毕业设计（论文）-测量放大器的设计.doc

学学 士士 学学 位位 论论 文文 测量放大器的设计 姓 名 院 系 信息与电气工程学院 专 业 电气自动化 年 级 09 电气三班 学 号 指导教师 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计） ，是本人在指导老师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权 争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计） 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 此声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 毕业论文（设计）使用授权声明 本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文（设计） 的规定。 本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版， 同意学校保存论文（设计）的印刷本和电子版，或采用影印、数字 化或其它复制手段保存论文（设计） ；同意学校在不以营利为目的的 前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分 或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者（签名）： 年 月 日 毕业论文开题报告毕业论文开题报告 姓名 孙永杰 性别男学院 信息与电气工程 学院 年级 09 电气三 班 学号 2009361155 94 题 目测量放大器的设计 课题来源 教师推荐 课题类别 应用研究 选题意义（包括科学意义和应用前景，研究概况，水平和发展趋势，列出主要参考文献目录）： 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、高输入阻抗和高共摸抑制比等 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，不可避免地长存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引入的 误差。为了抑制干扰，运放通常采用差动输入方式，对微弱信号放大一定的倍数,内置计权网络的 低噪声高增益。但是由于远程电路传输分析复杂，通常只给出理想情况下放大器的差模增益，而难 以给出其在非理想情况下的共模抑制比表达式。几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器, 而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用，所以精密运算放大器是未来发展的重 大方向。 主要参考文献： 1.模拟电子技术基础 ，吴友宇 主编，清华大学出版社，2009 2.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计 ，梁宗善 主编，华中科技大学出版社 3.电子线路设计实验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社 4.实用单元电路及其应用，黄继昌、张海贵，人民邮电出版社 5.模拟电子电路基础 ， 王卫东、江晓安， 西安电子科技大学出版社，2003 6.电路与电子简明教程 ，王槐斌、吴建国、周国平，华中科技大学出版社，2006 7.电子技术基础课程设计 ，孙梅生等编著，高等教育出版社 研究主要内容和预期结果（说明具体研究内容和拟解决的关键问题，预期结果和形式，如在理论上 解决哪些问题及其价值，或应用的可能性及效果）： 首先要了解方案的设计与论证，其次要掌握设计原理及主要电路的参数计算，最后仿真分析。 在放大器仿真中,当输入电压比较大时,输出电压仍然按原有的倍数进行放大。如输入为 5V 时，在 放大倍数为 250 倍时，输出电压可达 1.25V。在实际应用中，输出电压由于受到运放的电轨影响， 它只能输出比运放电压少。例如运放运行电压为15V 时，在比较好的运放中，输出电压可达 14.8V，所以要尽可能的多试验采取平均值来减少误差，并采取不同的方案和软件来进行实验，找 到最效果最好的方案，使实验结果更加准确。 拟采取的研究方法和技术路线（包括理论分析、计算，实验方法和步骤及其可行性论证，可能遇到 的问题和解决方法，以及研究的进度与计划）： 研究方法，通过不同实验方案不断精确数据：方案一：直接采用高精度 OP 放大器结成悬置电 桥差动放大器。方案二： 采用比较通用的仪用放大器。方案三： 主要是对第二种方案的合理改进 技术路线： 设计电路 1主要电路参数计算 2仿真分析 可能遇到的问题：可能会有遇到没有掌握的芯片和软件，可能得到的数据与理论不符，电路 的结果可能与预期结果不同。我会努力掌握相关的专业知识，及时请教老师同学，实验电路认真 分析，耐心的分析理论以及重要参数，将实验完美完成。 研究的进度与规划 2013.3.32013.3.28 开题报告。 2013.3.282013.5.1 提出并设计出相关电路图，仿真调试。 2013.5.22013.5.20 在前面研究和学习的基础上撰写论文. 2013.5.21 准备论文答辩 指导教师意见（对论文选题的意义、应用性、可行性、进度与计划等内容进行评价，填写审核结果： 同意开题、修改后再开题、不同意开题）： 签名： 年 月 日 院（系）毕业论文（设计）领导小组意见： （签章） 年 月 日 毕业论文结题报告毕业论文结题报告 姓名孙永杰性别男学院 信息与电气工程 学院 年级 09 电气三 班 学号 2009361559 4 题 目测量放大器的设计 课题来源 教师推荐 课题类别 应用研究 本课题完成情况介绍（包括研究过程、实验过程、结果分析、存在的问题及应用情况等。 ） 整个设计研究是在不断的网上及书本学习理论知识，并在老师的指导下，了解并掌握理论知识， 首先是设计原理的理解，元件的认知以及电路的组建以及后期的仿真，最终逐步的将实验构建完成， 实验过程中由于元件还有方案选取不当给实验结果造成一定影响，不过在后续的研究中优化了电路， 选择了最佳的元器件最终实验还算圆满的完成。对于实验结果，与理论值有适当的偏差，不过在实 验允许范围之内。实验中存在对仿真软件使用的问题，导致有些数据不大准确，造成实验结果偏差， 以及相关软件的混淆。在后期的学习中，设计原理已经掌握并能顺利结合实验器件按照设想集合起 来顺利完成实验。 指导教师评语： 签名： 年 月 日 院（系）毕业论文（设计）领导小组意见： （公章） 年 月 日 指导教师 评定成绩 毕业论文成绩评定表 学院： 学号： 姓 名总成绩： 题 目 评 阅 人 评 语 评定成绩： 签名： 年 月 日 答 辩 小 组 评 语 答辩成绩： 组长签名： 年 月 日 注：总成绩=指导教师评定成绩（50%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成 绩（30%） ，将总成绩由百分制转换为五级制，填入本表相应位置。 目 录 1 摘要. 2 测量放大器的设计. 2.1 放大器 . 2.2 信号转换器 . 2.3 电源电路的设计 . 3 主要参数的计算. 3.1 放大器参数计算 . 3.2 电源参数计算 . 4 仿真分析. 4.1 调试仪器 . 4.2 电源的仿真测试 . 4.3 信号转换器的仿真测试 . 4.4 放大器的仿真测试 . 5 小结. 元件清单. 原理图. 参考文献. 目录页无需加页码及页眉 鲁东大学本科毕业设计 1 测量放大器的设计测量放大器的设计 孙永杰 （信息与电气工程学院，电气自动化专业，2009 级 3 班，20093615594） 摘摘 要：要：本设计主要由测量放大器、信号转换器、稳压电源三部分组成。测量放大器是 源于运算放大器，专门精密差分的放大器，通过集成电路对微电信号放大，实现对微信号的测 量，所以需要较高的输入电阻来减少测量的误差以及对被测电路的影响。并要求可调放大器 的倍数以实现对较大范围信号的测量。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，再经过放大器进行放大。信号变换电路主要是是将一端信号输出转变成两端 信号输出，主要采用的是经过改进的差分放大电路，在本设计中主要用以实现对测量放大电 路频率的测试。稳压电源电路主要为测量放大器及信号变化器的运放供电。 关键词：关键词：测量放大器、信号转换器、稳压电源 Measuring Amplifier Design Sun yongjie College of Information and Electrical Engineering, electrical automation, 2009 3 classes, 20093615594 Abstract: Primarily by the design of three parts measuring amplifiers, signal converters, power supply. Measuring amplifier is derived from the operational amplifier, specifically precision differential amplifier integrated circuit micro-electrical signal amplification, micro signal measurement, high input resistance to reduce measurement error and the circuit under test. And require multiples of adjustable amplifier in order to achieve a larger range of signal measurements. Measurement of the differential input of the pre-amplifier stage with double-ended signal to a single-ended signal conversion, and then amplified through the amplifier. The signal converting circuit is one end of the signal output is converted into a signal output at both ends, is mainly used in the improved differential amplifier circuit, the amplifying circuit frequency measurement test is primarily used in this design. The power supply circuit for measuring amplifier and signal changes of the op-amp power supply. Key words: Measuring amplifier, signal converters, power supply 鲁东大学本科毕业设计 2 测量放大器的设计测量放大器的设计 2.1 低噪声前置放大器低噪声前置放大器 方案一：方案一： 直接采用高精度 op 放大器结成置悬电桥差动放大器。利用放大器实现双端输入 信号到单端输出的转变，放大主要通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合获得。 这个电路主要特点是设计简单，但其对结构工艺要求不高，输入阻抗低，失调电压 和失调电流等参数也会因为放大器本身性能的限制无法达到实验要求，并且该方案 无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，严重影响实验的准确性，虽然设计及 操作简单，但仍然放弃该方案。 方案二：方案二： 采用实验室常用放大器。第一级差分放大电路是由运放 A1、A2 按同相输入法组成。 再将运放 A3 组成第二级差分放大电路。在第一级差分放大电路中，通过将 V1 加到 A1 输入端形成虚短，V1V2 加到 A2 形成虚断，通过计算可以得到电路的电压增益， 可以适当的变换电阻的阻值以可实放大倍数的改变，可以用一个可调节阻值的电位 器代替 R1 来实现对放大倍数的控制。 这个方案的优点是，电路设计简单，所需要的元器件较少，A1 和 A2 两个放大器 鲁东大学本科毕业设计 3 所形成的第一级差分放大电路为双端输出，共模放大倍数理论为 0，可以大大的提高 共模抑制比，有效地抑制共模信号，并且 A1、A2 的同相端输入信号 V1V1 形成虚短 和虚断，可以得到流入放大器的电流为 0，所以输入电阻 Ri 为无穷大。设计需要两 运放的性能完全相同,该方案除输入电阻无穷大的特点外，A1、A2 的共模增益、失调 及漂移产生的误差也相互抵消。由于本设计要求放大的倍数可以调节，但是调节后 电位器的阻值无法准确获得，因而该方案不能满足实验要求，舍弃该方案。 方案三：方案三： 方案三是基于方案二上进行的优化改造，电路前级放大仍采用两运放相同输入法组 成，采用双端输出双端输入，能有效地控制共模抑制比。第一级放大采用差分输入， 减少了电路零漂的影响，能够有效地提高电路的共模抑制能力。然后再通过 A3 信号 实现双端输入信号到单端输出的转变。为了在节约成本同时提高电路的共模抑制能 力，A3 仍采用 OP07。同时加入了凋零电路来提高其共模抑制能力以及精准度，用可 鲁东大学本科毕业设计 4 变电阻 R7 与固定电阻 R6 串联后与 R5 进行匹配，保证了电路的对称性，从而减少温 度漂移对实验的影响，然后再接一级比例放大，通过对电阻 R12 的的调节实现对整 个电路的放大倍数的改变。经过实验仿真，基本符合要求。对于扩展部分，可以将 用一个电阻网络替换电阻 R12，用单片机控制其阻值即可大道放大倍数的调节，经过 理论研究分析，该方案基本可以满足步进为 1 的要求，将采用本电路。 2.2 信号转换器信号转换器 设计要求将单端输入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。一般采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。 为了保证电路的精度，必须保证电路的对称性，所以仍采用高精度低漂移的 OP07 作 为运放。将同相放大器接成射随器，把前端输入分压，使 Vo(+)=(1/2)Vin，反向放 大器的 AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得 Vo(-)=-(1/2)Vin，实现信号不失真转换。 经过反复研究设计确定如下电路图，此电路从同相端入，满足输入高阻抗的要求。 鲁东大学本科毕业设计 5 2.3 电源电路的设计电源电路的设计 电源电路主要由变压部分、整流部分、滤波部分和稳压部分组成，这里直接采 用比较常用的稳压电源电路，既能简化电路，又能满足实验要求。主要利用稳压芯 片 LM7915 及 LM7815 产生所需要的15V 的电压输出。 运放需要双电源供电，所以 采用双输出的变压器实现，18V 输出的变压器就能满足要求，电源各部分组成如图。 鲁东大学本科毕业设计 6 2.3.1 降压部分降压部分 降压部分主要由变压器组成，直接采用三抽头的变压器为双电源运放供电，可 以得到相位相反的两个 18V 的交流源，输入到下一级的整流桥，变压器为 18V 的型 号输出，功率大于 10W。 2.3.2 整流部分整流部分 整流部分主要由二极管组成的整流桥组成， 利用二极管的单向导电性将四个二极管分为两 组，与变压器副边极性分别导通，将变压器负 极性端与负载电阻的下端相连，副边电压的正 极性端与负载电阻的上端相连，以便负载上始 终有一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的 优点是波形平稳，电源利用率高。整流后电路 电流电压波形如图。整流部分采用的是耐压值 高于 45V 的成品整流堆。 2.3.3 滤波电路滤波电路 整流后的直流输出电压不稳定，通常在整流电路后有滤波电路，减少整流后的 单向脉动直流电压中脉动性，过滤掉整流后的波纹使其成为平滑的直流电。一般电 鲁东大学本科毕业设计 7 路中电容滤波电路，滤波电容 C 直接并联在负载 RL 两端，形成电容滤波电路。利 用电容储能的作用，使输出直流电脉动成分降低，电压波形更加平滑，输出直流电 压的平均值增大。 2.3.4 稳压电路稳压电路 稳压部分主要由稳压芯片组成。为了防止产生自激，在稳压芯片两端各加频率 补偿的电容，这样输出的直流基本就稳定了，足以满足实验设计的要求。稳压芯片 通常选用输出为正 15V 的 LM7815 和输出是负 15v 的 LM7915。为了滤除电路中可能存在的高 频影响，尾端通常加上 470F 的电容。 稳压芯片 LM7815 的主要参数： 输出电流可以按照要求达到 1A 输出晶体管 SOA 保护 输出电压有：15V 7815 极限值（Ta=25） VI-输入电压(VO=24V)40V (V0=518V)35V 引脚 1-输入 INPUT 2-地 GND 3-输出 OUTPUT 7915 系列为三端负稳压电路，有不同的固定输出电压，应用范围广。 LM7815 和 LM7915 接法如下图： 鲁东大学本科毕业设计 8 78,79 系列经典接法 3 设计原理及主要电路的参数计算设计原理及主要电路的参数计算 3.1 前端放大电路前端放大电路 集成运算放大器放大信号的优点: (1)电路设计、组装调试简单方便，适当的接入元件便可放大输入输出 (2)由于放大电路一般处于深度负反馈闭环状态，满足高增益的开环运放，性 能比较稳定，失真小。 (3)运放有很高的共模抑制比，对外界的干扰有很强的抑制能力。运放输入阻 抗高，几乎没有失调和漂移，很适合各种微弱信号的放大。 第一级差模放大的电压放大倍数计算： 鲁东大学本科毕业设计 9 运放 A1、A2 均满足虚短和虚断，流入 A1、A2 的电流可视为零，所以 VA=Vi1 VB=Vi2 VR10=Vi1-Vi2 1098 21 10 10 RRR VV R VooR 运算可以得出: )(1 (21 10 98 10 1098 2110iiRooVV R RR V R RRR VV A3 运放构成求差电路满足关系式: )(21 3 5 3OOOVV R R V 带入得 )()(21 10 1098 3 5 21 3 5 3iioooVV R RRR R R VV R R V A4 运放构建反向比例放大器,满足关系式: 3 11 12 ooutV R R V 最后得到运算放大器倍数为： )( 10 1098 311 512 R RRR RR RR AV 由以上结果可以得出通过调节 R12 的值就可以实现对测量放大器放大倍数的调节,放 大器的前级只起到了抑制共模信号和提高输入电阻的作用，,放大任务主要由最后一 级比例放大器来完成,考虑到这些因素，本设计前级放大器放大倍数 50 50 10050100 10 100 )( 10 1098 3 5 1 k kkk k k R RRR R R AV 最后一级放大倍数 11 12 2 R R AV 电阻 R12 是一个 100k的电位器，R11 阻值为 10k 的常用电阻，所以最后一级的 最小增益可以小于 1，最高增益可调至 500 倍，基本上可以满足实验要求，但考虑到 发挥部分的问题，在实际设计实验中将 R12 改为 200k或者更高阻值的电位器，就 可以实现手调放大倍数 11000 倍的要求。 鲁东大学本科毕业设计 10 3.3 电源参数的计算电源参数的计算 设计要求直流稳压电源为单相 220V 交流电压供电，交流电压变化范围为 +10%-15 ，输出基本不变，能够继续正常工作，计算滤波电容值时，特别注意 整流二极管、LM7815、LM7915 最小压降。 （二极管为 0.7V，LM7815 及 LM7915 为 Ud） 在交流电压输出15V 时，输出电流应该达到 500 mA 以上， 在单向 220v 交流电运作下 0.01 s 内的电压变化为 Umax=U(1-15%)-Ud-15=3.38V2 C=Q/U=I.t/U=0.50.01/3.38=1478F 实际实验设计中 C=2000F（在实物上直接焊接 4700F）就能够满足要求。 4 仿真分析仿真分析 在设计好方案后，按照方案在仿真软件 MULTISIM 中进行仿真，得到相关数据。 4.1 电源的仿真测试电源的仿真测试 对电源仿真测试结果数据如下： 电源仿真图 鲁东大学本科毕业设计 11 表一电源仿真测试参数 +15V 输出端电压-15V 输出端电压 理论值+15.0 V-15.0 V 测量值+15.51 V-15.656 V 误差3.48%4.37% 经过分析，虽然有误差，但仍在实验允许范围内，能够较好的为后续实验提供电源。 4. 2 信号转换器的仿真测试信号转换器的仿真测试 将电路中信号变换器单独拿出接上函数发生器，设定输出电压峰峰值 VP-P=1mV，频 率 F=2Hz。用示波器观察两端输出的波形，记录并测量其大小。 鲁东大学本科毕业设计 12 分别调整 R6、R7 的阻值直到输出端 1 与输出端 2 的输出电压值大小都为 1mV。仿 真结果如图所示： 信号变换电路仿真结果 分析上图可知，设计的信号变换电路符合实验要求，能够较好的为下级电路将 单端输出转变双端输出，为后续实验提供了较好的输入方式。 4.3 前端放大电路的仿真测试前端放大电路的仿真测试 仿真电路如下图，通过改变电桥阻值进行不同参数的测量，可以选择放大倍数为 1、100、1000 和 11000 倍。 前端放大电路测试仿真图 用万用表分别测量测量放大器放大后的电压及电桥的输出电压。再根据表达式 当放大倍数为 11000 倍 R12 调至 50k 时，放大倍数 Av=250。 )( 10 1098 311 512 R RRR RR RR AV 鲁东大学本科毕业设计 13 前端放大器仿真 分析上图可以得到，当 R19=5k 时，Vi=5V ， Vout=1.25kV ，放大倍数 ： 经实验仿真得出的结果与之前测量估算值一致，可以得到测量放大器电路的设计是 满足要求的。 4.3 测量放大器的频率响应测试测量放大器的频率响应测试 测量放大器的频率响应的仿真电路图： 250 5 25 . 1 V kV Vin Vout AV 鲁东大学本科毕业设计 14 测量放大器仿真电路图 首先要调零信号变换电路，按设计进行接入端连接。调节函数信号发生器产生 信号源，将输出信号由单端输出转变成双端输出，再将输出信号接到测量放大器的 输入端，根据需要设置测量放大器的放大倍数及输出电压，然后再用交流毫伏表测 量信号变换电路和测量放大器的输出电压，记下不同信号发生器输出频率下的放大 倍数， 首先要对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，及输入端直接接地，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，合理的设置输 出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测测量放大器和信号变换电路 鲁东大学本科毕业设计 15 的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，计算不同频率下的放大倍数，得 出测量放大器的频率响应。 设置输出电压峰峰值 VP-P=1mV，频率 F=1Hz ，用示波器观察输入输出端的波形，然 后计算比较。把 R12 调至 50k，仿真结果如下图： 电路仿真结果 示波器两端分别接信号变换器和电路的输出端。测量放大电路的放大倍数 。 由公式 当 R12=50k 时，=250 。Av 设计的仿真结果为 )1 ( 10 98 311 512 R RR RR RR Vi Vout AV 41.249 047 . 2 527.510 mV mV Vin Vout Av 鲁东大学本科毕业设计 16 下表为频率响应记录： 频率响应记录表格 输入频率输入频率 （hz） 函数发生器函数发生器 电压峰峰值电压峰峰值 信号转换器信号转换器 输出电压输出电压 预置的预置的 放大倍数放大倍数 输出电压输出电压放大倍数放大倍数 计算值计算值 1 1 mV2.046 mV250510.528 mV249.525 510 mV20.554mV2505.137 V249.927 1020 mV41.121mV25010.278 V249.945 10010 mV20.557 mV2505.137 V 249.891 100020 mV41.115 mV25010.272 V249.836 用仿真软件软件的 AC Analysis 对电路进行响应测试，结果如图： 鲁东大学本科毕业设计 17 由上表与图可以看出此测量放大电路的通频带展宽为 0100Hz 以上，能够完 成实验要求。 5 小结小结 这一次的毕业设计确实让我学到了很多。刚开始一知半解的时候感觉这个课题 和简单，直接打算上手就做，可是越发进行越是发现并不是想象中的那么简单，在 老师的不懈讲解以及不断查阅资料后才对设计慢慢的有了更深的认知，才能将实验 顺利完成。通过本次设计，让我深刻认识到搞懂设计原理是多么的重要，否则整个 实验将无法进行下去，把理论与实际应用结合不是轻易就能完成的。 设计开始时有很多没有使用过的芯片，还有不常用到的仿真软件以及淡忘的模 电知识都成了设计顺利进行的绊脚石，所以就不断的查阅以前的书籍，包括到图书 阅览室还有网上不断丰富自己这些方面的知识，必须要详细的知道每个元件的用途 及使用方法后进行电路组建，不断的更换元件直到