我深感“書到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的方向。正所謂“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，只有自己動(dòng)手做過了，才能更貼切更深刻的掌握所學(xué)的知識(shí)，使自己進(jìn)一步的提高。盡管課程設(shè)計(jì)是在期末才開