测量放大器课程设计.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础附件1：学 号： 课 程 设 计题 目测量放大器学 院信息工程学院专 业通信工程班 级姓 名指导教师2014年1月12日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院题 目: 测量放大器 初始条件：op07d集成稳压器5c电容2.2uf10r滑动变阻器5.1k1r滑动变阻器5101r滑动变阻器1m1 cw7815集成稳压器芯片1cw7915集成稳压器芯片1整流桥1二极管2变压器220v-18v1要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）一设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号vi取自桥式测量电路的输出。当r1r2r3r4时，vi0。r2改变时，产生vi 0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。二、要求 1)测量放大器a. 差模电压放大倍数 avd1500，可手动调节；b. 最大输出电压为 10v，非线性误差 105 ；d. 在avd500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1v；e. 通频带010hz ；f. 直流电压放大器的差模输入电阻2mw （可不测试，由电路设计予以保证）。 2)电源设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220v交流电压供电。交流电压变化范围为1015。 3) 设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。时间安排：1.2014年01月03日，查看课设要求，查阅相关资料，学习电路的工作原理2.2014年01月04日，选择方案和电路设计。3.2014年01月05日，用仿真软件仿真并去购选零件等材料。4.2014年01月06日，动手做实物。5.2014年01月07日，调试电路并完成报告。62014年01月12日，课程设计答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1、摘要42、主要设计任务分析42.1、设计任务52.2、要求53、方案设计及论证63.1、测量放大器电路63.2、电源93.3、信号转换放大器104、电路设计原理115、仿真分析135.1、电源的仿真测试135.2、信号转换器的仿真测试145.3、放大电路的仿真测试156、元器件参数的选择166.1选择集成稳压器166.2选择集成运算放大器166.3选择测量放大器所有电阻的选择177、实物178、实验中遇到的问题199、心得体会1910、元件清单2011、参考文献201、摘要本设计主要由测量放大器、信号变换器、稳压电源三部分组成。测量放大器主要是实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电信号的放大，要求有较高的输入电阻，从而减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调以实现对比较大的范围的被测信号的测量，因而测量放大器的前级主要采用差分输入的方式，然后经过双端信号到单端信号的转换，最后经过比较放大器进行放大。信号变换电路主要实现一段信号输出到两端输出的转变，主要采用的是经过改进的差分放大电路，信号变换在本设计中的用途主要是用于对测量放大电路的频率相应进行测试。稳压电源电路主要用于为运放供电，包括测量放大电路及信号中的运放。2、主要设计任务分析2.1、设计任务设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号vi取自桥式测量电路的输出。当r1r2r3r4时，vi0。r2改变时，产生vi 0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。2.2、要求 1)测量放大器g. 差模电压放大倍数 avd1500，可手动调节；h. 最大输出电压为 10v，非线性误差 105 ；j. 在avd500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1v；k. 通频带010hz ；l. 直流电压放大器的差模输入电阻2mw （可不测试，由电路设计予以保证）。 2)电源设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220v交流电压供电。交流电压变化范围为1015。 3) 设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。2.3、 发挥部分（1）提高差模电压放大倍数至avd1000，同时减小输出端噪声电压。（2）在满足基本要求(1)中对输出端噪声电压和共模抑制比要求的条件下，将通频带展宽为0100hz以上。（3）提高电路的共模抑制比。（4）差模电压放大倍数avd可预置并显示，预置范围11000，步距为1，同时应满足基本要求(1)中对共模抑制比和噪声电压的要求。（5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。3、方案设计及论证3.1、测量放大器电路基本设计思路根据题目高共模抑制比的设计要求，所寻求的最佳解决方案是输入特性对称的差动放大电路，应该是商品测量放大器，因此应用集成运算放大器和必要的其他元器件组成，参见图三。图三方案一直接采用高精度ua741运算放大器结成悬置电桥差动放大器：利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合，放大主要通过后一级的比例放大器获得，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不高，但是其输入阻抗低，共模抑制比、失调电压和失调电流等参数亦受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路十分简单，元器件较少，但仍将其舍弃。参见图4。图三图三图四方案二同相关联式高阻测量放大器：线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模，共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益，失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需要精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻精度则要求匹配。增益分配一般前级取高值，后级取低值。该方案电路结构简单，易于定位和控制。只是调节增益必须手动调节电位器。所以采用本方案。参见图5。图五方案三在没有更好地集成运算放大器（包括增益可程控的集成运算放大器）的条件下，实现测量放大器的最好方案就是应用集成放大器中的精密集成运算放大器。为了充分发挥的性能，要将的调零电路在测量放大器电路之内，另外，由于在前级采用了差分放大电路，有效的抑制了零点漂移的现象，并且有效的共模抑制能力，参见图六。图六为了改善集成运算放大器的电源阻抗，在每个集成运算放大器的正、负电源对地均接有用于旁路的的陶瓷贴片电容器：为了能达到倍的增益可调且是精确调节，增益调节电阻采用三只不同阻值的可调电阻串联而成。3.2、电源如图七图七如图所示的电路是采用和型号的集成稳压器芯片组成的具有同时输出、电压的稳压电路。该电路对称性好，温度特性也近似一致。电源输出端接有二极管和。如果不接保护二极管，输出电压通过加到的输出端，必将烧坏。在正常工作情况下，和均处于截止状态，不影响电路的工作。假如，输入电压未接入，此时的输出电压将通过外接负载接到的输出端，使得正向导通，将输出端输出电压钳位在，保证不致损坏。3.3、信号转换放大器 信号转换放大器实际上是将单端输入信号转换成差动输入信号，因此，最简单的方法就是采用一个增益为一的反相放大器输出与信号源输出组合即可。考虑到信号源的输出阻抗可能与反相放大器的输出阻抗不一致，比较理想的方案是先用一个跟随器，再接一个增益为一的反相放大器。最终将跟随器输出与反相放大器输出组合得到所要求的双端输出信号。信号的转换电路如图八所示。 图八为了获得良好的对称性，所有电阻选择同一阻值的精度为1%的10k金属膜电阻，由于各电阻之间的阻值容差远优于精度，所以实际上可以获得优于0.5%的精度。4、电路设计原理直流稳压电源的工作原理很多电子设备、家用电器都需要直流电源供电，其中除了少量的低功耗、便携式的仪器设备选用干电池供电外，绝大多数电子设备正常工作需要直流供电，而常用的电源市电是220v或380v的交流电，因此需要把交流电变换成直流电。变换的方法是由交流电网经过变压、整流、滤波、稳压这几个步骤来获得直流电源的。变压电路的作用是将220v的交流电转换成电路所需要的低压交流电，用普通的电源变压器即可实现变压的目的。整流电路的功能是将交流电转换为具有直流电成分的脉动直流电，实现整流的电路有半波整流电路或桥式全波整流电路。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。具体的电路分析如图九。图九变压部分主要由变压器组成，由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而可以得到相位相反的两个15v的交流源，输入到下一级的整流桥；整流部分主要由四个二极管组成的整流桥组成，依据二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高；滤波部分的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中采用电容滤波电路，将滤波电容c直接并联在负载rl两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大；稳压部分主要由稳压芯片组成，在稳压芯片两端各加一个用于频率补偿的电容，防止产生自激，经过稳压芯片稳压后，输出基本为稳定的直流，尾端加上470f的电容主要是用于滤除电路中可能存在的高频影响。直流稳压电源，设计要求当单相220v交流电压供电时交流电压变化范围为+10%-15，仍能正常工作，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管、7815、7915最小压降ud。5、仿真分析5.1、电源的仿真测试见图十图十电源部分参数分析理论值仿真值实际测量值误差+15v+15.0v+15.532v+15.21v1.4%-15v-15.0v-15.516v-15.30v2.0%经数据分析，电源的误差在允许的范围内，故可以为后面的电路提供电源及测试需要。5.2、信号转换器的仿真测试信号转换放大器实际上是将单端输入信号转换成差动输入信号，因此，最简单的方法就是采用一个增益为一的反相放大器输出与信号源输出组合即可。考虑到信号源的输出阻抗可能与反相放大器的输出阻抗不一致，比较理想的方案是先用一个跟随器，再接一个增益为一的反相放大器。最终将跟随器输出与反相放大器输出组合得到所要求的双端输出信号。见图十一。图十一5.3、放大电路的仿真测试见图十二输入差模电压设定放大倍数输出差模电压实际放大倍数放大倍数相对误差0.002312000.461199.460.00270.32206.198419.930.00350.3451.69664.980.0040.541.9853.970.0071.61711.226.970.0041.6469.795.970.005图十二6、元器件参数的选择6.1选择集成稳压器选三端固定稳压器lm7815和lm7915,其性能参数为：iomax=1.5a,最小输入输出压差(ui-uo)min=3v,最大功率30w，最大输入电压8-40v，均能满足性能要求。参见图十三图十三6.2选择集成运算放大器集成运算放大器选用op07，但是不同生产厂商的op07的具体参数略有不同，如maxim的op07就比ti的op07性能好一些。6.3选择测量放大器所有电阻的选择测量放大器中差动放大器的输出电阻、反馈电阻和匹配电阻均应选择0.1%精度，如果选择1%至5%精度的电阻，其共模抑制比将被大大衰减。信号转换电路选用电阻的精度为1%，在设置匹配电阻时，通过精选，选择出阻值容差接近0.2%的电阻，目的就是要尽可能的额确保信号转换的对称性，尽可能的减少共模噪声的混入。稳压电源电路选用电阻的精度为1%，采用多只辅助电阻调节正负输出电压的精度与容差。7、实物图十四图十五图十六图十七8、实验中遇到的问题在实验中，刚开始查找资料的时候，由于资料的种类繁多，而对于我们大学生在实际的电路中给予指导和帮助的却难以发现，所以在资料的选择上有一些困难，但是经过老师所给的参考文献，让我在选择资料的时候，有了一些方向。经过电路的分析设计初步确定了实验的方案，然后又在仿真软件中进行模拟测试，但是由于在设计中所欠缺的电路和模电知识，一些器件的参数确定还是难以确定。所以调试参数又有一些问题，而在真正买元件的时候，经过老板的询问，知道有一些元件他们并没有，所以又经过了改元件参数的过程。在真正做实物的的时候由于自己电路设计时没有很细心，导致设计出的实物连线存在着不简洁的问题。9、心得体会 这是我第一次做课程设计，听到的时候很怕自己做不好，但是没有第一次的尝试就不会有能力的提升。首先是电路的设计，经过在图书馆里查找资料，我终于在几本参考的文献的对比中了解到了基本的设计原理和相应的模电知识，所以在了解后，就开始设计电路，在电路中要确定元件参数的选择，就需要对电路进行计算，计算的结果是理论值，在仿真软件中进行仿真时，又会存在着误差，还需要进行调试，但是使用仿真软件的并不多，所以在刚开始的