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1、测量放大器 _课程设计目 录摘 要.- 2 -Abstact .- 2 -1 引言 .- 3 -2 测量放大器 2.1 任务 .- 4 -2.1.1 基本要求 .- 4 -2.1.2 发挥部分 .- 4 -2.2 测试说明： .- 5 -3 方案设计与论证： .- 6 -3.4 电源电路地设计： .- 9 -3.4.1 降压部分：. - 10 -3.4.2 整流部分：. - 11 -3.4.3 滤波部分：. - 11 -3.4.4 稳压部分：. - 11 -3.5 信号变换电路： . - 12 -3.6 单片机掌握部分： . - 12 -4 主要地电路参数运算. - 14 -4.2 电源参数地
2、运算： . - 15 -5 电路调试： .- 16 -5.1 调试所用仪器： .- 16 -5.2 电源参数测试： .- 16 -5.3 放大器放大性能地测试：.- 17 -5.4 测量放大器地频率响应测试：.- 17 -6 元器件清单： .- 19 -7 设计感想及总结： .- 20 -8 参考文献： .- 22 -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地测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对柔弱电压信号地放大，要求有较高地共模抑制才能及较高地输入电阻，从而削减测量地误差及对被测电路地影响，并要求放大器地放大倍数可调以实现对比较大
3、地范畴地被测信号地测量，因而测量放大器地前级主要采纳差分输入地方式，然后经过双端信号到单端信号地转换，最终经比例放大器进行放大，比例放大器地反馈电阻可以由D/A 组成地电阻网络代替，通过单片机对其阻值进行掌握，从而实现对放大倍数地掌握，放大倍数可以由单片机掌握键盘进行输入，掌握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地转变，主要采纳地是经过改进地差分式放大电路，信号变换在本设计中地用途主要是用于对测量放大电路地频率响应进行测试. 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地运放 .AbstactThe design is mainly mad
4、ed of three parts of measuring amplifiers, signal converters, power supply.Measuring amplifier is mainly to achieve micro-signal measurements, primarily through the use of integrated operational amplifier circuit to enlarge the composition of measurement of weak voltage signal amplification, requiri
5、ng a higher common mode rejection capability and high input resistance, thereby reducing error of measurement and the impact of the circuit under test and it requires magnification adjustable amplifier in order to achieve greater contrast to the scope of the measured signal measurement. So different
6、ial input is the measurement of the pre-amplifier i, and then after a two-terminal signal to the single-ended signal conversion, and ultimated by the ratio of amplifier amplification, the ratio of amplifier feedback resistor from D / A resistor network in place of the composition, through Singlechip
7、 its resistance to control, in order to control magnification. Magnification can be controlled by a single-chip keyboard input, control of liquid crystal or digital tube display. Signal transform circuit changes one end of the main signal output to two ends of output, mainly using an improved differ
8、ential amplifier circuit, the main purpose of the signal transformation in the design is used for measuring the frequency response of amplifier for testing. Regulated power supply circuit is mainly used for the operational amplifier and power supply bridge, including the measurement and signal ampli
9、fier OPAMP Converter.1 引言测量放大器能够将柔弱地电信号进行放大，在生活中应用也非常广泛，如在自动掌握领域，往往需要用电压信号进行掌握，也就必定离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用非常广泛，因而现在已经有集成地测量放大器供使用了.本次课程设计就是环绕测量放大器绽开地，同时仍设计了放大器地一些外围电路，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地信号进行不失真地放大，并不对所测量地电路产生影响，这就需要测量放大器有较高地输入电阻和较高地共模抑制比 .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地直流稳压电源 . 参见图 1. 输入信
10、号 VI 取自桥式测量电路地输出 . 当 R1R2R3 R4 时， VI 0.R2 转变时，产生 VI 1 0 地电压信号 . 测量电路与放大器之间有 1M长地连接线 .2.1.1 基本要求1) 测量放大器a. 差模电压放大倍数 AVD 1 500，可手动调剂；b. 最大输出电压为10V ，非线性误105 ；d. 在 AVD500 时，输出端噪声电压地峰峰值小于1V；e. 通频带 010Hz ；f. 直流电压放大器地差模输入电阻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地直流稳压电源. 由单相 220V 沟通电压供电 . 沟通电压变化范畴为 10 15.3)
11、 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地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地输入信号.2.1.2 发挥部分（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） ）在满意基本要求 1 中对输出端噪声电压和共模抑制比要求地条件下，将通频带展宽为 0100Hz 以上.（3） ）提高电路地共模抑制比 .（4） ）差模电压放大倍数 AVD可预置并显示，预置范畴11000，步距为 1，同时应满意基本要求 1 中对共模抑制比和噪声电压地要求 .（5） ）其它（例如改善放大器性能地其它措施等）.2.2 测试说明：基本要
12、求部分1) 测量放大器a. 差模电压放大倍数地测量 : 通过转变 R2地阻值产生差模输入电压信号 .b. 非线性误差地测量：在 AVD=100地条件下，分别测量 VI 为 25mV、 50mV、 75mV、 100mV时地输出电压，求出非线性误差地最大值.c. KCMR地测量：在 AVD=500、VI 0 地条件下，分别测出VA 15V、VB0 和 VA 0、VB 15V时地共模电压放大倍数，取较大地一个运算KCMR.d. 输出端噪声电压地测量：在R1R2R3 R4、VI 0 地条件下，用示波器测量输出端噪声电压峰峰值 .e. 通频带地测量：用信号变换放大器取代桥式测量电路，信号变换电路地输入
13、信号由函数发生器或低频信号发生器给出.f. 不测量电压放大器地输入阻抗，仅依据对电路地分析，判定它能否满意对输入阻抗地要求 .直流稳压电源地测量：沟通电压变化 10和 15时， AVD和 KCMR应保持不变 .2) 发挥部分：第3 、4 项 KCMR地测量：仍旧在 AVD=500地条件下 , 按前述方法进行 .在第5 项有特色分者，应对设计地特色加以明确、详细地说明.3 方案设计与论证：方案一：如图一所示，直接采纳高精度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地比例放大器获得，此电路地特点是
14、简洁，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地零漂及共模信号产生，虽然电路非常简洁，元器件较少，但仍将其舍弃.图一 方案一电路图方案二：采纳比较通用地仪用放大器，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 组成其次级差分放大电路.在第一级电路中， v1v2 分别加到 A1 和 A2 地同相端 ,R1 和两个R2 组成地反馈网络，引入了负反馈，两运放A1 、A2 地两输入端形成虚短和虚断，通过运算可以得到电路地电压增益，适当地挑选电阻地阻值即可实现放大倍数地
15、转变，并且可以将R1 用一个适当阻值地电位器代替，通过调剂电位器即可实现对放大倍数地掌握.该电路地优点是，电路简洁，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，因而可以大大地提高共模抑制比，并且由于输入信号 V1 和 V2 都是 A1 、A2 地同相端输入，依据虚短和虚断，流入放大器地电流为0 所以输入电阻 Ri ，并且要求两运放地性能完全相同，这样，线路除具有差模共模输入电阻大地特点外，两运放地共模增益、失调及其漂移产生地误差也相互抵消，但由于本试验要求放大倍数可以调剂，通过电位器调剂放大倍数，电位器地阻值无法精确获得
16、，因而放大倍数无法精确得到，因而，本方案并不能完全满意试验要求，故舍弃本方案.图二 方案二电路图方案三：主要是对其次种方案地合理改造，如图三所示，电路前级放大仍旧采纳差分式输入地方式，采纳双端输入双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于，电路了零漂地影响主要来自第一级放大，因而第一级采纳了差分式输入地方式，就能有效地提高整个电路地共模抑制才能，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，为提高电路地共模抑制才能，A3 为节省成本仍采纳OP07，为提高其共模抑制才能以及精准度，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
17、，从而提高电路地对称性，削减温度漂移地影响，然后再接一级比例放大，通过调剂R12 地阻值即可转变整个电路地放大倍数，经过仿真测试，基本能满意试验要求，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掌握即可满意放大倍数地调剂，并且经过理论分析基本可以满意步进为1 地要求，鉴于以上缘由，将采纳本电路.OP07 作为常用地运放主要以下特点：1) 低地输入噪声电压幅度 0.35 V-PP0.1Hz 10Hz2) 极低地输入失调电压 10 V3) 极低地输入失调电压温漂 0.2 V/4) 具有长期地稳固性 0.2V/MO5) 低地输入偏置电流 1nA6) 高地共模抑制比 126
18、dB7) 宽地共模输入电压范畴 14V8) 宽地电源电压范畴 3V 22V9) 可替代 725、108A 、741、AD510 等电路图三 方案三电路图3.4 电源电路地设计：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，在能满意试验要求地基础上，尽可能简化电路，采纳地是比较常用地稳压电源电路，主要利用两个稳压芯片，LM7815 及 LM7915产生所需要地15V 地电压输出，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，因而采纳双输出地变压器实现双电源地输出，运放所需要地电源为所以采纳 15V 输出地变压器足以满意要求，对于该稳压电源地基本原理简要说明如下：图五
19、 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，由于要为双电源地运放供电，因此要采纳三抽头地变压器从而可以得到相位相反地两个15V 地沟通源，输入到下一级地整流桥，变压器地型号为15V 地输出，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地整流桥组成，依据二极管地单向导电性，将四个二极管分为两组，依据变压器副边电压地极性分别导通，将变压器副边电压地正极性端与负载电阻地上端相连，负极性端与负载电阻地下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向地脉动电压.桥式整流电路地优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承担地最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内
20、都有电流供应负载，电源变压器得到了充分地利图六 整流电压波形用，效率较高 .经过整流后电路中地电流及电压地波形变化如右图所示.整流部分采纳地是成品地整流堆，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地电容构成，利用地是大电容充放电时间较长地原理，将整流后地波形进一步平整化，为后一级地稳压部分供应近似于直流图七 滤波后波形地电源，滤波后地波形如右图所示.试验电路中电容地容量取3300uF，足以满意试验地要求.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地电容，防止产生自激，经过稳压芯片稳压后，输出基本为稳固地直流，能够满意设计电路
21、地供电要求 .稳压芯片选用地是常用地 LM7815 和 LM7915 ，其中， LM7815 输出地是正地 15V ，而 LM7915 输出地是负地 15V.尾端加地47uF 地电容主要是用于滤除电路中可能存在地高频影响 .稳压芯片 lm7815 地主要参数：输出电流可达 1A输出电压有： 15V输出晶体管 SOA 爱护7815 极限值（ Ta=25） VI- 输入电压 VO=518V 35V VO=24V 40VR JC-热阻（结到壳） 5 /WR -J-A热阻（结到空气）65 /WTOPR- 工作结温范畴 0125 TSTG- 贮存温度范畴 -65150 7915 参数： 相关引脚：1 地
22、， 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，有不同地固定输出电压，应用范畴广.输出电流可达 1A输出电压有： -15V过热爱护 短路爱护输出晶体管 SA 补偿 . VI- 输入电压-35VTOPR- 工作结温范畴0125 TSTG- 贮存温度范畴-65150 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地功能，用作测量直流放大器频率特性测试地输入信号，较为简洁地方法是采纳差分放大器地方法，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，必需好保证电路地对称性，为保证电路地精度，
23、采纳两个高精度、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，防止因放大器地温度漂移而产生影响，并且为防止波形地幅度失真，引入了电 位器 R5 对 Vout2 地输出幅度进行调剂 .由于是从同向输入端输入因此电路地输入阻抗很高，能够满意试验地要求 .3.6 单片机掌握部分：本设计中由于需要测量放大器地放大倍数可以手动调剂，因采纳电位器是电位器接入电路地电阻无法精确获得，如采纳拨码开关，这会带来调剂上地繁琐，由于采纳不同地数制并且放大倍数与反馈电阻 R12 地值地关系，并不简洁就算，而采纳单片机结合数模转换器便能很好地解决这一问题，本设计对于单片
24、机地要求并不是很高，采纳比较常用地AT89S52 单片机足以满意试验地要求，另外，作为放大倍数调整地输入设备，我们采纳了矩阵式键盘，通过单片机掌握对键盘进行扫描，作为输出显示，由于设计要求11000 倍可调，故采纳四位数码管作为放大倍数地显示部分，同样有单片机对其进行掌握，作为放大倍数调剂地核心元件，我们采纳了常用地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，采纳与常规DA 变换不同地接法，利用电阻网络变换进行电路放大倍数地掌握.原理是通过单片机掌握电阻是否接通而转变接入电路地电阻地阻值，然后
25、通过单片机对放大倍数进行运算，再将结果送到数码管进行显示，实际设计中，单片机地掌握流程为，第一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，然后依据用用户输入地放大倍数转变接入电路地电阻地阻值，从而使测量放大电路工作在所输入地放大倍数状态下.4 主要地电路参数运算4.1 前端放大电路部分（利用图三原理图进行运算）： 第一级差模放大地电压放大倍数运算：由于运放 A1 、 A2 均满意虚短和虚断，流入两运放地电流均可认为为零，故有VBVi 2得到：VAVi1vR10vR10R10vi 1vo1R8R9vi 2vo2R10vo1vo 2R8R9R10vR101R8R9vi 1vi 2R10
26、R10运放 A3 实际构成求差点路满意关系式：vo35Rvo1R3vo 2带入该关系式得到vo35Rvo1R3vo2 R5 1R8 R3R9 R10R10vi1vi 2运放 A4 接成地是反向比例放大器，满意关系式：R12voutvo3R11因而最终测量放大器地放大倍数为：AR12 R5R8V1R11R3R9R10R10 vi1vi 2从式子中可以看到通过调剂R12 地值即可实现对测量放大器放大倍数地调剂，其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路地输入电阻，并不承担主要地放大任务，放大主要由最终一级比例放大器来完成，因而在电阻挑选上考虑到这方面因素，本设计前级放大器地放大倍数Av1R5 1 R
27、3R8R9 R10R10100k50k 50k100k60最终一级放大倍数Av 2R12 R11而 R12 是一个 100k. 地电位器， R11 阻值为 10k. ，故最终一级地增益最高可达600 倍，最小增益可以小于 1，完全可以满意试验地基本要求，但满意不了发挥部分地要求，因而在实际制作中将R10 地值适当调小，即可满意放大倍数11000 且手动可调地要求.4.2 电源参数地运算：直流稳压电源要求由单相220V 沟通电压供电，沟通电压变化范畴为10 15时，直流电压地输出基本不变，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 ，足以满意对运放
28、地供电要求，运算滤波电容时考虑到整流二极管、7815 及 7915 地最小压降，二极管为 0.7V ，7815 及 7915 为 Ud在 0.01s 内单相 220V 沟通电地变化为U maxU2 115%0.7Ud154.5VQItC0.50.011111.1 FUU4.5实际设计中，滤波电容C 取 3300F完全可以满意试验地基本要求，稳压芯片地接法采纳地是芯片使用手册供应地比较典型地接法.5 电路调试：5.1 调试所用仪器：在确定好试验方案后，我们依据设计地地方案做出了实物，并进行了调试，5.2 电源参数测试：对电源地测试，试验中测得所设计电源地相关参数如下：表二：表一：序号仪器名称数量
29、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沟通毫伏表1 台+15V 输出端电压-15V输出端电压理论值测量值+15.0V+15.04V-15.0V-14.94V误差0.27%0.4%5.3 放大器放大性能地测试：第一进行调零，将输入端短接，即将输入信号置零，调剂各个电位器地调零电阻，直至输出电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用万用表测电桥地输出电压，手动调剂可变电位器，直至电桥地输出电压为5mV ，然后用 1m 长地导线将电桥与放大器连接，用示波器观看测量放大器地输出波形，发觉有毛刺状地杂波，进分析，确定为导线过长引入了高频干扰，而设计电路中地电容C1 本意就是为滤除
30、高频信号干扰而设置地，但实际成效并不抱负，于是采纳双绞线代替一般导线进行信号传递，重新观看测量放大器地输出波形，发觉输出波形有了明显地改善.对于测量放大器放大倍数地测量，通过键盘设置放大倍数，然后用万用表测电桥地输出电压及测量放大器放大后地输出电压，求出实际电压放大倍数，然后与设置地电压放大倍数相比较，即可得到测试放大器地放大性能与精度，以下是测量时得到地数据记录表三：输入 电压设置放大倍数输出压电实际放大倍数输入压电设置放大倍数输出压电实际放大倍数0.0053001.543080.2255.125.50.011001.051050.32206.4220.60.023501.196530.54
31、2.014.020.06503.06511.61711.266.990.12303.6301.6469.835.990.18325.77832.12.1511.25751.055.4 测量放大器地频率响应测试：第一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，然后调剂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，再将信号变换器地输出信号接到测量放大器地输入端，合理地设置输出电压及测量放大器地放大倍数，然后用沟通毫伏表测测量放大器和信号变换电路地输出电压，并转变函数信号发生器地输出频率，运算不同频率下地放大倍数，预置值进行比较，得出测量放大器
32、地频率响应.以下是实际测试地记录表格：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8.65482.114.31.02419.892.114.241.0654.72.114.41104.72.114.4110242.114.410.12814561000.25350.0990.01453547013.24472.86 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10k335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，我的确学习到了好多东西，对于模电中所学地差动放大器，以及，模拟集成运算放大器有了更深一步地懂得