测量放大器的设计与实现.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 测量放大器的设计与实现 初始条件：1.电子技术实验室 2.模拟电子基础知识要求完成的主要任务:1. 电路的理论设计2. 电路的仿真，安装、调试3. 设计报告的撰写4.答辩时间安排：序号阶段内容所需时间1方案设计1天2电路仿真，安装调试2天3撰写报告1天4答辩1天合 计5天指导教师签名： 2010年 1月 17 日系主任（或责任教师）签名： 2010年 1月 17 日目 录摘 要41引言52 设计内容及要求63设计原理及实现73.1设计原理与方案73.1.1原理概述73.1.2方案设计与验证73.2 单元电路的设计和元件器件的选择83.2.1 直流稳压电源83.2.2 信号变换放大器113.3测量放大部分124 MULTISM仿真144.1 MULTISM软件简介144.2仿真结果146 收获，体会与总结177 元器件清单188 主要参考文献资料19附录一：20 摘 要 本设计主要由直流稳压电源，测量放大器，信号变换器三部分组成，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，从而减少测量的误差及对被测电阻的影响。测量放大器又称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。本次设计通过采用仪表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。 This design is mainly by a dc voltage stabilizer, measuring signal converter amplifier, three components, the measurement of micro amplifier is mainly the signal measurement, mainly through using op-amp integrated amplifier circuit composed for measuring weak signal amplifier, request higher common-mode rejection capability and higher input resistance, so as to reduce the measurement error and to be measured resistance. Measurement and data amplifier or amplifier instrumentation amplifier, often used for thermocouples, strain bridge, flow Measurement and other large bioelectricity of differential-mode interference tributary slowly weak signal detection. Measuring amplifier is a kind of high power gain, dc amplifier, it is coupled differential input and output, the list of high input impedance and high common mode rejection ratio etc, thus widely applied.This design by using the instrumentation amplifier to design a transformation and the measuring amplifier and meet the manostat, high input impedance and common-mode rejection ratio, high frequency requirements.1引言测量放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在在已经有集成的测量放大器供使用了，本次课程设计就是围绕测量放大器展开的，同时还设计了放大器的一些外围电路，如电源电路和信号变换电路，测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，并不对所测量的电路产生影响，这就需要测量放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。2 设计内容及要求2.1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）。3设计原理及实现3.1设计原理与方案3.1.1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。测量放大器的第一级只对差模信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎没有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成，而且放大器的共模抑制比约为第一级电路的差模电压增和第二级电路的共模抑制比的乘积。3.1.2方案设计与验证方案一 图 2 该方案直接采用3个高精度op放大器，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不是很高。缺点是：不能对放大电路的倍数进行改变。方案 二 图 3 显然该方案是对方案一的改进，也是采用比较通用的仪表放大器，如图3所示。优点是适当的选择电阻的阻值即可实现放大倍数的改变，然保持电路简单，元件较小的特点。A1和A2两个放大器组成差分放大电路，可以有效地抑制共模信号，并且为双端输出，其共模放大倍数理论为0，因而可以大大的提高共模抑制比，并且由于输入信号V1和V2都是A1，A2的同相端输入，根据虚短和虚断，流入放大器的电流为0所以输入电阻Ri,并且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。鉴于以上原因，将采用本电路。3.2 单元电路的设计和元件器件的选择3.2.1 直流稳压电源直流稳压电源设计思路 电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。 脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。 滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。直流稳压电源原理 直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。其中： 电源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。 整流电路：利用单向导电元件，把50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电 滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。 稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的 图4总体电路图 图 5本次课程设计用的是LM317和LM337的芯片，通过变压以及稳压，实现输出电压为15V，使放大器工作。芯片介绍LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117/LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标 准的固定稳压器好。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM117/LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM117/LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM117/LM317能够有许多特殊的用法。比如 把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还 可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。特性简介可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。电压范围LM117/LM317 1.25V 至 37V 连续可调。其封装形式如下： 图 63.2.2 信号变换放大器电路原理图 图 7题目要求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。为了使信号不失真，就须保证电路的对称性。所以我采用单端输入双端输出的差动放大级进行信号的变换。同时用高精度、低漂移的运放来代替晶体三极管。本电路使用的运放是NE5532，如图6。NE5532芯片介绍NE5532是高性能低噪声运放，与很多标准运放（如1458）相似，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。（1）小信号带宽：10MHz；（2）输出驱动能力：600，10V；（3）输入噪声电压：5nV/HZ（典型值）；（4）DC电压增益：50000；（5）AC电压增益：10KHz时2200；（6）电源带宽：140KHz；（7）转换速率：9V/S；（8）大电源电压范围：320V。3.3测量放大部分电路原理图 图 8测量放大器由两个同相放大器和一个差动放大器组成。该电路具有输入阻抗高，电压放大倍数容易调节，输出不包含共模信号等优点。 测量放大器的第一级由两个同相放大器采用并联方式，组成同相并联差动放大器。该电路的输入电阻很大。若不接R时，该电路的差模输 入电阻Rid2ric。共模输入电阻Ricric/2。采用的芯片是OP07。芯片介绍： OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。 主要特点： 低输入失调电压：75uV(最大) 低失调电压温漂：1.3uV/(最大) 低失调电压时漂：1.5uV/月(最大) 低噪声：0.6uV P-P(最大) 宽输入电压范围：14V 宽电源电压范围：3V18V 图 9 OP07外型图片4 MULTISM仿真4.1 MULTISM软件简介Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。4.2仿真结果4.2.1直流稳压电源仿真结果通过MULTISM仿真，能够很快速的调节到所需电压+15V和15V，以上就是直流稳压电压仿真出来结果。我们还可以通过改变R3和R4滑动变阻器，调节电压范围。4.2.2信号变换器仿真结果 以上仿真结果就是通道A就是反相输出信号，通道B是正向输出信号。通过观察，二者峰值基本一样，且不失真输出。4.2.2 测量放大部分仿真结果 以上就是差模信号输入与输出波形图。通道A是输出信号，通道B是输入信号。通过计算，可以放大倍数能达到400多倍。仿真结果成立。符合设计要求。6 收获，体会与总结通过本次设计,让我们更进一步的了解到测量放大器的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共模抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系，我