模電課設(shè)測(cè)量放大器

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目測(cè)量放大器學(xué) 院信息工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)通信工程班 級(jí)0903 姓 名彭文燦指導(dǎo)教師撒繼銘 劉雪冬2011年1月11日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 彭文燦 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信0903班 指導(dǎo)教師： 撒繼銘 劉雪冬 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 測(cè)量放大器 初始條件： 1.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。 2.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室。要求完成的主要任務(wù): 1.電路的理論設(shè)計(jì)。 2.按照要求焊接實(shí)物，并調(diào)試電路功能。 3.根據(jù)理論知識(shí)書(shū)寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。時(shí)間安排：第18周（1、2節(jié)）：理論講解；地點(diǎn)：鑒主404。第19周：（1）確定技術(shù)方案、電路，并進(jìn)行分析計(jì)算， 時(shí)間1天； （2）選擇元

2、器件、安裝與調(diào)試，或仿真設(shè)計(jì)與分析，時(shí)間2天； 地點(diǎn)：鑒主15通信工程實(shí)驗(yàn)室（1），鑒主13通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室； （3）總結(jié)結(jié)果，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯，時(shí)間2天。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要4Abstract51 測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)61.1基本要求61.2方案設(shè)計(jì)與論證82 直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)112.1基本要求142.2電路設(shè)計(jì)及原理122.1.1選擇集成穩(wěn)壓器122.1.2選擇電源變壓器12選擇整流二極管及濾波電容132.1.4選擇穩(wěn)壓器143 信號(hào)變換放大器的設(shè)計(jì)143.1基本要求143.2電路設(shè)計(jì)154 主要電路的參數(shù)計(jì)算1741前端放大電路的計(jì)算

3、1742電源參數(shù)的計(jì)算1743通頻帶的計(jì)算175 實(shí)物206 設(shè)計(jì)心得207 原件清單208 參考文獻(xiàn)22摘 要在數(shù)據(jù)的采集中，經(jīng)常會(huì)遇到一些微弱的微伏級(jí)信號(hào)，需要用放大器加以放大。放大器的類(lèi)型分為通用運(yùn)算放大器和測(cè)量運(yùn)算放大器。由于通用運(yùn)算放大器具有mV級(jí)失調(diào)電壓、數(shù)uV/的溫漂，不可能用于放大微弱信號(hào)。而測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器u，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)方面起到重要作用。本設(shè)計(jì)主要由測(cè)量放大器,信號(hào)變換器,穩(wěn)壓電源三部分組成,測(cè)量放大器主

4、要是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的測(cè)量,主要通過(guò)運(yùn)用集成放組成測(cè)量放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電壓信號(hào)的放大,要求有較高的共模仰制能力及較高的輸入電阻.從而減少測(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)以實(shí)現(xiàn)對(duì)比較大的范圍的被測(cè)信號(hào)的測(cè)量,因而測(cè)量放大器的前級(jí)主要采用差分輸入的方式,然后經(jīng)過(guò)雙端信號(hào)到單端的轉(zhuǎn)換, 最終經(jīng)比例放大器進(jìn)行放大,比例放大器的反饋電阻可以由D/A組成的電阻網(wǎng)絡(luò)代替,通過(guò)單片機(jī)對(duì)其組值進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的控制,放大倍數(shù)可以由單片機(jī)控制鍵盤(pán)進(jìn)行輸入,控制液晶或數(shù)碼管進(jìn)行顯示.信號(hào)變換電路主要實(shí)現(xiàn)一端信號(hào)輸出到兩端輸出的轉(zhuǎn)變,主要采用的是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的差分式放大電路,信號(hào)變換在設(shè)計(jì)

5、中的用途主要是用于對(duì)測(cè)量放大電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試.穩(wěn)壓電源電路主要用于為運(yùn)放及電橋供電,包括測(cè)量放大電路及信號(hào)變換器中的運(yùn)放.AbstractThe design is mainly made of three parts of measuring amplifiers, signal converters, power supply. Measuring amplifier is mainly to achieve micro-signal measurements, primarily through the use of integrated operational amplifier

6、 circuit to enlarge the composition of measurement of weak voltage signal amplification, requiring a higher common mode rejection capability and high input resistance, thereby reducing error of measurement and the impact of the circuit under test and it requires magnification adjustable amplifier in

7、 order to achieve greater contrast to the scope of the measured signal measurement. So differential input is the measurement of pre-amplifier I, and then after a two-terminal signal to the signal-ended signal conversion, and ultimate by the ratio of amplifier amplification, the ratio of amplifier fe

8、edback resistor from D/A resistor network in place of the composition ,through Single chip its resistance to control, in order to control magnification. Magnification can be controlled by a signal-chip keyboard input, control of liquid crystal or digital tube display. Signal transform circuit change

9、s one end of the main signal output to two ends of output, mainly using an improved differential amplifier circuit, the main purpose of the signal transformation in the design id used for measuring the frequency response of amplifier for testing. Regulated power supply circuit is mainly used for the

10、 operational amplifier and power supply bridge, including the measurement and singal amplifier OPAMP Converter. 1 測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)1.1 基本要求一、設(shè)計(jì)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(jiàn)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VI 0的電壓信號(hào)。測(cè)量電路與放大器之間有1米長(zhǎng)的連接線。二、要求  1)測(cè)量放大器a. 差模電壓放大倍數(shù) AVD1500，可手動(dòng)調(diào)節(jié)；b. 最大輸出電壓為± 10V，非

11、線性誤差 < 0.5 ；c. 在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內(nèi)，共模抑制比 KCMR >105 ；d. 在AVD500時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1V；e. 通頻帶010Hz ；f. 直流電壓放大器的差模輸入電阻2MW （可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）。  2)電源設(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。  3) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)變換放大器，參見(jiàn)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)。三、 發(fā)揮部分（1）提高差模電壓放

12、大倍數(shù)至AVD1000，同時(shí)減小輸出端噪聲電壓。（2）在滿(mǎn)足基本要求(1)中對(duì)輸出端噪聲電壓和共模抑制比要求的條件下，將通頻帶展寬為0100Hz以上。（3）提高電路的共模抑制比。（4）差模電壓放大倍數(shù)AVD可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍11000，步距為1，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足基本要求(1)中對(duì)共模抑制比和噪聲電壓的要求。（5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。四、測(cè)試說(shuō)明：1 基本要求部分  1)測(cè)量放大器a. 差模電壓放大倍數(shù)的測(cè)量:通過(guò)改變R2的阻值產(chǎn)生差模輸入電壓信號(hào)。b. 非線性誤差的測(cè)量：在AVD=100的條件下，分別測(cè)量VI為± 25mV、± 50mV、

13、7; 75mV、± 100mV時(shí)的輸出電壓，求出非線性誤差的最大值。c. KCMR的測(cè)量：在AVD=500、VI0的條件下，分別測(cè)出VA15V、VB0和VA0、VB15V時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)，取較大的一個(gè)計(jì)算KCMR。d. 輸出端噪聲電壓的測(cè)量：在R1R2R3R4、VI0的條件下，用示波器測(cè)量輸出端噪聲電壓峰峰值。e. 通頻帶的測(cè)量：用信號(hào)變換放大器取代橋式測(cè)量電路，信號(hào)變換電路的輸入信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器或低頻信號(hào)發(fā)生器給出。 f. 不測(cè)量電壓放大器的輸入阻抗，僅根據(jù)對(duì)電路的分析，判斷它能否滿(mǎn)足對(duì)輸入阻抗的要求。直流穩(wěn)壓電源的測(cè)量：交流電壓變化10和15時(shí)，AVD和KCMR應(yīng)保持不變。&

14、#160; 2) 發(fā)揮部分：第(3)、(4)項(xiàng)KCMR的測(cè)量：仍然在AVD=500的條件下,按前述方法進(jìn)行。在第(5)項(xiàng)有特色分者，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)的特色加以明確、具體的說(shuō)明。 a、差模電壓放大倍數(shù)  AVD1500，可手動(dòng)調(diào)節(jié)；b、最大輸出電壓為±10V，非線性誤差 < 0.5 ；c、在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內(nèi)，共模抑制比 KCMR >105 ；d、在AVD500時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1V；e、通頻帶010Hz ；f、直流電壓放大器的差模輸入電阻2MW（可不測(cè)試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）。1.2 方案設(shè)計(jì)與論證(1)方案一：低噪聲前置放大電路的設(shè)計(jì)，如

15、圖1。本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入阻抗較高，放大倍數(shù)可調(diào)，但是共模抑制比較小。實(shí)測(cè)只達(dá)到104，所以我們放棄本方案。 低噪音前置放大電路最初方案（ 圖1）（2）方案二：如圖2直接采用高精度OP放大器接成懸置電橋差動(dòng)放大器：利用一個(gè)放大器將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成單端輸出，然后通過(guò)電阻與下一級(jí)反向比例放大器進(jìn)行耦合，放大主要通過(guò)后一級(jí)的比例放大器獲得，此電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)工藝要求不高，但是其輸入阻抗低，共模抑制比小。失調(diào)電壓和失調(diào)電流等參數(shù)也受到放大器本身性能限制不易進(jìn)一步提高，且無(wú)法抑制放大器本身的零漂及共模信號(hào)產(chǎn)生，雖然電路十分簡(jiǎn)單，元器件比較少，但仍將其舍棄。 圖2（3）如圖三。該電路是由

16、運(yùn)放A1A2按同相輸入法組成第一級(jí)差分放大電路.運(yùn)放A3組成第二級(jí)差分放大電路.在第一級(jí)電路中,V1V2分別加到A1和A2的同相端,R1和兩個(gè)R2組成的反饋網(wǎng)絡(luò),引入了負(fù)反饋,兩運(yùn)放A1,A2的輸入端形成虛短和虛斷,通過(guò)計(jì)算可以得到電路的電壓增益.適當(dāng)?shù)倪x擇電阻的阻值即可實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的改變,并且可以將R1用一個(gè)適當(dāng)值的電位器代替,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的控制.該電路的優(yōu)點(diǎn)是,電路簡(jiǎn)單,原件較少,A1和A1兩個(gè)放大器組成差分放大電路,可以有效地抑資共模信號(hào),并且為雙端輸出,其共模放大倍數(shù)理論為0，因而可也大大的提高共模抑制比,并且由于輸入信號(hào)V1和V2都是A1,A2的同相端輸入,根據(jù)虛

17、短和虛斷,流入放大器的電流為0所以輸入電阻Ri,并且要求兩運(yùn)放的性能完全相同,這樣,線路除具有差摸,共模輸入電阻大的特點(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,但由于本實(shí)驗(yàn)要求放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié),通過(guò)電位器調(diào)節(jié)放大倍數(shù),電位器的阻值無(wú)法準(zhǔn)確獲得,因而放大數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確得到,因而,本方案不能完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求,故舍棄本方案.圖三（4）如圖四。此電路的優(yōu)點(diǎn)在于輸入電壓接在兩個(gè)運(yùn)放的同相端，輸入阻抗高，共模抑制比大，可滿(mǎn)足要求。其中，直流信號(hào)的共模抑制比實(shí)測(cè)可達(dá)2.5×106，交流信號(hào)的共模抑制比可達(dá) 2×105。由電路的對(duì)稱(chēng)性可知共模信號(hào)被有效地抑制，而差模信號(hào)放大了10

18、 倍，從而提高了共模抑制比。另外，溫度在兩個(gè)輸入端引起的漂移是共模信號(hào)，對(duì)輸出電壓影響很小，無(wú)需另加補(bǔ)償。 低噪音前置放大電路（圖四）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(zhǎng)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，AD510等電路2 直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)2.1 基本要求直流穩(wěn)壓

19、電源設(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)及原理直流穩(wěn)壓電源電路主要由變壓部分，整流部分，濾波部分，穩(wěn)壓部分組成，在能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，盡可能簡(jiǎn)化電路，采用的是比較常用的穩(wěn)壓電源電路，主要利用兩個(gè)穩(wěn)壓芯片，LM7815及LM7915產(chǎn)生所需要的+-15V電壓輸出。由于運(yùn)放需要雙電源供電，因而采用雙輸出的變壓器實(shí)現(xiàn)雙電源的輸出，運(yùn)放所需要的電源為15V，所以15V輸出的變壓器即滿(mǎn)足要求，對(duì)于該穩(wěn)壓電源的基本原理如下其電路如圖所示。 直流穩(wěn)壓電源電路（圖5）選擇集成穩(wěn)壓器選三端固定穩(wěn)壓器LM7815和LM7915,其性能

20、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(mǎn)足性能要求。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(lái)選購(gòu)(或自繞)變壓器。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。選整流二極管

21、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(mǎn)足要求。整流電壓波形（圖6）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。濾波后波形（圖7）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：3 信號(hào)變換轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)3.1 基本要求信號(hào)變換放大器設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)變換放大器.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

22、頻率特性的輸入信號(hào)。 圖83.2 電路設(shè)計(jì) 我們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。同時(shí)用高精度、低漂移的運(yùn)放來(lái)代替晶體三極管。本電路使用的運(yùn)放是 OP07，如圖 9。 改進(jìn)前的信號(hào)放大器（圖9）我們?cè)谡{(diào)試圖 9 所示的電路中，發(fā)現(xiàn)此電路輸入阻抗太低，約為20k，所以我們進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的電路見(jiàn)圖10。此電路從同相端輸入，因此輸入阻抗高，為保證電路進(jìn)度，兩個(gè)運(yùn)放都引入了調(diào)零電路，防止因放大器的溫度漂移而產(chǎn)生影響，并且為防止波形的幅度失真，引入了電位器R6對(duì)Vout2的輸出幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求。 改進(jìn)后的信號(hào)放大器 （圖10 ） 4 主要電路的參數(shù)計(jì)算4.1 前端放大電

23、路的計(jì)算第一級(jí)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(jí)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)此級(jí)放大倍數(shù)Av2=3.9所以前端放大倍數(shù)Av=Av1×Av2=10×3.9=394.2 電源參數(shù)的計(jì)算直流

24、穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)要求當(dāng)單相 220V交流電壓供電時(shí)，交流電壓變化范圍為+10-15仍能正常工作，計(jì)算濾波電容值時(shí)，應(yīng)考慮整流二極管、7815、7915和7805的最小壓降Ud。 輸出±15V時(shí)，設(shè)計(jì)輸出電流至少達(dá)到500 mA。 在0.01 s內(nèi)電壓變化為其中，U=18.75V（變壓器輸出交流電壓），0.7V 為二極管壓降，Ud 為 7815、7915 的最小壓 降。設(shè)計(jì)取C3300F，足以滿(mǎn)足需要。 輸出+5 v，設(shè)計(jì)輸出電流可達(dá)1A。 同理可得其中，U=9.7 V（變壓器輸出交流電壓），1V 為二極管壓降。設(shè)計(jì)取C=4700F，實(shí)際所需電流為幾百毫安，足以滿(mǎn)足要求。同理可證，在電源

25、電壓比正常值小15或大10時(shí)，電路仍能滿(mǎn)足三有超出三端穩(wěn)壓的耐壓范圍。4.3通頻帶的計(jì)算壓擺率是指在額定的滿(mǎn)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由于加了低通濾波，通頻帶為 f=1/(2RC)=

26、1/(2×200×0.002×10-3)398Hz 所以系統(tǒng)的理論通頻帶為0398H 5 實(shí)物6 設(shè)計(jì)心得本次課程設(shè)計(jì)是大學(xué)里的第一次課程設(shè)計(jì)，開(kāi)始面對(duì)它時(shí)我甚至沒(méi)有一點(diǎn)頭緒。從設(shè)計(jì)電路圖到利用軟件得到仿真結(jié)果，不可說(shuō)這個(gè)過(guò)程是相當(dāng)煎熬的。不知道撤銷(xiāo)了多少次，不知道重畫(huà)了多少次，不知道保存又刪除了多少次，這次課設(shè)實(shí)在令我既好奇又頭疼。不過(guò)，付出總是有收獲的，沒(méi)有第一次，就永遠(yuǎn)也不會(huì)，沒(méi)有第一步，便永遠(yuǎn)也不可能走完腳下的路。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們用到了許多模電中學(xué)到的典型電路，比如直流穩(wěn)壓源的電路，放大器的基本電路，比較器的基本電路，以及繼電器的相關(guān)知識(shí)，學(xué)有所用，將它們組合在一起就組成了一個(gè)生活中的一個(gè)實(shí)用的電路，甚是神奇，頓時(shí)增強(qiáng)了我對(duì)于電子電路方面的興趣。本次課程設(shè)計(jì)中，我還學(xué)會(huì)了去查閱各種資料，包括各種沒(méi)有使用過(guò)的芯片，都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查閱到相關(guān)的使用手冊(cè)，十分方便，也加速了課程設(shè)計(jì)的速度，少走了好多彎路，避免了將時(shí)間花費(fèi)在測(cè)試探索，從而有充分的時(shí)間去改進(jìn)電路，在電路調(diào)試中，我又加深了模電課中所學(xué)到的有關(guān)于電路的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)，看到自己做的實(shí)際電路在經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試后終于達(dá)到預(yù)期的效果而感到十分的欣慰與自豪。電路的仿真模擬是擺在自己面前的另一大困難。我們所實(shí)用的仿真模擬軟件multisim