模电课设——测量放大器.doc

武汉理工大学模拟电子电路课程设计说明书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: 测量放大器设计 初始条件：集成运算放大器LF411，三端固定稳压器CW7812, 25W电源变压器，若干电容电阻及二极管 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Ad=100-5000。 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0-1000Hz。时间安排：第19周理论讲解，时间：礼拜五5，6，7、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8楼电工电子实验室指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录一. 设计内容及要求二. 设计原理三. 设计方案及实现31 方案1及电路图32方案2及电路图33方案3及电路图34方案4及电路图35 直流稳压电源原理图四PSpice仿真分析及波形图五课程设计的收获体会六元器件清单七主要参考文献资料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.。测量放大器的设计一. 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Ad=100-5000。 最大输出电压为10v，非线性误差小于5%。 在Av=500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0-1000Hz。二.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，而对公摸信号几乎没有抑制作用，对公摸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。三设计方案及实现方案论证与比较1 方案一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。该方案电路结构简单，易于定位和控制。但要调节增益不能实现，不能满足能连续调节的要求。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，Rw和R3,R4组成反馈网络，因而引入了负反馈。 U16-U26=(V1-V2)(2R3+Rw)/Rw=(1+2R3/Rw)(V1-V2)又由第二级差分放大电路中的反相比例器的输入输出关系知Vo=-R7/R5(U16-U26)综合以上关系可知 Av=Vo/(V1-V2)=-R7/R5(1+2R3/Rw) 2.方案二 电路结构与方案一基本相同，只是采用电位器来替代Rw，以实现增益的连续调节。也可以用电位器来代替R7或者R8,就没能实现更大幅度的增益的调节，以满足不同的需要。电路图如下3方案三 电路结构与方案二基本相同，只是为了达到增益调节的要求，考虑用两片R-2R的D/A代替上图中的Rw，结合单片机通过改革D/A的电阻网络来改变公式中Rw值，从而改变增益。其优点是输人电阻大，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。其缺点是由于电阻匹配的要求而使用了两片D/A，即增加了控制的工作量，又提高了成本，而且精度也不能满足要求。方案4 简单的测量放大器是由仪器放大器和可变增益放大器级联而成。如将R-2R的D/A看成一个可数控的电阻网络来实现增益可变放大，其放大倍数将由单片机送到D/A的数据决定。该种方法的优点是电路简单，单片机控制也不复杂，易于实现，但是其电路结构决定了它不能满足发挥部分提出的放大倍数步距为1的要求，该电路的Di和放大倍数的关系如图三所示，而且前级零漂会影响后级，特别是在后级放大倍数很大时，影响更大。4.比较后选择的方案及合适器件综合以上四种方案分析可知.：第一种方案电路结构简单，易于定位和控制。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，该电路具有输入阻抗高的特点但要调节增益不能实现，不能满足能手动调节的要求。第二种方案基本包含了方案一的优点，在此基础上增加了一电位器，使得能方便的调节，由于在实际中很难达到电阻的精确匹配，运算放大器也不可能达到完全一样，而通过电位器调节既方便有节约成本，总体上能满足设计的需求，也由于其对称性方便调试。 第三种方案的优点是输人电阻大，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。其缺点是由于电阻匹配的要求而使用了两片D/A，增加了控制的工作量，又提高了经济成本，而且精度也不能满足要求。 第四种方案的优点是电路简单，单片机控制也不复杂，比较易实现，但是其电路结构决定了它所需要的技术要求与经济成本要更高，它的前级零漂会影响后级，特别是在后级放大倍数很大时，影响更大。故经过对比其优缺点后，第二种方案最为合理经济。现在再选择器件。元器件的选择是高性能放大的保证，图中运放U1和U2的参数必须尽可能相同，因此选用双运放，其他的运放也应选共模抑制比高的，这要通过试验来挑选。同时，为了提高共模抑制比，对称的电阻必须精密匹配，可用电桥测量法找出阻值最接近的电阻。由于对放大电路的频带也有要求，所以选运放和调试时还必须注意其频响。为达到输入阻抗较高的要求，R1=R2=10k,R3=R4=300k,R5=R6=100k, R7=R8=500k,这样达到对称，根据以上增益公式Av=-(1+2R3/Rw)R7/R5,我选择Rw的最大阻值为500k，最低增益略大于100，且能连续向上增大调节。而第一级的双运算放大器采用一对uA741或者LF411，以达到运放的精确匹配，以实现对差模信号的放大作用，后一级差分运放也用uA741或者LF411型，以实现共摸的抑制的良好效果。 5直流稳压源的设计1选择集成稳压器选三端固定稳压器CW7812,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。2选电源变压器通常根据变压器的副边输出功率的大小来选购变压器。集成稳压器的输入电压Ui=(12+3)/0.9=17V而变压器的副边电压U2=Ui/(1.11.2)=15V,I2Iomax=1.5A变压器效率为0.7,则其功率P2U2*I2=22.5W为留有余地，故选择功率25W的变压器。3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,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均满足要求滤波电容为C=IomaxT/2Ui=1500uF,它的耐压应大于21V,因而可取2200uF/25V的电容。四.进行PSpice仿真分析如下图为其静态工作点的扫描分析结果图4-1-1分析知各运放的周围引脚电压电流基本正常说明静态工作点基本正常。1对误差的分析，测试条件：输人差模电压输入差模电压/mV 设定放大倍数 输出差模电压/V 实测放大倍数 放大倍数相对误差 1.05000.51 510-2%0.510000.499802%1.52000.291971.5%2.01500.31155-3.3%3.01000.29973.0%5.01000.51102-2.0%由上图分析可知放大倍数误差范围在5%之内，符合设计要求。2波形及增益的分析下图4-2-1为输入Vi=1mV ,Av=-40时Vi,Vo 的波形，算得增益大约为-40左右,符合理论值图4-2-13输入阻抗的分析下图为输入Vi=1mV ,Av=-2000时输入阻抗与输出阻抗的频率特性曲线,输入阻抗为约2M图4-3-1图4-3-2上图4-3-2Vi=1mV ,Av=-80时Vi,Vo 的波形，算得增益大约为-80左右,符合理论值下图4-3-3为输入Vi=1mV ,Av=-2000时Vi,Vo 的波形，得增益大约为-2000左右符合理论值图4-3-3即仿真结果基本与理论值相符.4共模抑制比及通频带的分析图4-4-1上图4-4-1为共摸增益的频率响应图4-4-2上图4-4-2为设定增益为40倍时的茶摸增益的频率响应通频带在0-1kHz 左右,说明结果符合理论值图4-4-3上图为茶模增益的频率响应,故共模抑制比为Kcmr=44-(-96)=140DB,满足要求.五.收获、体会和建议通过本次设计实验，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。最重要的是我能不断尝试,由不了解该软件的用法而变得了解,并且还不断换元件,如运放uA741,LM324,LF411等等,以及对电源的设置来验证我自己的猜想.。其中遇到想不透的问题，如当我分别输入差模增益与共摸增益时，输出都能正常放大，但不知为什么当输入两者的叠加的信号时，却不能正常的放大，还有如加有那个20M的电阻为什么对电路的影响特别大，但也通过参考与咨询了解到其中的一些道理所在。其次，在实验前要作好充分的预习与实验要求的数据记录，在实验时遇到问题要保持冷静，要注重联系书本知识积极思考，例如我在对电路的PSpice仿真过程中，开始时波形一直不符合理论上期望，连静态工作点都不对，后来才发现原来我没有给运算放大器提供直流偏置，即没有提供直流电源。 同时，我也学会了在无法施展你的设计时，应该学会充分利用已有的可利用的资源，例如图书馆的书本资源，课本上的资源以及因特网上的充如的资源，但是最重要的是要弄懂别人的原理与设计思路，从而拓宽自己的视野与思路，化别人为己用。此外，我基本对Capature/SPICE软件有一定的了解,该软件不仅对模拟电路进行静态工作点分析，直流扫描分析，交流扫描分析，瞬态分析，而且可以进行蒙特卡诺分析，最坏情况分析，并且具备电路参数优化的功能。Capture能生成各类模拟原理电路图，而PSpice可以对模拟数字电路混合电路进行仿真分析，还可以对波形进行各种运算处理。所以它是目前电子线路辅助分析方面最流行的应用软件。我也从中学习到电路仿真的一般步骤，即先新建仿真设计项目，然后输入原理电路结构图并连接好线路，接着编辑修改元件标号和参数值，再接着新建所需要的仿真简要表，执行仿真，如果有原理及连线的错误，就要重新修改后再执行仿真，最后查看输出的仿真结果。在画原理图中，通过在元件库中寻找，我熟悉了几项基本的元件类型及关键字，如Q代表NPN或者PNP的BJT，而M代表N或P沟道的MOSFET，J代表JFET，以及各种类型的运算放大器的符号标志和其参数，还有各种直流和交流电源的符号区别以及怎样修改其默认的参数值，例如如果对电路进行交流扫描分析，电路中信号源属性中的AC值必须设置，否则达不到要求的结果。而在连线过程中，我了解到只有连线端口与元器件的引脚准