测量放大器-课程设计

《模拟电子技术基础》课程设计说明书25-测量放大器_课程设计目录33摘要 -2-28834Abstact -3-185611．引言 -3-136162测量放大器2.1任务 -4-2392.1.1基本要求 -4-236142.1.2发挥部分 -5-294062.2测试说明： -6-186273方案设计与论证： -7-326293.4电源电路的设计： -11-248813.4.1降压部分： -12-239883.4.2整流部分： -12-106143.4.3滤波部分： -12-202223.4.4稳压部分： -13-76613.5信号变换电路： -14-94023.6单片机控制部分： -14-243054主要的电路参数计算 -15-20854.2电源参数的计算： -17-312155电路调试： -17-157585.1调试所用仪器： -18-174535.2电源参数测试： -18-98695.3放大器放大性能的测试： -18-73275.4测量放大器的频率响应测试： -19-89636元器件清单： -20-218847设计感想及总结： -21-119878参考文献： -23-摘要本设计主要由测量放大器、信号变换器、稳压电源三部分组成，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电压信号的放大，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路的影响，并要求放大器的放大倍数可调以实现对比较大的范围的被测信号的测量，因而测量放大器的前级主要采用差分输入的方式，然后经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大器进行放大，比例放大器的反馈电阻可以由D/A组成的电阻网络代替，通过单片机对其阻值进行控制，从而实现对放大倍数的控制，放大倍数可以由单片机控制键盘进行输入，控制液晶或数码管进行显示。信号变换电路主要实现一端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响应进行测试。稳压电源电路主要用于为运放及电桥供电，包括测量放大电路及信号变换器中的运放。AbstactThedesignismainlymadedofthreepartsofmeasuringamplifiers,signalconverters,powersupply.Measuringamplifierismainlytoachievemicro-signalmeasurements,primarilythroughtheuseofintegratedoperationalamplifiercircuittoenlargethecompositionofmeasurementofweakvoltagesignalamplification,requiringahighercommonmoderejectioncapabilityandhighinputresistance,therebyreducingerrorofmeasurementandtheimpactofthecircuitundertestanditrequiresmagnificationadjustableamplifierinordertoachievegreatercontrasttothescopeofthemeasuredsignalmeasurement.Sodifferentialinputisthemeasurementofthepre-amplifieri,andthenafteratwo-terminalsignaltothesingle-endedsignalconversion,andultimatedbytheratioofamplifieramplification,theratioofamplifierfeedbackresistorfromD/Aresistornetworkinplaceofthecomposition,throughSinglechipitsresistancetocontrol,inordertocontrolmagnification.Magnificationcanbecontrolledbyasingle-chipkeyboardinput,controlofliquidcrystalordigitaltubedisplay.Signaltransformcircuitchangesoneendofthemainsignaloutputtotwoendsofoutput,mainlyusinganimproveddifferentialamplifiercircuit,themainpurposeofthesignaltransformationinthedesignisusedformeasuringthefrequencyresponseofamplifierfortesting.Regulatedpowersupplycircuitismainlyusedfortheoperationalamplifierandpowersupplybridge,includingthemeasurementandsignalamplifierOPAMPConverter.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测量放大器

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R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。R2改变时，产生VI10的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。2.1.1基本要求

1)测量放大器差模电压放大倍数AVD＝1～500，可手动调节；最大输出电压为±10V，非线性误差<0.5％；在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比KCMR>105；在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V；通频带0～10Hz；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＋10％～－15％。

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。2.1.2发挥部分（1）提高差模电压放大倍数至AVD＝1000，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0～100Hz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1～1000，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）。2.2测试说明：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的阻值产生差模输入电压信号。非线性误差的测量：在AVD=100的条件下，分别测量VI为±25mV、±50mV、±75mV、±100mV时的输出电压，求出非线性误差的最大值。KCMR的测量：在AVD=500、VI＝0的条件下，分别测出VA＝＋15V、VB＝0和VA＝0、VB＝－15V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R1＝R2＝R3＝R4、VI＝0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。3方案设计与论证：方案一：如图一所示，直接采用高精度OP放大器接成悬置电桥差动放大器：利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合，放大主要通过后一级的比例放大器获得，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不高，但是其输入阻抗低，共模抑制比．失调电压和失调电流等参数亦受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路十分简单，元器件较少，但仍将其舍弃。图一方案一电路图方案二：采用比较通用的仪用放大器，如图二所示，它是由运放A1A2按同相输入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。在第一级电路中，v1v2分别加到A1和A2的同相端,R1和两个R2组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放A1、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，适当的选择电阻的阻值即可实现放大倍数的改变，并且可以将R1该电路的优点是，电路简单，原件较少，A1和A1两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，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。图二方案二电路图方案三：主要是对第二种方案的合理改造，如图三所示，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输入双端输出，能有效的提高抑制共模抑制比，并且由于，电路了零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效的提高整个电路的共模抑制能力，然后再通过A3进行信号变换，将双端输入信号转变成为单端出，为提高电路的共模抑制能力，A3为节约成本仍采用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R6与可变电阻R7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的阻值即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，鉴于以上原因，将采用本电路。OP07作为常用的运放主要以下特点：1)低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)2)极低的输入失调电压—10μV3)极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃4)具有长期的稳定性—0.2μV/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—±3V～±22V9)可替代725、108A、741、AD510等电路图三方案三电路图3.4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，稳压部分组成，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，LM7815及LM7915产生所需要的的电压输出，其电路如图四所示：图四直流稳压电源电路由于运放需要双电源供电，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所以采用15V输出的变压器足以满足要求，对于该稳压电源的基本原理简要说明如下：图五电路各个部分图3.4.1降压部分：降压部分主要由变压器组成，由于要为双电源的运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而可以得到相位相反的两个15V的交流源，输入到下一级的整流桥，变压器的型号为15V的输出，功率要大于10W。3.4.2整流部分：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图六整流电压波形用，效率较高。经过整流后电路中的电流及电压的波形变化如右图所示。整流部分采用的是成品的整流堆，耐压值要高于45V。3.4.3滤波部分：滤波部分主要有两个容量很大的电容构成，利用的是大电容充放电时间较长的原理，将整流后的波形进一步平整化，为后一级的稳压部分提供近似于直流图七滤波后波形的电源，滤波后的波形如右图所示。实验电路中电容的容量取3300uF，足以满足实验的要求。3.4.4稳压部分：稳压部分主要有稳压芯片组成，在稳压芯片两端各加一个用于频率补偿的电容，防止产生自激，经过稳压芯片稳压后，输出基本为稳定的直流，能够满足设计电路的供电要求。稳压芯片选用的是常用的LM7815和LM7915，其中，LM7815输出的是正的15V，而LM7915输出的是负的15V。尾端加的47uF的电容主要是用于滤除电路中可能存在的高频影响。稳压芯片lm7815的主要参数：输出电流可达1A

输出电压有：15V

输出晶体管SOA保护7815极限值（Ta=25℃）

VI--输入电压(VO=5~18V)35V(VO=24V)40V

RθJC--热阻（结到壳）5℃/WRθJA--热阻（结到空气）65℃/W

TOPR--工作结温范围0~125℃相关引脚：1―地，GND2―输入，INPUT3―输出，OUTPUT图八7815引脚图7915系列为3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。输出电流可达1A输出电压有：-15V过热保护短路保护输出晶体管SA补偿。VI--输入电压-35VTOPR--工作结温范围0~125℃TSTG--贮存温度范围-65~3.5信号变换电路：信号变换电路主要完成单端输入信号变双端输出的功能，用作测量直流放大器频率特性测试的输入信号，较为简单的方法是采用差分放大器的方法，取单端信号经差分放大后双端输出即可，为保证信号不失真，必须好保证电路的对称性，为保证电路的精度，采用两个高精度、低漂移OP07运放代替晶体三极管，原理图如图六所示，为保证电路进度，两个运放都引入了调零电路，防止因放大器的温度漂移而产生影响，并且为防止波形的幅度失真，引入了电位器R5对Vout2的输出幅度进行调节。由于是从同向输入端输入因此电路的输入阻抗很高，能够满足实验的要求。3.6单片机控制部分：本设计中由于需要测量放大器的放大倍数可以手动调节，因采用电位器是电位器接入电路的电阻无法准确获得，若采用拨码开关，这会带来调节上的繁琐，由于采用不同的数制并且放大倍数与反馈电阻R12的值的关系，并不容易就算，而采用单片机结合数模转换器便能很好的解决这一问题，本设计对于单片机的要求并不是很高，采用比较常用的AT89S52单片机足以满足实验的要求，另外，作为放大倍数调整的输入设备，我们采用了矩阵式键盘，通过单片机控制对键盘进行扫描，作为输出显示，由于设计要求1~1000倍可调，故采用四位数码管作为放大倍数的显示部分，同样有单片机对其进行控制，作为放大倍数调节的核心元件，我们采用了常用的AD7520数模转换芯片，其内部结构示意图如下如所示：图九AD7520内部示意图内部一般为电阻R-2R梯形网络，并集成多路集成模拟开关，采用与常规DA变换不同的接法，利用电阻网络变换进行电路放大倍数的控制。原理是通过单片机控制电阻是否接通而改变接入电路的电阻的阻值，然后通过单片机对放大倍数进行计算，再将结果送到数码管进行显示，实际设计中，单片机的控制流程为，首先由单片机读入预置放大倍数，然后用户通过键盘输入放大倍数，然后根据用用户输入的放大倍数改变接入电路的电阻的阻值，从而使测量放大电路工作在所输入的放大倍数状态下。4主要的电路参数计算4.1前端放大电路部分（利用图三原理图进行计算）：第一级差模放大的电压放大倍数计算：由于运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有得到：运放A3实际构成求差点路满足关系式：带入该关系式得到运放A4接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100kΩ的电位器，R11阻值为10kΩ，故最后一级的增益最高可达600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R10的值适当调小，即可满足放大倍数1~1000且手动可调的要求。4.2电源参数的计算：直流稳压电源要求由单相220V交流电压供电，交流电压变化范围为＋10％～－15％时，直流电压的输出基本不变，使放大器能够正常工作。本次设计稳压电源要求输出电压为15V，电流输出设计最大为0.5A，足以满足对运放的供电要求，计算滤波电容时考虑到整流二极管、7815及7915的最小压降，二极管为0.7V，7815及7915为Ud在0.01s内单相220V交流电的变化为实际设计中，滤波电容C取3300μF完全可以满足实验的基本要求，稳压芯片的接法采用的是芯片使用手册提供的比较典型的接法。5电路调试：5.1调试所用仪器：表一：序号仪器名称数量1数字万用表1台2双踪示波器1台3函数信号发生器1台4交流毫伏表1台在确定好实验方案后，我们依据设计的的方案做出了实物，并进行了调试，5.2电源参数测试：对电源的测试，试验中测得所设计电源的相关参数如下：表二：+15V输出端电压-15V输出端电压理论值+15.0V-15.0V测量值+15.04V-14.94V误差0.27%0.4%5.3放大器放大性能的测试：首先进行调零，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，直至输出电压为零，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1m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，发现有毛刺状的杂波，进分析，确定为导线过长引入了高频干扰，而设计电路中的电容C1本意就是为滤除高频信号干扰而设置的，但实际效果并不理想，于是采用双绞线代替普通导线进行信号传递，重新观察测量放大器的输出波形，发现输出波形有了明显的改善。对于测量放大器放大倍数的测量，通过键盘设置放大倍数，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相比较，即可得到测试放大器的放大性能与精度，以下是测量时得到的数据记录表三：输入电压设置放大倍数输出电压实际放大倍数输入电压设置放大倍数输出电压实际放大倍数0.0053001.543080.211001.051050.32206.4220.60.023501.196530.542.014.020.06503.06511.61711.266.990.12303.6301.6469.835.990.18325.77832.12.1511.25751.055.4测量放大器的频率响应测试：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，预置值进行比较，得出测量放大器的频率响应。以下是实际测试的记录表格：表四：输入频率输入电压设置放大倍数输出电压实际放大倍数8.6542419.861110242.114.410.12814561000.25350.0990.01453547013.24472.86元器件清单：表五：序号名称规格数量备注1电阻20k35%2电阻22k15%3电阻100k35%4精密电阻10k33‰5电容10316电位器10k47电位器100k28集成运放OP07DP6DIP封装9变压器15V三抽头110稳压芯片Lm7815111稳压芯片LM791517设计感想及总结：通过本次课程设计，我确实学习到了好多东西，对于模电中所学的差动放大器，以及，模拟集成运算放大器有了更深一步的理解，并学会了将理论知识向实际应用的转变，并且由于设计的需要，我还将数字电路进行了简单的了解。本次课程设计中，我还学会了去查阅各种资料，包括各种没有使用过的芯片，都可以通过互联网查阅到相关的使用手册，十分方便，也加速了课程设计的速度，少走了好多弯路，避免了将时间花费在实际测试探索，从而有充分的时间去改进电路，在电路调试中，我又加深了模电课中所学到的有关于电路的频率响应特性的相关知识，同时，看到自己做的实际电路在经过反复的测试后终于达到预期的效果而感到十分的欣慰与自豪。在实际调试中我遇到很多问题，刚开始的时候感觉很烦躁，但是，还要解决问题，于是慢慢静下心来分析原因，再结合所学的理论知识与实际中的现象，慢慢还是找到了问题的所在，可以说，通过这次课程设计，我学到的不仅仅是知识了，还学会了分析问题的方法，我很荣幸能有做这次课设的机会，我也很珍惜这次锻炼自己的机会。附：原理图8参考文献：康光华主编，高等教育出版社，《电子技术基础》（模拟部分）第五版全国大学生电子设计竞赛组委会编，北京理工大学出版社《第四届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编1999》于永、戴佳、常江编著，电子工业出版社《51单片机c语言常用模块与综合系统设计》参考网址：维库电子资料/data/附件6：本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：_______________年月日基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入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