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1、精选优质文档-倾情为你奉上电子线路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： 姓 名： 王德权 序 号： 16 指导教师： 姜李 张娟 2008年 1 月 16日一实训目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图；3 熟练掌握印制电路板的生成，了解如何刻板；4 掌握基本焊接技术。二实训工具：Protel99seCircuitCAM 电烙铁 万用表模拟电子试验箱（含有+12V电源，+0V-+0.5V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OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是
2、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互相抵消的作用。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vv+，因而加在R7两端的电压为(vI1vI2)，相应通过R7的电流i7(vI1-vI2)R7，由于i0，因而vo1i7R1+vI1，vo2i7R2+vI2，当，R1R2R时，vo1-vo2(1+2RR7)(vI1-vI2)对U2而言，vo1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(R5R3)vo1+R6
3、(R4+R6)vo2(1+R5R3)由于R3R4，R5R6因而vo(R5R3)(vo1-vo2)(R5R3)（1+2RR7）(vI1-vI2)仪器放大器的差值电压增益：Avfvo(vI1-vI2)(R5R3)（1+2RR7）上式表明，改变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级集成运放U1和U3的对称性和各电阻值的匹配精度。如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为0001，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。由于采用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M以上。利用仪表放大对他的特性进行了实际的测量和具体数据进行了记录最
4、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AU=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，噪声及飘移的放大器。在使用时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Protel99se SCH界面，绘制电路原理图，绘制原理图过程中注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
5、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R1R2R7R8AXIAL0.3RES2集成运放U1 U2 U3DIP-8OP27A电解电容C3 C4RB.2/.4CAPACITOR POL瓷介电容C1 C2RAD0.1CAP连接器J1 J2SIP-2CON2网络表如下：专心-专注-专业C1 RAD0.1 0.1uFC2 RAD0.1 0.1uFC3 RB.2/.4 47uFC4 RB.2/.4 47uFR1 AXIAL0.3 9KR2 AXIAL0.3 9KR3 AXIAL0.3 1KR4 AXIAL0.3 1KR5 AXIAL0.3 10KR6 AXIAL0.3 10K
6、R7 AXIAL0.3 2KR8 AXIAL0.3 1MU1 DIP-8 OP27AU2 DIP-8 OP27AU3 DIP-8 OP27A(GND C1-2 C2-1 C3-2 C4-1 R6-2 )(NetR1_2 R1-2 R3-1 U1-6)(NetR2_2 R2-2 R4-1 U3-6)(NetR3_2 R3-2 R5-1 U2-2)(NetR4_2 R4-2 R6-1 U2-3)(NetR5_2 R5-2 U2-6)(NetR7_1 R2-1 R7-1 U3-2)(NetR7_2 R1-1 R7-2 U1-2)(NetR8_2 R8-1 R8-2 U1-3 U3-3)(NetU1_
7、4 C2-2 C4-2 U1-4 U2-4 U3-4)(NetU1_7 C1-1 C3-1 U1-7 U2-7 U3-7 U4-3 )(NetU4_1 U4-1 )2、 进入Protel PCB界面绘制印制板图：先确定外围尺寸：长50mm，宽25mm，且要求外框接地又不能封闭，接着载入网络表（Desion-Load Nets），把所有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，本设计采用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）。设计过程中注意线尽可能的直，尽量使布线简单，这样便于
8、刻板。电路板图如下图所示3、由protel生成CAM所需文件在电路板设计环境下，生成所有所需文件单击File菜单中的CAM Manager，显示“output wizard”对话框，单击next，下一步选择Gerber，next直至最后选择finish，默认生成一个gerber output1文件。在空白处单击右键，下拉菜单中单击Insert NC Drill，弹出NC Drill Setup对话框，单击OK，生成NC Drill文件。在空白处单击右键，下拉菜单中单击Generate CAM Files，生成所需文件。 导出所需文件选择需要的文件导出，需要的文件：*.DRR（光圈表），*.GB
9、L（底层），*.GKO（机械层），*.GTL（顶层），*.TXT（同文件名的txt文件，钻孔的坐标文件）。复制文件到根目录下，或在根目录下设置一个新的文件夹，以极简单的名字命名。（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，或直接单击快捷键（导入），一般位置在左一。打开Import对话框，在对话框中找到需要导入的五个文件，全选后，单击打开，开始导入文件。*.DRR：第二个下拉菜单中选择Protel x drr Exc mil Inch23AbsLead.txt (NCDrill)，选对之后，最下方的显示框中，
10、可显示出正确的光圈表。单击“导入Import”按钮。*.GBL：Layer（第二个下拉菜单）选择BottomLayer。单击“导入Import”按钮。*.GKO：Layer（第二个下拉菜单）选择BoardOutline。单击“导入Import”按钮。*.GTL：Layer（第二个下拉菜单）选择TopLayer。单击“导入Import”按钮。*.TXT：Layer（第二个下拉菜单）选择DrillPlated。单击“导入Import”按钮。所有文件导入完毕。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（match up layers），单击一个钻孔，再单击印制板上相应
11、的位置。即可将钻孔关联到印制板上，形成一个整体。3、设置印制板外框单击工具栏图标（contour routing），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。设置断点，选中（在角上选取比较容易）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（breakout tab），即可得到一个断点，一般设置三个。如需要螺丝孔，操作如下：先单击选择画出的螺丝孔，单击工具栏图标（contour routing），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
12、算第一种方法：单击工具栏上的图标（insulate all layers），等待计算完成。第二种方法：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，同时注意选择刀具，刀具的选择如图2，刀具选择之后，注意每层都要保存；顶层的焊盘绝缘宽度设置为0.2mm。图1图25、导出*.lmd文件单击工具栏上的图标（export lpkfcircuitboardplotter），自动将*.lmd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Board Master软件操作机器雕刻线路（四）电路板焊接1.检查利
13、用刻板机生成的板子是否满足设计要求。2.利用万用表检测板子是否满足电气特性，发现短路的地方利用小刀人工绝缘。3.按照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.根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足理论结论则调试成功。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。注意接地。3.利用万用表在不同输入的情况下测量输出。4.记录试验数据。试验数据记录表组次输 入输 出VOUT(V)放大倍数AvfVIN1(V)VIN2(V)10.01-0.011
14、.959820.020.012.010030.030.021.99740.03-0.036.510350.04-0.04810060.05-0.059.595（六）结论系统功能本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27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互相抵消的作用。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，本设计满足设计要求。改进建议在使用时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器
15、带来误差，而其将降低电路的共模抑制比。整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。电源电压一般可取515V，但对其稳定度有一定的要求。仪器放大器的共模抑制比主要取决于第级集成运放A1和A2的对称性和各电阻值的匹配精度。如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为0001，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。五、遇到的问题及解决方案：1. Protel99se的使用 软件掌握不熟练，重新复习。 画原理图过程中要注意地线的联结。输入输出接口要设置好，如果打算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使用空焊盘，这样连接的时候只需使用导线焊接即可。
16、 生成PCB板子时要求使用单层板，但是生成后却是双层的。于是利用手工更改。此过程要求要有耐心，一个元件一个元件的尝试，最后生成满足要求的板子。 由protel生成CAM所需文件时，不可以使用COPY菜单命令，只能使用软件的导出菜单，此处浪费时间严重。目的文件夹应当建立在根目录下，命名要尽可能的简单，字符串不要太长，因为在CAM环境中使用方便。如果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，该软件没有使用过，根据参考书现学现用。发现个人的自学能力有待提高。为了区分元件以及方便后续焊接的方便，需要将元件的元件名称印制在板子上。所以元件名
17、称的板层也是顶层，此时需要注意元件名称与有电气特性的其他电线等的兼容，避免短路、断路等的错误。使用手工一个一个调节。 设置断点的问题比较麻烦，过程比较简单，选中（在角上选取比较容易）刚刚运行得到的外框，把鼠标利用小键盘上的“+”、“” 移到希望设置断点的位置（一般选择中点），然后使用工具菜单即可设置成功。绝缘计算中，单击编辑菜单中的绝缘计算，在弹出的对话框中，选择底层，将焊盘绝缘宽度改为0.6mm，同时注意选择刀具刀具选择之后，注意每层都要保存；顶层的焊盘绝缘宽度设置为0.2mm。该过程第一次没有设置，在老师的指导下完成的。3. 电路板焊接与调试经过利用Board Master软件操作机器雕刻
18、线路完成的电路板存在不少问题。该过程我们首先利用万用表欧姆档检测刻板是否严格绝缘。发现两个焊盘及一条导线短路无绝缘。我们手工使用刀片绝缘。由于焊盘非常小，焊接过程尤为重要。我们为了防止焊点与非剥铜区短路，采用焊接一个测量一个的方法步步为营，解决了很多麻烦。效果明显。调试过程出现接地不良，放大系数失真严重等问题。首次通电测试实际放大倍数为50，与理论值严重不符，而且OP27A发热严重。断电检测。根据原理推断反馈出现问题，于是检查。查处R6电阻后端接地不良。修改后通电检测，数据正常。六、心得体会：经过本次课程设计，我个人感觉能力上的收获要远远大于知识上的提高。首先是深刻的理解了统筹的思想，当接到题目的时候，我们要统筹的考察这个系统要完成什么样的功能，这个系统至少要有那几块组成。然后分解，各个击破。最后组装起来，功能就实现了。第二就是团队的精神。当问题出来的时候，自己又解决不了，就要去求教别人。我们组里在进行设计时就是每人设计一个，最后的那个每个人设计一部分，这样各负其责，完成的也特别好。第三，锻炼了利用各种途径获取新知识的能力。第四，书本上的和实际的总有很多差别。总之，收获颇多。最后还要感谢本次实训的两位指导老师，在他们的谆谆教诲下我们才得以在这么有限的时间内完成本次设计。