測量放大器課程設計

1、模擬電子技術基礎課程設計說明書目 錄摘 要- 2 -Abstact- 3 -1 引言- 3 -2測量放大器 2.1任務- 4 -2.1.1基本要求- 4 -2.1.2 發(fā)揮部分- 5 -2.2測試說明：- 6 -3方案設計與論證：- 7 -3.4電源電路的設計：- 11 -3.4.1降壓部分：- 12 -3.4.2整流部分：- 12 -3.4.3濾波部分：- 12 -3.4.4穩(wěn)壓部分：- 13 -3.5信號變換電路：- 14 -3.6單片機控制部分：- 14 -4主要的電路參數計算- 15 -4.2電源參數的計算：- 17 -5電路調試：- 17 -5.1調試所用儀器：- 18 -5.2電源

2、參數測試：- 18 -5.3放大器放大性能的測試：- 18 -5.4測量放大器的頻率響應測試：- 19 -6元器件清單：- 20 -7設計感想及總結：- 21 -8參考文獻：- 23 -摘 要本設計主要由測量放大器、信號變換器、穩(wěn)壓電源三部分組成，測量放大器主要是實現對微信號的測量，主要通過運用集成運放組成測量放大電路實現對微弱電壓信號的放大，要求有較高的共模抑制能力及較高的輸入電阻，從而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可調以實現對比較大的范圍的被測信號的測量，因而測量放大器的前級主要采用差分輸入的方式，然后經過雙端信號到單端信號的轉換，最終經比例放大器進行放大，比例放

3、大器的反饋電阻可以由D/A組成的電阻網絡代替，通過單片機對其阻值進行控制，從而實現對放大倍數的控制，放大倍數可以由單片機控制鍵盤進行輸入，控制液晶或數碼管進行顯示。信號變換電路主要實現一端信號輸出到兩端輸出的轉變，主要采用的是經過改進的差分式放大電路，信號變換在本設計中的用途主要是用于對測量放大電路的頻率響應進行測試。穩(wěn)壓電源電路主要用于為運放及電橋供電，包括測量放大電路及信號變換器中的運放。AbstactThe design is mainly maded of three parts of measuring amplifiers, signal converters, power sup

4、ply. Measuring amplifier is mainly to achieve micro-signal measurements, primarily through the use of integrated operational amplifier circuit to enlarge the composition of measurement of weak voltage signal amplification, requiring a higher common mode rejection capability and high input resistance

5、, thereby reducing error of measurement and the impact of the circuit under test and it requires magnification adjustable amplifier in order to achieve greater contrast to the scope of the measured signal measurement. So differential input is the measurement of the pre-amplifier i, and then after a

6、two-terminal signal to the single-ended signal conversion, and ultimated by the ratio of amplifier amplification, the ratio of amplifier feedback resistor from D / A resistor network in place of the composition, through Singlechip its resistance to control, in order to control magnification. Magnifi

7、cation can be controlled by a single-chip keyboard input, control of liquid crystal or digital tube display. Signal transform circuit changes 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 transformatio

8、n in the design is used for measuring the frequency response of amplifier for testing. Regulated power supply circuit is mainly used for the operational amplifier and power supply bridge, including the measurement and signal amplifier OPAMP Converter.1 引言測量放大器能夠將微弱的電信號進行放大，在生活中應用也十分廣泛，如在自動控制領域，往往需要用

9、電壓信號進行控制，也就必然離不開電壓測量放大器，由于測量放大器應用十分廣泛，因而現在已經有集成的測量放大器供使用了。本次課程設計就是圍繞測量放大器展開的，同時還設計了放大器的一些外圍電路，如電源電路和信號變換電路，測量放大器主要是通過運用集成運放將所測量的信號進行不失真的放大，并不對所測量的電路產生影響，這就需要測量放大器有較高的輸入電阻和較高的共模抑制比。2測量放大器2.1任務設計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R1R2R3R4時，VI0。R2改變時，產生VI 1 0的電壓信號。測量電路與放大器之間有1米長的連接線。2.1.1基本要求

10、 1)測量放大器a. 差模電壓放大倍數 AVD1500，可手動調節(jié)；b. 最大輸出電壓為 10V，非線性誤差 105 ；d. 在AVD500時，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 （可不測試，由電路設計予以保證）。 2)電源設計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) 設計并制作一個信號變換放大器，參見圖2。將函數發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。2.1.2 發(fā)揮部分（1）提高差模電壓放大倍數至AVD1000，

11、同時減小輸出端噪聲電壓。（2）在滿足基本要求(1)中對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AVD可預置并顯示，預置范圍11000，步距為1，同時應滿足基本要求(1)中對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）。2.2測試說明：基本要求部分 1)測量放大器a. 差模電壓放大倍數的測量:通過改變R2的阻值產生差模輸入電壓信號。b. 非線性誤差的測量：在AVD=100的條件下，分別測量VI為 25mV、 50mV、 75mV、 100mV時的輸出電壓，求出非線性誤差的最大值。c. K

12、CMR的測量：在AVD=500、VI0的條件下，分別測出VA15V、VB0和VA0、VB15V時的共模電壓放大倍數，取較大的一個計算KCMR。d. 輸出端噪聲電壓的測量：在R1R2R3R4、VI0的條件下，用示波器測量輸出端噪聲電壓峰峰值。e. 通頻帶的測量：用信號變換放大器取代橋式測量電路，信號變換電路的輸入信號由函數發(fā)生器或低頻信號發(fā)生器給出。 f. 不測量電壓放大器的輸入阻抗，僅根據對電路的分析，判斷它能否滿足對輸入阻抗的要求。直流穩(wěn)壓電源的測量：交流電壓變化10和15時，AVD和KCMR應保持不變。 2) 發(fā)揮部分：第(3)、(4)項KCMR的測量：仍然在AVD=500的條件下,按前述

13、方法進行。在第(5)項有特色分者，應對設計的特色加以明確、具體的說明。3方案設計與論證：方案一：如圖一所示，直接采用高精度OP放大器接成懸置電橋差動放大器：利用一個放大器將雙端輸入信號轉變成單端輸出，然后通過電阻與下一級反向比例放大器進行耦合，放大主要通過后一級的比例放大器獲得，此電路的特點是簡單，實現起來對結構工藝要求不高，但是其輸入阻抗低，共模抑制比失調電壓和失調電流等參數亦受到放大器本身性能限制不易進一步提高，且無法抑制放大器本身的零漂及共模信號產生，雖然電路十分簡單，元器件較少，但仍將其舍棄。圖一 方案一電路圖方案二：采用比較通用的儀用放大器，如圖二所示，它是由運放A1A2按同相輸入法

14、組成第一級差分放大電路。運放A3組成第二級差分放大電路。在第一級電路中，v1v2分別加到A1和A2的同相端,R1和兩個R2組成的反饋網絡，引入了負反饋，兩運放A1、A2的兩輸入端形成虛短和虛斷，通過計算可以得到電路的電壓增益，適當的選擇電阻的阻值即可實現放大倍數的改變，并且可以將R1用一個適當阻值的電位器代替，通過調節(jié)電位器即可實現對放大倍數的控制。該電路的優(yōu)點是，電路簡單，原件較少，A1和A1兩個放大器組成差分放大電路，可以有效地抑制共模信號，并且為雙端輸出，其共模放大倍數理論為0，因而可以大大的提高共模抑制比，并且由于輸入信號V1和V2都是A1、A2的同相端輸入，根據虛短和虛斷，流入放大器

15、的電流為0所以輸入電阻Ri，并且要求兩運放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模共模輸入電阻大的特點外，兩運放的共模增益、失調及其漂移產生的誤差也相互抵消，但由于本實驗要求放大倍數可以調節(jié)，通過電位器調節(jié)放大倍數，電位器的阻值無法準確獲得，因而放大倍數無法準確得到，因而，本方案并不能完全滿足實驗要求，故舍棄本方案。圖二 方案二電路圖方案三：主要是對第二種方案的合理改造，如圖三所示，電路前級放大仍然采用差分式輸入的方式，采用雙端輸入雙端輸出，能有效的提高抑制共模抑制比，并且由于，電路了零漂的影響主要來自第一級放大，因而第一級采用了差分式輸入的方式，就能有效的提高整個電路的共模抑制能力，然后再通過A

16、3進行信號變換，將雙端輸入信號轉變成為單端出，為提高電路的共模抑制能力，A3為節(jié)約成本仍采用OP07，為提高其共模抑制能力以及精準度，為其加入了調零電路，并且為保證電路對稱，用固定電阻R6與可變電阻R7串聯后與R5進行匹配，從而提高電路的對稱性，減少溫度漂移的影響，然后再接一級比例放大，通過調節(jié)R12的阻值即可改變整個電路的放大倍數，經過仿真測試，基本能滿足實驗要求，并且對于擴展部分，可以將R12用一個電阻網絡代替，用單片機對其阻值進行控制即可滿足放大倍數的調節(jié)，并且經過理論分析基本可以滿足步進為1的要求，鑒于以上原因，將采用本電路。OP07作為常用的運放主要以下特點：1) 低的輸入噪聲電壓幅

17、度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 極低的輸入失調電壓10 V3) 極低的輸入失調電壓溫漂0.2 V/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/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 3V 22V9) 可替代725、108A、741、AD510 等電路圖三 方案三電路圖3.4電源電路的設計：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，在能滿足實驗要求的基礎上，盡可能簡化電路，采用的是比較常用的穩(wěn)壓電源電路，主要利用兩個穩(wěn)壓芯片，LM7815及LM7915產生所需要的的電壓輸出，其電路如圖四所

18、示：圖四 直流穩(wěn)壓電源電路由于運放需要雙電源供電，因而采用雙輸出的變壓器實現雙電源的輸出，運放所需要的電源為所以采用15V輸出的變壓器足以滿足要求，對于該穩(wěn)壓電源的基本原理簡要說明如下：圖五 電路各個部分圖3.4.1降壓部分：降壓部分主要由變壓器組成，由于要為雙電源的運放供電，因此要采用三抽頭的變壓器從而可以得到相位相反的兩個15V的交流源，輸入到下一級的整流橋，變壓器的型號為15V的輸出，功率要大于10W。3.4.2整流部分：整流部分主要由四個二極管組成的整流橋組成，依據二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連

19、，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利 圖六 整流電壓波形 用，效率較高。經過整流后電路中的電流及電壓的波形變化如右圖所示。整流部分采用的是成品的整流堆，耐壓值要高于45V。3.4.3濾波部分：濾波部分主要有兩個容量很大的電容構成，利用的是大電容充放電時間較長的原理，將整流后的波形進一步平整化，為后一級的穩(wěn)壓部分提供近似于直流 圖七 濾波后波形的電源，濾波后的波形如右圖所示。實驗電路中電容的容量取3300uF，足

20、以滿足實驗的要求。 3.4.4穩(wěn)壓部分：穩(wěn)壓部分主要有穩(wěn)壓芯片組成，在穩(wěn)壓芯片兩端各加一個用于頻率補償的電容，防止產生自激，經過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，輸出基本為穩(wěn)定的直流，能夠滿足設計電路的供電要求。穩(wěn)壓芯片選用的是常用的LM7815和LM7915，其中，LM7815輸出的是正的15V，而LM7915輸出的是負的15V。尾端加的47uF的電容主要是用于濾除電路中可能存在的高頻影響。穩(wěn)壓芯片lm7815的主要參數：輸出電流可達1A輸出電壓有： 15V輸出晶體管SOA 保護 7815極限值（Ta=25）VI-輸入電壓(VO=518V) 35V (VO=24V) 40VRJC-熱阻（結到殼）5/W RJA

21、-熱阻（結到空氣）65/WTOPR-工作結溫范圍0125 TSTG-貯存溫度范圍-651507915參數：相關引腳：1地，GND 2輸入，INPUT 3輸出，OUTPUT 圖八7815引腳圖7915系列為3端負穩(wěn)壓電路,TO-220封裝，有不同的固定輸出電壓，應用范圍廣。 輸出電流可達1A 輸出電壓有： -15V 過熱保護短路保護 輸出晶體管SA補償。VI-輸入電壓 -35V TOPR-工作結溫范圍 0125 TSTG-貯存溫度范圍 -651503.5信號變換電路：信號變換電路主要完成單端輸入信號變雙端輸出的功能，用作測量直流放大器頻率特性測試的輸入信號，較為簡單的方法是采用差分放大器的方法，

22、取單端信號經差分放大后雙端輸出即可，為保證信號不失真，必須好保證電路的對稱性，為保證電路的精度，采用兩個高精度、低漂移OP07運放代替晶體三極管，原理圖如圖六所示，為保證電路進度，兩個運放都引入了調零電路，防止因放大器的溫度漂移而產生影響，并且為防止波形的幅度失真，引入了電位器R5對Vout2的輸出幅度進行調節(jié)。由于是從同向輸入端輸入因此電路的輸入阻抗很高，能夠滿足實驗的要求。3.6單片機控制部分：本設計中由于需要測量放大器的放大倍數可以手動調節(jié)，因采用電位器是電位器接入電路的電阻無法準確獲得，若采用撥碼開關，這會帶來調節(jié)上的繁瑣，由于采用不同的數制并且放大倍數與反饋電阻R12的值的關系，并不

23、容易就算，而采用單片機結合數模轉換器便能很好的解決這一問題，本設計對于單片機的要求并不是很高，采用比較常用的AT89S52單片機足以滿足實驗的要求，另外，作為放大倍數調整的輸入設備，我們采用了矩陣式鍵盤，通過單片機控制對鍵盤進行掃描，作為輸出顯示，由于設計要求11000倍可調，故采用四位數碼管作為放大倍數的顯示部分，同樣有單片機對其進行控制，作為放大倍數調節(jié)的核心元件，我們采用了常用的AD7520數模轉換芯片，其內部結構示意圖如下如所示：圖九 AD7520內部示意圖 內部一般為電阻R-2R梯形網絡，并集成多路集成模擬開關，采用與常規(guī)DA變換不同的接法，利用電阻網絡變換進行電路放大倍數的控制。原

24、理是通過單片機控制電阻是否接通而改變接入電路的電阻的阻值，然后通過單片機對放大倍數進行計算，再將結果送到數碼管進行顯示，實際設計中，單片機的控制流程為，首先由單片機讀入預置放大倍數，然后用戶通過鍵盤輸入放大倍數，然后根據用用戶輸入的放大倍數改變接入電路的電阻的阻值，從而使測量放大電路工作在所輸入的放大倍數狀態(tài)下。4主要的電路參數計算4.1前端放大電路部分（利用圖三原理圖進行計算）：第一級差模放大的電壓放大倍數計算：由于運放A1、A2均滿足虛短和虛斷，流入兩運放的電流均可認為為零，故有 得到：運放A3實際構成求差點路滿足關系式：帶入該關系式得到運放A4接成的是反向比例放大器，滿足關系式：因而最終

25、測量放大器的放大倍數為：從式子中可以看到通過調節(jié)R12的值即可實現對測量放大器放大倍數的調節(jié)，其前級主要用于抑制共模信號及提高整個電路的輸入電阻，并不承擔主要的放大任務，放大主要由最后一級比例放大器來完成，因而在電阻選擇上考慮到這方面因素，本設計前級放大器的放大倍數最后一級放大倍數而R12是一個100k的電位器，R11阻值為10k，故最后一級的增益最高可達600倍，最小增益可以小于1，完全可以滿足實驗的基本要求，但滿足不了發(fā)揮部分的要求，因而在實際制作中將R10的值適當調小，即可滿足放大倍數11000且手動可調的要求。4.2電源參數的計算：直流穩(wěn)壓電源要求由單相220V交流電壓供電，交流電壓變

26、化范圍為1015時，直流電壓的輸出基本不變，使放大器能夠正常工作。本次設計穩(wěn)壓電源要求輸出電壓為15V，電流輸出設計最大為0.5A，足以滿足對運放的供電要求，計算濾波電容時考慮到整流二極管、7815及7915的最小壓降，二極管為0.7V，7815及7915為Ud在0.01s內單相220V交流電的變化為實際設計中，濾波電容C取3300F完全可以滿足實驗的基本要求，穩(wěn)壓芯片的接法采用的是芯片使用手冊提供的比較典型的接法。5電路調試：5.1調試所用儀器：表一：序號儀器名稱數量1數字萬用表1臺2雙蹤示波器1臺3函數信號發(fā)生器1臺4交流毫伏表1臺在確定好實驗方案后，我們依據設計的的方案做出了實物，并進行

27、了調試，5.2電源參數測試：對電源的測試，試驗中測得所設計電源的相關參數如下：表二：+15V輸出端電壓-15V輸出端電壓理論值+15.0V-15.0V測量值+15.04V-14.94V誤差0.27%0.4%5.3放大器放大性能的測試：首先進行調零，將輸入端短接，即將輸入信號置零，調節(jié)各個電位器的調零電阻，直至輸出電壓為零，完成調零操作，然后將電橋加電壓，用萬用表測電橋的輸出電壓，手動調節(jié)可變電位器，直至電橋的輸出電壓為5mV，然后用1m長的導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，發(fā)現有毛刺狀的雜波，進分析，確定為導線過長引入了高頻干擾，而設計電路中的電容C1本意就是為濾除高頻

28、信號干擾而設置的，但實際效果并不理想，于是采用雙絞線代替普通導線進行信號傳遞，重新觀察測量放大器的輸出波形，發(fā)現輸出波形有了明顯的改善。對于測量放大器放大倍數的測量，通過鍵盤設置放大倍數，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，求出實際電壓放大倍數，然后與設置的電壓放大倍數相比較，即可得到測試放大器的放大性能與精度，以下是測量時得到的數據記錄表三：輸入 電壓設置放大倍數輸出 電壓實際放大倍數輸入 電壓設置放大倍數輸出 電壓實際放大倍數0.0053001.543080.2255.125.50.011001.051050.32206.4220.60.023501.196530.5

29、42.014.020.06503.06511.61711.266.990.12303.6301.6469.835.990.18325.77832.12.1511.25751.055.4測量放大器的頻率響應測試：首先要對信號變換電路進行調零，同樣是將輸入短接，及輸入端直接接地，然后調節(jié)用函數信號發(fā)生器產生信號源，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，合理的設置輸出電壓及測量放大器的放大倍數，然后用交流毫伏表測測量放大器和信號變換電路的輸出電壓，并改變函數信號發(fā)生器的輸出頻率，計算不同頻率下的放大倍數，預置值進行比較，得出測量放大器的頻率響應。以下是實際測試的記錄表格：表四：輸入