測量放大器---模電課程設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 戴明威 專業(yè)班級： 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)Ad=100-5000。 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0-1000Hz。

2、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） 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 日目錄1、 摘要.42、 測量放大器的設(shè)計(jì).53、 直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì).94、 信號變換放大器設(shè)計(jì).125、 電路仿真測試.136、 主要電路參數(shù)計(jì)算.167、 心得體會.178、 元件清單.199、 參考文獻(xiàn).20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于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采

3、用的有測量放大器和隔離放大器。測量放大器又稱為 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)，生物電測量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號的檢測。 測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)自動控制等領(lǐng)域中，常需要對遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號進(jìn)行測量，由于信號遠(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)阻抗不對稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動輸人方式。對測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)一測量放

4、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.。測量放大器主要實(shí)現(xiàn)對微信號的測量，主要通過運(yùn)用集成運(yùn)放組成測量放大電路實(shí)現(xiàn)對微弱信號的放大，要求有較高的共模抑制能力及較高的輸入電阻，減少測量的誤差及對被測電路的影響，并要求放大器的放大倍數(shù)可調(diào)已實(shí)現(xiàn)對比較大的范圍的被測信號的測量。測量放大器前級主要用差分輸入，經(jīng)過雙端信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)比例放大進(jìn)行放大任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個測量放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。參見圖1。輸入信號VI取自橋式測量電路的輸出。當(dāng)R1R2R3R4時(shí)，VI0。R2改變時(shí)，產(chǎn)生VI ¹ 0的電壓信號。測量電路與放大器之間有1米長的連接

5、線。1.測量放大器的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)一測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)Ad=100-5000。 最大輸出電壓為10v，非線性誤差小于5%。 在Av=500時(shí)，輸出噪聲電壓的峰-峰值小于 1V。在滿足基本要求中對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0-1000Hz。1.2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于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采用的有測量放大器和隔離放大器。 測量放大器又稱為 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)，生物電測量以及其他

6、有較大共模干擾的支流緩變微弱信號的檢測。 測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，它們在性能上與標(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；而差分放大器和測量放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，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)。測量放大器的第一級只對差摸信號有一定的放大作用，而對共模信號幾乎沒有抑制作用，對共模信號幾乎沒有抑制作用主要由第二級電路來完成,而且放大器的共摸抑制比約為

7、第一級電路的差摸電壓增和第二級電路的共摸抑制比的乘積。在工業(yè)自動控制等領(lǐng)域中，常需要對遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號進(jìn)行測量，由于信號遠(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)阻抗不對稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動輸人方式。對測量電路的基本要求是：高輸人阻抗，以抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對稱引人的誤差。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)式高阻測量放大器，同相并聯(lián)式高阻測量放大器，高共模抑制測量放大器 用分離元件構(gòu)建測量放大器需要花費(fèi)很多

8、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的放大。又因其具有很高的共模抑制比，對溫度的變化，電源的波動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。按輸入信號性質(zhì)又可分為直流放大器和交流放大

9、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、單端輸出型差動放大器常用于多級差分放大電路的中間極或末極。13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)測只有104，共模抑制能力太差。方案2同相并聯(lián)式高阻抗測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等優(yōu)點(diǎn)。線路前級為同相差動放大結(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，

10、因而不需精密匹配電阻。后級的作用是抑制共模信號，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，后級的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級取高值，后級取低值。該測量放大器由運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運(yùn)放U3組成第二級差分放大電路，對測量電路的基本要求是：高輸入阻抗，以抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對稱引入的誤差。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)式高阻測量放大器，同相并聯(lián)式高阻測量放大器。抑制共模信號傳遞的最簡單方法是在基本的同

11、相并聯(lián)電路之后，再接一級差動運(yùn)算放大器，它不僅能割斷共模信號的傳遞，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組成的前置級的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級的共模抑制比。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 Ac=R3/R2(1+2R1/Rw) CMRR=(Ac12*CMRR3*CMRR12)/( Ac12*CMRR3+ CMRR12)若 CMRR12

12、>>Ac12*CMRR3則有 CMRR=AC12*CMRR3其中Ac12和CMRR12為A1和A2組成的前置級的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級的共模抑制比。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-0.35uvp-p（0.1hz-10hz）2.極低的輸入失調(diào)電壓-10uv 3.極低的輸入失調(diào)電壓溫漂-0.2uf/c 4.具有長期的穩(wěn)定性-0.2uv/mo 5.低的輸入偏置電流-+1na 6.高的共模抑制比-126db 7.寬的共模輸入電壓范圍-+-14v 8.寬的電源電壓范圍-+-3v+-22v 9.可替代725，108A，741，A

13、D510等電路2直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)2.1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。2.2電路設(shè)計(jì)及原理2.2.1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：Iomax=1.5A,最小輸入輸出壓差(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大輸入電壓8-40V，均能滿足性能要求。2.2.2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 P2

14、(W)<101030308080200效率0.60.70.80.85集成穩(wěn)壓器的輸入電壓Ui=(12+3)/0.9=17V而變壓器的副邊電壓U2=Ui/(1.11.2)=15V,I2>Iomax=1.5A變壓器效率為0.7,則其功率P2>U2*I2=22.5W為留有余地，故選擇功率25W的變壓器。2.2.3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,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均滿足要求濾波電容為C=IomaxT/2Ui=1500uF,它的耐壓應(yīng)大于21V,因而可取2200uF/25V的電容。2.2.4選穩(wěn)壓器由于要輸出正負(fù)12

15、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：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、信號變換放大器設(shè)計(jì)3) 設(shè)計(jì)并制作一個信號變換放大器，參見圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。 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不失真的轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。為了使信號不失真，就需保證電路的對稱性。 設(shè)計(jì)采用單端輸入、雙端輸出的差動放大級進(jìn)行信號的變

16、換電路中使用OP07運(yùn)算放大器，同相放大器結(jié)成射級跟隨器，前端輸入進(jìn)行分壓，從而使Vo+=1/2Vin，反相放大器的Av=-R6/R2=-0.5,使得Vo-=-0.5Vin，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Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，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。4.放大器性能測試放大器性能測試：首先調(diào)零，將輸入端短接，即將輸入信號置零，調(diào)節(jié)各個電位器的調(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

17、電橋的輸出電壓，手動調(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，用示波器觀察測量放大器的輸出波形。對于測量放大器放大倍數(shù)的測量，設(shè)置放大倍數(shù)然后用萬用表測電橋的輸出電壓及測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。測量放大器的頻率響應(yīng)測試：首先對信號變換電路進(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)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號源，然后將輸出信號通過信號變換電路將單端輸出轉(zhuǎn)變成雙端輸出，再將信號變換器的輸出信號接到測量放大器的輸入端合理設(shè)置輸出電壓及測量放大器的放大倍數(shù)，然后用交流毫伏表測量放大器和信號變換電路的輸

18、出電壓，并改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率，得到不同頻率下的放大倍數(shù)。仿真圖信號變換放大器波形穩(wěn)壓源波形5.主要電路參數(shù)計(jì)算5.1前端放大電路第一級差模放大倍數(shù)Av1計(jì)算如下：Vi(+)=VA=VC,Vi(-)=VB=VD(VC-VD)/R10=(V01-Vi(+)/R1=(Vi(-)-V02)解得V02-V01=（1+2R1/R10)(VC-VD) =(1+200/22)(VC-VD) =(1+200/22)(Vi(+)-Vi(-)即差模增益Av1=10第一級差模放大倍數(shù)Av2計(jì)算如下：V0=(39/49)V02-V01×39/10+(39/49)V02=(39/49)(V02-V01

19、)此級放大倍數(shù)Av2=3.9所以前端放大倍數(shù)Av=Av1×Av2=10×3.9=395.2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/dt=awcoswt,Sr=dV0/dt max=aw題目要求輸出電壓為 10V，通頻帶 0100Hz，則壓擺率至少要達(dá)到 Sr=10×100×2=6.28×10-3V/S,使用的 OP07 的壓擺率為Sr=0.17×106V/s，理論運(yùn)放的通頻帶為 f=Sr/2a=0.17×106/10/2=2.7×103Hz由于加了低通濾

20、波，通頻帶為 f=1/(2RC)=1/(2×200×0.002×10-3)398Hz 所以系統(tǒng)的理論通頻帶為0398Hz6.心得體會通過本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我懂得首先要對設(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，我掌握了測量放大器的性能測量方法。 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

21、我們曾經(jīng)做過這個實(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，對于各個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。由于對于理論知識學(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，對知識系統(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)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，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，學(xué)會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)”，只有自己動手做過了，才能更貼切更深刻的掌握所學(xué)的知