仪表放大器的设计与制作

电子线路CAD与电子工艺实训报告

第七组

仪表放大器的设计与制作

班级：电本0501

学号：0532110661

姓名：

序号：16

指导老师：

2008年1月16日

一.实训目的：

1驾驭仪表放大器的结构原理：

2娴熟应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图；

3娴熟驾驭印制电路板的生成，了解如何刻板；

4驾驭基本焊接技术。

二.实训工具：

Protel99se

CircuitCAM

电烙铁

万用表

模拟电子试验箱(含有±12V电源，土0V-—t0.5V电源)

其他必要检测设备

三.仪表放大器原理：

本仪器放大器是由三个0P27集成运算放大器组成，0P27的特点是低

噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。仪表放大器电路连接

成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。由于电路的结构对称,

他们的漂移和失调都具有相互抵消的作用。后一个运算放大器组成差分放

大器，将差分输入转换为单端输出。电容C用于除抖动和抗干扰。

工作原理：

由于v----v+,因而加在R7两端的电压为(vH—vI2),相应通过R7

的电流i7=(vTl-vT2)/R7,由于i-0,因而vol=i7Rl+vTl,vo2=

i7R2+vI2,当，R1=R2=R时,vol—vo2=(1+2R/R7)(vll-vl2)对U2而言,

vol加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理的输出电压。

vo=—(R5/R3)vol+R6/(R4+R6)vo2(l+R5/R3)由于R3=R4,R5=R6因

而

vo=—(R5/R3)(vol-vo2)=—(R5/R3)(1+2R/R7)(vll-vl2)

仪器放大器的差值电压增益:Avf=vo/(vll-vl2)=-(R5/R3)(1+2R

/R7)

上式表明，变更R7可设定不同的Avf值。

仪器放大器的共模抑制比主要取决于第一级集成运放U1和U3的对•称

性和各电阻值的匹配精度。假如U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为

一±0.001%,则仪器放大器的共模抑制比可达到lOOdB以上。

由于采纳了对称的同相放大器，因而仪器放大器两输入端具有相同的

输入电阻，且其值可达到几百MQ以上。利用仪表放大对他的特性进行了

实际的测量和详细数据进行了记录最大放大倍数为Av=100。经计算，本设

计中仪表放大器的电压放大倍数AL=R5/R3(1+2R1/R2)=100,结果将在仿真

中验证。

仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模

抑制比，具有较低的失调电压，失调电流，噪声与飘移的放大器。在运用

时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器带来误差，而其

将降低电路的共模抑制比。

四.实训步骤：

(一)在Protel99se环境中绘制原理图、印制板图，生成CAM文件

1、绘制电路原理图:

进入Protcl99scSCH界面，绘制电路原理图，绘制原理图过程中留意

元件的封装和名称，还有元件的布局，力求美观，完成之后，经电气检查

无误后即可生成网络表。

电路原理图如下

元件列表说明

说明编号封装元件名称

电阻R1R2…R7R8AXIALO.3RES2

集成运放UIU213D1P-80P27A

电解电容C3C4RB.2/.4CAPACITORPOL

瓷介电容ClC2RADO.1CAP

连接器JIJ2S1P-2C0N2

网络表如下：

[ClRADO.10.luF][C3RB.2/.447uF]

[C2RADO.10.luF][C4RB.2/.447uF]

[RIAX1AL0.39K](NctR2_2R2-2R4-1U3-6)

[R2AXIALO.39K](NetR3_2R3-2R5-1U2-2)

[R3AXIALO.3IK](NetR4_2R4-2R6-1U2-3)

[R4AXIALO.3IK](NetR5_2R5-2U2-6)

LR5AXIALO.31OKJ(NetR7_lR2-1R7TU3-2)

[R6AXIALO.31OK](NetR7_2Rl-1R7-2Ul-2)

[R7AXIALO.32K](NetR82R8-1R8-2Ul-3U3-3)

[R8AXIALO.3IM](NetUl4C2-2C4-2UI-4U2-4

[UIDIP-8OP27A]U3-4)

[U2DIP-8OP27A](NetUl_7Cl-1C3-1Ul-7U2-7

[U3DIP-8OP27A]U3-7U4-3)

(GNDCl-2C2-1C3-2C4-1R6-2)(NetU4_lU4-1)

(NetRl_2Rl-2R3-1Ul-6)

2、进入ProtelPCB界面绘制印制板图:

先确定外围尺寸：长50nm1,宽25nm1,且要求外框接地又不能封闭，接

着载入网络表(Desion-LoadNets),把全部的元件合理的分布到印制板

图上，进行自动布线参数的设置(Desion-Rules),最基本的有三点：线

宽，线距和层数，木设计采纳单面板参数设计完毕，正确调用网络表即可

执行自动布线指令(AutoRoute-All)。设计过程中留意线尽可能的直，尽

量使布线简洁，这样便于刻板。

电路板图如下图所示

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3^由protel生成CAM所需文件

①在电路板设计环境下，生成全部所需文件

单击File菜单中的CAMManager,显示uoutputwizard”对话框,

单击next,下一步选择Gerber,next直至最终选择finish,默认生成一

个gerberoutput1文件。

在空白处单击右键，下拉菜单中单击InsertNCDrill……,弹出NC

DrillSetup对话框,单击0K,生成NCDrill文件。

在空白处单击右健，下拉菜单中单击GenerateCAMFiles,生成所需

文件。

②导出所需文件

选择须要的文件导出，须要的文件：*.DRR（光圈表），*.GBL（底层）,

*.GK0（机械层），*.GTL（顶层），*.TXT（同文件名的txt文件，钻孔的

坐标文件）。复制文件到根书目下，或在根书目下设置一个新的文件夹，

以极简洁的名字命名。

（二）在CAM中将由Protel生成的文件处理成.LMD文件，生成印制板

1、导入文件

打开CircuitCAM,单击文件菜单中的导入，或干脆单击快捷键

入），一般位置在左一。打开Import对话框，在对话框中找到须要导入的

五个文件，全选后，单击打开，起先导入文件。

①礼DRR：其次个下拉菜单中选择ProtelxdrrExcmil

Inch23AbsLead.txt（NCDrill）,选对之后，最下方的显示框中，可显示

出正确的光圈表。单击“导入Import按钮°

②*.GBL：Layer（其次个下拉菜单）选择BottomLayero单击”导

入Import”按钮。

③*.GKO:Layer（其次个下拉菜单）选择BoardOutline。单击“导

入Import,,按钮。

④*.GTL：Layer（其次个下拉菜单）选择TopLayer。单击“导入

Import”按钮。

⑤*.TXT：Layer（其次个下拉菜单）选择DrillPlated。单击“导

入Import按钮。

全部文件导入完毕。

2、关联钻孔的位置

调出对孔图标所在工具栏：在视图菜单的工具栏单击工具栏图标堂」

（matchuplayers）,单击一个钻孔，再单击印制板上相应的位置。即可

将钻孔关联到印制板上，形成一个整体。

3、设置印制板外框

①单击工具栏图标I,1~1(contourrouting),对话框的最上区域中选

择“外部”，在“源”中选择“层”，对应的“层”的下拉菜单中选择

“boardoutline"，选择对应的道具，单击运行。

②设置断点，选中(在角上选取比较简洁)刚刚运行得到的外框，把

鼠标移到希望设置断点的位置(一般选择中点)，单击在(breakout

tab),即可得到一个断点，一般设置三个。

③如须要螺丝孔，操作如下：先单击选择画出的螺丝孔，单击工具栏

图标一〔匚画3」I(contourrouting),对话框的最上区域中选择“内部”，在“源”

中选择“当前选择”，单击运行。

4、绝缘计算

第一种方法：单击工具栏上的图标(insulatealllayers),等

待计算完成。

其次种方法：单击编辑菜单中的绝缘计算，在弹出的对话框中，选择

底层，在如下图1所示的对话框中将焊盘绝缘宽度改为0.6mm,同时留意

选择刀具，刀具的选择如图2,刀具选择之后，留意每层都要保存；顶层

的焊盘绝缘宽度设置为0.2mm。

图1

图2

5、导出*.Imd文件

单击工具栏上的图标(exportIpkfcircuitboardplotter),自

动将*.Imd文件导出到导入五个文件时的文件夹。

由CircuitCAM生成的印制板图如下:

（三）利用BoardMaster软件操作机器雕刻线路

（四）电路板焊接

1.检查利用刻板机生成的板子是否满意设计要求。

2.利用万用表检测板子是否满意电气特性，发觉短路的地方利用小刀

人工绝缘。

3.依据原理图将元件插放在板子上，然后焊接。

4.引出必要的输入输出导线。关键是接地线的连接。

5.检查焊接好的板子是否正确。

（五）调试

1.依据原理设计调试方案。

方案：

输入直流小信号，约为毫伏级，测量输出信号幅值。

若输出幅值与输入幅值满意理论结论则调试胜利。

2.利用模拟电子试验箱产生输入信号，连接必要输入输出连线。留意

接地。

3.利用万用表在不同输入的状况下测量输出。

4.记录试验数据。

试验数据记录表

组输入输出放大倍数

次VIN1(V)VIN2(V)VOUT(V)Avf

10.01-0.011.9598

20.020.012.0100

30.030.021.997

40.03-0.036.5103

50.04-0.048100

60.05-0.059.595

（六）结论

系统功能

本仪器放大器是由三个0P27集成运算放大器组成，0P27的特点是低

噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。仪表放大器电路连接

成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。由于电路的结构对称,

他们的漂移和失调都具有相互抵消的作用。后一个运算放大器组成差分放

大器，将差分输入转换为单端输出。电容c用于除抖动和抗干扰。

经过测试，本设计满意设计要求。

改进建议

在运用时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器带来

误差，而其将降低电路的共模抑制比。

整个电路采纳正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。

电源电压一般可取±5—±15V,但对其稳定度有肯定的要求。

仪器放大器的共模抑制比主要取决于第一级集成运放A1和A2的对称

性和各电阻值的匹配精度。假如U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为

一±0.001%,则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。

五、遇到的问题与解决方案：

1.Protel99se的运用

软件驾驭不娴熟，重新复习。

画原理图过程中要留意地线的联结。输入输出接口要设置好，假如准

备制作好的电路板与其他板块连接美观，电气特性好的话，最好讲输入输

出接口运用空焊盘，这样连接的时候只需运用导线焊接即可。

生成PCB板子时要求运用单层板，但是生成后却是双层的。于是利用

手工更改。此过程要求要有耐性，一个元件一个元件的尝试，最终生成满

意要求的板子。

由protel生成CAM所需文件时，不行以运用COPY菜单吩咐，只能运

用软件的导出菜单，此处奢侈时间严峻。目的文件夹应当建立在根书目下,

命名要尽可能的简洁，字符串不耍太长，因为在CAM环境中运用便利。假

如命名太长可能有诸多麻烦。

2.在CAM中将由Protel生成的文件处理成.LMD文件，生成印制板

该过程中，该软件没有运用过，依据参考书现学现用。发觉个人的自学

实力有待提高。

为了区分元件以与便利后续焊接的便利，须要将元件的元件名称印制在

板子上。所以元件名称的板层也是顶层，此时须要留意元件名称与有电气

特性的其他电线等的兼容，避开短路、断路等的错误。运用手工一个一个

调整。

设置断点的问题比较麻烦，过程比较简洁，选