测量放大器---模电课程设计

1课程设计任务书学生姓名戴明威专业班级通信0805指导教师和封面一致工作单位信息工程学院题目测量放大器初始条件三端固定稳压器CW7812,25W电源变压器，若干电容电阻及二极管额定电流为2A的整流桥OP07的运算放大器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）1、设计一测量放大器及其所用的直流稳压电源。差模电压放大倍数AD1005000。最大输出电压为10V，非线性误差小于5。在满足基本要求中对输出端噪声电压和共摸抑制比要求的前提下，将通频带展宽为01000HZ。时间安排第19周理论讲解，时间礼拜一5，6，7、8节地点鉴三204第20周理论设计、实验室安装调试，地点鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）2指导教师签名20010年1月日系主任（或责任教师）签名年月日3目录1、摘要42、测量放大器的设计53、直流稳压源的设计94、信号变换放大器设计125、电路仿真测试136、主要电路参数计算167、心得体会178、元件清单199、参考文献204摘要放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。为了抑制干扰，运放通常采用差动输人方式。对测量电路的基本要求是高输人阻抗,高共模抑制比,高增益及宽的增益调节范围。本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求。测量放大器主要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信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，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已实现对比较大的范围的被测信号的测量。测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大5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VI0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。1测量放大器的设计11设计内容及要求1、设计一测量放大器及其所用的直流稳压电源。差模电压放大倍数AD1005000。最大输出电压为10V，非线性误差小于5。在AV500时，输出噪声电压的峰峰值小于1V。在满足基本要求中对输出端噪声电压和共摸抑制比要求的前提下，将通频带展宽为01000HZ。12设计原理原理概述放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（）。它们通常不需要外部反馈网络。测量放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎6没有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成,而且放大器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增和第二级电路的共摸抑制比的乘积。在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。为了抑制干扰，运放通常采用差动输人方式。对测量电路的基本要求是高输人阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引人的误差。高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引人的误差。高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器，高共模抑制测量放大器用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。用集成运算放大器放大信号的主要优点（1）电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。（3）运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。运算放大器组成的放大电路，按电路的性质可分为反相放大器，同相放大器和差分放大器三种。按输入信号性质又可分为直流放大器和交流放大器两类。差分放大器分为（1）单端输入、单端输出（2）双端输入、单端输出（3）单端输入、双端输出三种，而双端输入、单端输出型差动放大器常用于多级差分放大电路的中间极或末极。713设计方案及实现方案论证与比较方案一低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入阻抗高，放大倍数可调；但是共模抑制比较小，实测只有104，共模抑制能力太差。方案2同相并联式高阻抗测量放大器电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优点。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、共模输人电阻大的特点外，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。8该测量放大器由运放U1和U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路，对测量电路的基本要求是高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器。抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载的需要，电路如图二所示。它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿，以及输出不包含共模信号等优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下降。其中AC12和CMRR12为A1和A2组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比，CMRR2为A3组成的输出级的共模抑制比。方案二比方案一的抑制共模能力强，故采取方案二方案二电路的理想闭环增益和共模抑制比分别为9ACR3/R212R1/RWCMRRAC12CMRR3CMRR12/AC12CMRR3CMRR12若CMRR12AC12CMRR3则有CMRRAC12CMRR3其中AC12和CMRR12为A1和A2组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比，CMRR2为A3组成的输出级的共模抑制比。OP07作为常用的运放主要有以下特点1低的输入噪声电压幅度035UVPP（01HZ10HZ）2极低的输入失调电压10UV3极低的输入失调电压温漂02UF/C4具有长期的稳定性02UV/MO5低的输入偏置电流1NA6高的共模抑制比126DB7宽的共模输入电压范围14V8宽的电源电压范围3V22V9可替代725，108A，741，AD510等电路2直流稳压源的设计21设计内容及要求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。22电路设计及原理221选择集成稳压器选三端固定稳压器CW7812,其性能参数为IOMAX15A,最小输入输出压差UIUOMIN3V,最大功率30W，最大输入电压840V，均能满足性能要求。10222选电源变压器电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压UI。变压器副边与原边的功率比为P2/P1，式中是变压器的效率。通常根据变压器副边输出的功率P2来选购或自绕变压器。副边功率P2WIOMAX15A变压器效率为07,则其功率P2U2I2225W为留有余地，故选择功率25W的变压器。223选整流二极管及滤波电容选整流二极管可以选1N4002，其极限参数URM50V,141521V,IF15A,所以均满足要求滤波电容为CIOMAXT/2UI1500UF,它的耐压应大于21V,因而可取2200UF/25V的电容。224选稳压器由于要输出正负12电压，于是采用的是7815和7915三端集成稳压器，其中78系列输出的为正电压，79系列输出的为负电压，如图，78系列和79系列的接法如下11稳压芯片7812主要参数输出电流1A输出电压15V1地，GND2输入3输出3、信号变换放大器设计123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。设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真的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。为了使信号不失真，就需保证电路的对称性。设计采用单端输入、双端输出的差动放大级进行信号的变换电路中使用OP07运算放大器，同相放大器结成射级跟随器，前端输入进行分压，从而使VO1/2VIN，反相放大器的AVR6/R205,使得VO05VIN，从而实现不失真变换。同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使VO1/2VIN，反向放大器的AVR6/R250/1001/2，使得VO1/2VIN，从而实现不失真变换。此电路从同相端入，因此输入阻抗高，满足题目提出的要求。134放大器性能测试放大器性能测试首先调零，将输入端短接，即将输入信号置零，调节各个电位器的调零电阻，直至输入电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用万用表测电桥的输出电压，手动调节可变电位器，直至电桥的输出电压为5MV，然后用1米长的导线将电桥与放大器连接，用示波器观察测量放大器的输出波形。对于测量放大器放大倍数的测量，设置放大倍数然后用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的输出电压，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大倍数比较。测量放大器的频率响应测试首先对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，即输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端合理设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器14的输出频率，得到不同频率下的放大倍数。仿真图15信号变换放大器波形稳压源波形165主要电路参数计算51前端放大电路第一级差模放大倍数AV1计算如下VIVAVC,VIVBVDVCVD/R10V01VI/R1VIV02解得V02V01（12R1/R10VCVD1200/22VCVD1200/22VIVI即差模增益AV110第一级差模放大倍数AV2计算如下V039/49V02V0139/1039/49V0239/49V02V01此级放大倍数AV239所以前端放大倍数AVAV1AV210393952通频带的计算压摆率是指在额定的满幅度输出条件下，运放输出电压的最大变化幅度，以SR表示，即DV0/DTAWCOSWT,SRDV0/DTMAXAW题目要求输出电压为10V，通频带0100HZ，则压摆率至少要达到SR101002628103V/S,使用的OP07的压摆率为SR017106V/S，理论运放的通频带为FSR/2A017106/10/227103HZ由于加了低通滤波，通频带为F1/2RC1/22000002103398HZ所以系统的理论通频带为0398HZ176心得体会通过本次设计实验，让我懂得首先要对设计原理搞懂，才能在设计内容方面游刃有如。我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共摸抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系，我掌握了测量放大器的性能测量方法。课程设计时间定在我们考试期间，所以任务还是相当重的。一方面要准备考试，一方面要准备课程设计，每天都在忙碌着，也锻炼了我们合理利用时间的能力。在这次的课程设计中我遇到了不少的问题。我的课程设计独立的直流稳压源，好在我们曾经做过这个实验，可是由于我们做的是78系列的电路，我所需要的还有79系列的，对于各个引脚的功能和解法总是和78系列弄混淆，最后通过查阅资料才弄明白，虽然这是一些很基础的问题，可是我们还是要认真的对待。可能是由于设备的原因，导致最后的结果调试不出来，但是我不曾灰心，结果不是最重要的，最终的是我在这次课程设计中学到了很多。在仿真设计中，有的电路图没有仿真出来，这一方面是由于时间比较紧，另一方面是由于对软件和电路不是很熟悉，也说明电路的设计还有一些问题。由于对于理论知识学习不够扎实，我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的方向。正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，只有自己动手做过了，才能更贴切更深刻的掌握所学的知识，使自己进一步的提高。尽管课程设计是在期末才开