测量放大器(共26页)

1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 课程设计任务书学生(xu sheng)姓名： 专业(zhuny)班级： 指导(zhdo)教师： 工作单位： 题 目: 测量放大器 初始条件：三端固定稳压器CW7815，CW7915，20W的电源变压器，额定电流为2A的整 流桥OP07的运算放大器，电容电阻及二极管若干要求完成的主要任务: (1) 设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源 1.差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节；2.最大输出电压为 10V，非线性误差 105 ；4.在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；5.通频带010Hz ；6.直流电压放大器的差模输入电阻2

2、MW （可不测试，由电路设计予以保证）。(2) 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月2号 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc377023016 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc377023016 h 1 HYPERLINK l _Toc377023017 Ab

3、stact PAGEREF _Toc377023017 h 2 HYPERLINK l _Toc377023018 1 测量(cling)放大器的设计 PAGEREF _Toc377023018 h 3 HYPERLINK l _Toc377023019 1.1 设计(shj)任务 PAGEREF _Toc377023019 h 3 HYPERLINK l _Toc377023020 1.2 设计要求 PAGEREF _Toc377023020 h 3 HYPERLINK l _Toc377023021 1.3测试说明 PAGEREF _Toc377023021 h 4 HYPERLINK l

4、 _Toc377023022 2 测量放大器的设计与论证 PAGEREF _Toc377023022 h 6 HYPERLINK l _Toc377023023 2.1测量放大器的方案设计部分 PAGEREF _Toc377023023 h 6 HYPERLINK l _Toc377023024 2.1.1 测量放大器的设计原理 PAGEREF _Toc377023024 h 6 HYPERLINK l _Toc377023025 2.1.2 设计方案 PAGEREF _Toc377023025 h 7 HYPERLINK l _Toc377023026 2.2 直流稳压电源的设计 PAGER

5、EF _Toc377023026 h 10 HYPERLINK l _Toc377023027 2.2.1 直流稳压电源的设计原理 PAGEREF _Toc377023027 h 10 HYPERLINK l _Toc377023028 2.2.2 设计方案 PAGEREF _Toc377023028 h 11 HYPERLINK l _Toc377023029 2.3 信号变换放大器的设计 PAGEREF _Toc377023029 h 15 HYPERLINK l _Toc377023030 3 主要电路参数的计算 PAGEREF _Toc377023030 h 16 HYPERLINK

6、l _Toc377023031 3.1 放大电路的参数计算 PAGEREF _Toc377023031 h 16 HYPERLINK l _Toc377023032 3.2 稳压电源的参数计算 PAGEREF _Toc377023032 h 17 HYPERLINK l _Toc377023033 4 电路仿真测试 PAGEREF _Toc377023033 h 18 HYPERLINK l _Toc377023034 4.1 电源的仿真测试 PAGEREF _Toc377023034 h 18 HYPERLINK l _Toc377023035 4.2 信号变换放大器的仿真测试 PAGERE

7、F _Toc377023035 h 19 HYPERLINK l _Toc377023036 4.3 放大电路的仿真测试 PAGEREF _Toc377023036 h 20 HYPERLINK l _Toc377023037 5 元器件清单 PAGEREF _Toc377023037 h 22 HYPERLINK l _Toc377023038 6 总结 PAGEREF _Toc377023038 h 23 HYPERLINK l _Toc377023039 7 参考文献 PAGEREF _Toc377023039 h 24摘要(zhiyo)本设计主要由测量放大器、信号变换器、稳压电源三部分

8、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，因而测量放大器的前级主要采用差分输入的方式(fngsh)，然后经过双端信号到单端信号的转换，最后经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式放大电路，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变化器中的运放。关键词：测量放大(fngd)器、信号变换器、稳压电源、差分式放大电路AbstactThis d

9、esign is mainly composed of measuring amplifier, signal converter, stabilized voltage supply of three parts. Measuring amplifier is mainly in micro signal measurement, mainly through measured with an integrated operational amplifier circuit for weak signal amplification, require a high input resista

10、nce, thereby reducing measuring error and the influence of the circuit to be measured, and measuring amplifier before stage mainly with the method of differential input, and then after the double end signals to single-ended conversion, the final amplifier amplification were compared. Main signal tra

11、nsformation circuit to realize the change of both ends of a signal output to the output, mainly adopts the improved differential amplifier circuit, signal transformation in this purpose is mainly used for measuring amplifier circuit in the design of the frequency of testing accordingly. Is mainly us

12、ed for operational power supply, regulated power supply circuit including measuring amplifier circuit and signal changes of the op-amp. Keywords: measuring amplifier, signal converters, stabilized voltage supply and a differential amplifier circuit1 测量(cling)放大器的设计1.1 设计(shj)任务设计并制作一个(y )测量放大器及所用的直流

13、稳压电源。参见图1。输入信号VI取自桥式测量电路(dinl)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。1.2 设计要求 1)测量放大器差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节；最大输出电压为 10V，非线性误差 105 ；在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；通频带010Hz ；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(shj)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。设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。将函数(h

14、nsh)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。 4）发挥(fhu)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）。1.3测试说明1 基本要求部分 1)测量放大器差模电压放大倍数的测量:通过改变R2的阻

15、值产生差模输入电压信号。非线性误差(wch)的测量：在AVD=100的条件(tiojin)下，分别测量VI为 25mV、 50mV、 75mV、 100mV时的输出(shch)电压，求出非线性误差的最大值。KCMR的测量：在AVD=500、VI0的条件下，分别测出VA15V、VB0和VA0、VB15V时的共模电压放大倍数，取较大的一个计算KCMR。输出端噪声电压的测量：在R1R2R3R4、VI0的条件下，用示波器测量输出端噪声电压峰峰值。通频带的测量：用信号变换放大器取代桥式测量电路，信号变换电路的输入信号由函数发生器或低频信号发生器给出。 不测量电压放大器的输入阻抗，仅根据对电路的分析，判断

16、它能否满足对输入阻抗的要求。直流稳压电源的测量：交流电压变化10和15时，AVD和KCMR应保持不变。 2) 发挥部分：第(3)、(4)项KCMR的测量：仍然在AVD=500的条件下,按前述方法进行。在第(5)项有特色分者，应对设计的特色加以明确、具体的说明。 2 测量放大器的设计与论证2.1测量(cling)放大器的方案设计部分2.1.1 测量(cling)放大器的设计原理测量放大器系统组成(z chn)的框图如下所示。系统包括信号变化放大器电路、直流电压放大器和直流稳压电源。测量放大器系统各个组成部分的作用和指标：信号变换放大器：把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大器

17、的双端输入信号。直流电压放大器：要求差动输入的直流电压放大器，具有高的电压差模增益，并具有低漂移、低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试器差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。直流稳压电源：改电源由单向220V交流电压供电，输出正负15V直流电压，作为整个系统的电源。图中系统能测出直流电压放大器频率特性。测量放大器具有(jyu)输入阻抗高、共模抑制比大等特点，因而得到了广泛的应用。但由于电路的分析复杂，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。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

18、则是一种简便而又可行(kxng)的替换方案。用集成运算放大(fngd)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。2.1.2 设计方案方案一 带电压跟随器的差动放大电路利用高阻型的集成运放，构成电压跟随器，可以获得很高的输入电阻。因此，只要在差动放大电路的两个输入各加

19、一个电压跟随器，即可提高简单差动放大电路的输入电阻。该测量放大器由运A1和A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。该方案是比较通用的仪用放大电路。在第一级电路中，V1和V2分别加到A1和A2的两输入端，形成虚短和虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，适当的选择电阻可以实现放大倍数的改变，并且可以将R2用一个适当阻值的电位器代替，通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制。其电路如下图所示 图 4该电路的优点是，电路简单，元件较少，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

20、由于输入信号V1和V2都是A1、A2的同相端输入，根据(gnj)虚短和虚断，流入放大器的电流为0，所以输入电阻Ri为无穷大。并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。但由于本实验要求放大倍数可以调节，通过电位器调节放大倍数，电位器的阻值无法准确获得，因而放大倍数无法准确得到，因而，本方案并不能完全满足实验要求，故舍弃本方案。方案二 主要(zhyo)是对第一种方案的合理改造，如图5所示，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用

21、了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。然后再通过A3进行信号变化，将双端输入信号转变成为单端输出。为提高电路的共模抑制能力，A3为节约(jiyu)成本仍采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加入了调零电路，并且为保证电路对称，用固定电阻R9与可变电阻R14串联后与R5进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，然后再接一级比例放大，通过调节R12的阻值可改变整个电路的放大倍数。经过仿真测试，基本能满足实验要求，并且对于扩展部分，可以将R12用一个电阻网络代替，用单片机对其阻值进行控制即可满足放大倍数的调节，并且经过理论分析基本可以满足步进为1的要求。图5

22、综合(zngh)以上两种方案分析可知：方案一电路结构简单，易于定位和控制(kngzh)。该电路的优点是，电路简单，元件较少，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为无穷大。并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。但由于本实验要求放大倍数可以调节，通过电位器调节放大倍数，电位器的阻值无法准确获得，因而放大倍数无法准确得到，

23、不满足要求。，因而，本方案并不能完全满足实验要求，故舍弃本方案。方案二基本包含了方案一的优点，在其基础上在方向输入端接电阻，提高电路共模抑制比。测量放大器的第一级有两个同相放大器采用并联方式，组成同相并联差动。该电路具有阻抗较高的特点。方案二也在方案一的基础上增加了一个电位器，使增益能方便调节。由于在实际中很难达到电阻的精确匹配，运算(yn sun)放大器也不可能达到完全一样。而通过电位器调节既方便又节约成本，总体上能满足设计要求，同时使其对成型方便调节。故经过对比后，方案二最为合理。2.2 直流稳压电源的设计(shj)2.2.1 直流稳压电源的设计(shj)原理直流稳压电源一般由电源变压器，

24、整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电。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，见下图。图6 其中(qzhng)：电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压(diny)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。 （2）整流电路：利用单向导电(dodin)

25、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。 （4）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变化而变化。2.2.2 设计方案设计方案如图7图7降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(d do)相位相反的两个18V的交流源，输入到下一级的整流桥，变压器的型号为18V的输出，功率要大于20W。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

26、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(gun zi)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。经过整流后的电流及电压的波形变化如图8所示。整流部分使用4个1N4007搭建的整流桥。图8经整流后的直流输出电压脉动(midng)性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后皆有滤波电图十桥式整流电路工作波形路。滤波电路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

27、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。实验电路中使用1000F的电解电容足以满足电路的要求。选三端固定稳压器CW7815和CW7915,由于要输出正负15V电压，于是采用(ciyng)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。输出电压15V，输出电流可达1A图9在能满足实验要求的基础上，尽可能简化电路，采用的是比较常用的稳压电源电路，主要利用两个稳压芯片(xn pin)LM7815及LM7915产生所需要的15V的电

28、压输出，7915系列为三端负稳压电路，TO-220封装，有不同的固定输出电压，应用范围广。图10由于运放(yn fn)需要双电源供电，因而采用双输出的变压器实现双电源的输出，运放所需要的电源为15V，所以18V输出的变压器足以满足要求。2.3 信号(xnho)变换放大器的设计设计并制作一个信号变换放大器，将函数发生器单端输出的正弦(zhngxin)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。所以采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化(binhu)。同时用高精度、低漂移的运放来代替晶体三极管。 同相放大器接成射随器

29、，前端输入进行分压，从而使Vo(+)=(1/2)Vi，反向放大器的AV=-R5/R7=-56/100=-0.5Vi，使得Vo(-)=-(1/2)Vi，从而实现不失真(sh zhn)变换。设计电路图如下：图11 3 主要电路参数的计算3.1 放大(fngd)电路的参数计算第一级差模放大的电压(diny)放大倍数计算：由于运放(yn fn)A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有VA=Vi1VB=Vi2 VR2=Vi1-Vi2得到:运放A3实际构成求差电路,满足关系式:运放A4结成的是反向比例放大器,满足关系式:因而最终测量放大器的放大倍数为:从式子中可以看到通过调节R12的

30、值即可实现对测量放大器放大倍数的调节,其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路的输入电阻,并不承担主要的放大任务,放大主要由最后一级比例放大器来完成,因而在电阻选择上考虑到这方面因素,本设计前级放大器的放大倍数最后一级放大倍数而R12是一个(y )100k的电位器，R7阻值(z zh)为10k，故最后(zuhu)一级的增益最高可达500倍，最小增益可以小于1，完全可以满足实验的基本要求，但满足不了发挥部分的要求，因而在实际制作中将R12改为200k甚至更高阻值的电位器，即可满足放大倍数11000且手动可调的要求。3.2 稳压电源的参数计算直流稳压电源，设计要求当单相220V交流电压供电时交流电

31、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。输出15V时，设计输出电流至少达到1A，二极管所承受的最大反响压降为=2181.5=38.2所以选用1N4002型二极管。在0.01s内电压变化为其中U=18V（变压器输出的交流电压），Ud为7815和7915的最小压降，设计取C=1000uF，在电源电压比正常值小15或大10时，电路仍能满足三端稳压器的最小压降，没有超出三端稳在确定好实验方案后，我依据设计的方案在仿真软件MULTISIM中进行仿真，并测量相关数据压器的耐压范围。 4 电路仿真测试4.1 电源(dinyun)的仿真测试

32、仿真结果(ji gu)如下图+15V输出端-15V输出端理论值+15.0V-15.0V测量值15.517V-15.633V误差百分比3.8%4.22%分析：经数据分析，误差在范围内，达到题目要求(yoqi)，能很好的为后面电路提供电源及测试需要。实物测量为15.1V和-14.7V4.2 信号(xnho)变换放大器的仿真测试把信号变换器的电路部分单独(dnd)拿出，接上信号源输出，信号源输出电压峰峰值VP-P=10V，频率F=1000Hz。用示波器观察(gunch)两端输出的波形，并测量其大小。分析：有仿真结果可知，信号源的输入信号分别在Vo1,Vo2处分得1/2的信号，从而使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R4/R5=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，从而实现不失真变换。信号转换器电路符合题目要。4.3 放大电路的仿真测试两端各输入(shr)5mV和-5mV的50HZ的交流电压，输出端波形如下，分析：所测结果(ji gu)符合课设要求测得实物(shw)波形本次课设所做实物(shw)如下图 5 元器件清单(qngdn)元件代号元件名称元件参数元件数量T变压器220V18V1CW1