测量放大器-杨乾友.doc

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1、学 号： 02课 程 设 计题 目测量放大器学 院信息工程学院专 业通信工程班 级1004班姓 名杨乾友指导教师李政颖2011年1月13日课程设计任务书学生姓名： 杨乾友 专业班级： 通信1004班 指导教师： 李政颖 工作单位： 信息工程学院 题 目:测量放大器的设计初始条件：1. 20W的变压器220V-18V2.运算放大器OP07 3.稳流二极管1N40074.三端集成稳压器LM7815，LM79155.电阻、电容 若干要求完成的主要任务:输入信号VI取自桥式测量电路的输出。当R1R2R3R4时，VI0。R2改变时，产生VIo的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。差模电压放大

2、倍数 AVD1500，可手动调节；a. 最大输出电压为 10V，非线性误差 105 ；d. 在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；e. 通频带010Hz ；f. 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）。时间安排： 第17周:理论讲解第18周：理论设计以及撰写设计报告 第19周：答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目 录摘 要I1、方案设计与论证11.1低噪声前置放大器11.2信号转换器41.3电源电路的设计51.3.1 降压部分61.3.2 整流部分61.3.3 滤波电路71.3.4 稳压电路72、设计原理及主要电路的

3、参数计算92.1 前端放大电路92.2 电源参数的计算103、仿真分析113.1 各部分电路的仿真测试113.1.1 电源的仿真测试113.1.2 信号转换器的仿真测试123.1.3 前端放大电路的仿真测试133.2 测量放大器的频率响应测试15 3.3 仿真过程中遇到的问题 174、心得体会18附件一 原理图19附件二 元件清单20附件三 参考文献21 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，并要求放大器的放大倍数

4、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。AbstractThis design mainly by the measuring amplifier, signal converter, regulated power supply of three parts, me

5、asuring amplifier primarily the achievement of micro-signal measurement, mainly through the use of an integrated measurement of the composition of op-amp amplifier circuit to achieve the amplification of weak electrical signals, requiring a morea high input resistance, thereby reducing the measureme

6、nt errors and the impact of the circuit under test and asked adjustable magnification the amplifier in order to achieve a larger range of the measured contrast to the signal measurement, and thus the first stage amplifier measured mainly uses differential inputsway, and then through the double-ended

7、 signal to a single-ended signal conversion, the final amplifier through the comparison to enlarge.Signal conversion circuit mainly to achieve a signal output to the ends of the output changes, the main use of the improved differential amplifier circuit, the signal transform in the use of this desig

8、n is mainly used to measure the frequency of the corresponding amplifier circuit for testing.Regulated power supply circuit is mainly used for the op-amp power supply, including measuring changes in the signal amplification circuits and devices in the op-amp.测量放大器1、方案设计与论证 根据题目要求，分以下三部分进行设计与论证。1.1低噪

9、声前置放大器方案一 如图1所示，直接采用高精度OP放大器结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1 方案一电路图 方案二 采用比较通用的仪用放大器，如图2所示，它是由运放A1、A2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

10、中，V1和V2分别加到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。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

11、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2 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3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为节约成本仍采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加

12、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。 图3 方案三电路图 1.2信号转换器 题目要求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。为了使信号不失真，就须保证电路的对称性。所以采用单

13、端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。同时用高精度、低漂移的运放来代替晶体三极管。本电路采用的运放是OP07，如图4。 图4 同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，从而实现不失真变换。在图4所示的电路中，电路输入阻抗太低，约为20k，所以选择了改进后的电路见图5 。此电路从同相端入，因此输入阻抗高，满足题目提出的要求。 图5 1.3电源电路的设计电源电路主要由变压部分、整流部分、滤波部分和稳压部分组成，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

14、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15V的电压输出，其电路如图6所示。 图6 电源电路图 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15V，所以18V输出的变压器足以满足要求 1.3.1 降压部分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10W。1.3.2 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

15、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用，效率较高。经过整流后的电流及电压的波形变化如图8示。整流部分使用4个1N4007搭建的整流桥。图81.3.3 滤波电路经整流后的直流输出电压脉动性很大，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。在小功率电路中采用电容滤

16、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4700F的电解电容足以满足电路的要求。1.3.4 稳压电路1.3.4.1 稳压器 稳压部分主要由稳压芯片组成，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宫殿要求。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。尾端加上470F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

17、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(V0=518V)35V (VO=24V)40V 相关引脚1-输入 INPUT 2-地 GND 3-输出 OUTPUT 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。 如图9，78系列和79系列的经典接法如下： 图9 78系列和79系列的经典接法2、设计原理及主要电路的参数计算2.1 前端放大电路 用集成运算放大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

18、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。 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 VA=Vi1 VB=Vi2 VR10=Vi1-Vi2 得到: 运放A3实际构成求差电路,满足关系式: 带入该关系式得到 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的值即

19、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100k的电位器，R11阻值为10k，故最后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。2.2 电源参数的计算直流稳压电源，设计要求当单相 220V交流电压供电时交流电压变化范围为+10%-15 ，仍

20、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500 mA，在0.01 s内电压变化为Umax=U(1-15%)-Ud-15=3.38VC=Q/U=I.t/U=0.50.01/3.38=1478F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=2000F，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，没有超出三端稳压器的耐压范围。 3、仿真分析 在确定好实验方案后，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。3.1 各部分电路的仿真测试3.1

21、.1 电源的仿真测试 对电源的测试，仿真结果如图10所示，具体数据如表一所示。 图10 电源部分仿真结果 表一 电源部分测试参数+15V 输出端电压-15V 输出端电压理论值+15.0 V-15.0 V测量值+14.89 V-14.92 V 经数据分析，误差在范围内，达到题目要求，能很好的为后面电路提供电源及测试需要。3.1.2 信号转换器的仿真测试把信号变换器的电路部分单独拿出，接上函数发生器输出，函数发生器输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=2Hz 。用示波器观察两端输出的波形，并测量其大小。分别调整R6、R7的阻值来改变输出端1与输出端2的输出电压值，直至输出电压的大小都为1mV。

22、仿真结果如图11所示，看到两个个方向相反，幅值相等（V=1mV）的波形。图11 信号变换电路仿真结果 由上图可知，此信号变换电路的设计符合题目要求，能很好的把函数发生器的单端输出转变为双端输出，为下一级电路提供了测试的输入方式。3.1.3 前端放大电路的仿真测试 仿真电路如图12，可选择放大倍数为1、100、1000和11000倍。改变电桥阻值即可改变输入电压进行不同参数的测量。 图12 前端放大电路的仿真电路图用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的电压。其理论放大倍数为： 表二 非线性误差的测量输入电压（mv）放大倍数输出电压(v)非线性误差25.0831002.5080.000350

23、.00610050.000675.0011007.4990.0101100.03310010.0030.0003 3.2 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，接入端接，及输入端直接接地。用函数发生器产生信号源，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，合理的设置电压及测量放大器的放大倍数，然后示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端，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,得出测量放大器的频率相应。 函数发生器输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=1Hz 。用示波器观察输入端与输出

24、端的波形，并进行比较计算。把R12调至50k，仿真结果见图13。图13整体电路的仿真结果 示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端。测量放大电路的放大倍数 。 当R12=50k时，=250 。 由仿真结果计算出， 误差为0.26% 。表二是仿真测试的记录表格。表二 频率响应记录表格输入频率（hz）函数发生器电压峰峰值预置的放大倍数输出电压放大倍数计算值1 1 mV250510.527 mV249.403510 mV2505.137 V249.9031020 mV25010.278 V249.95710010 mV2505.137 V 249.9153.3 仿真结果中遇到的问题在放大

25、器仿真中,当输入电压比较大时,输出电压仍然按原有的倍数进行放大。如输入为5V时，在放大倍数为250倍时，输出电压可达1.25V。在实际应用中，输出电压由于受到运放的电轨影响，它只能输出比运放电压少。例如运放运行电压为15V时，在比较好的运放中，输出电压可达14.8V。但OP07运放在效果上稍差，大概输出电压为13.8V。所以这种不受限制的放大只能在仿真软件的理想状况下出。4、心得体会 通过这次模电课程设计，我学到了很多东西。特别是对模电教学过程中学到的差模放大电路以及集成运放有了更深层的认识。对差放的各种参数有了更进一步的了解。其次，通过本次设计实验，让我懂得首先要对设计原理搞懂，才能在设计内

26、容方面游刃有如。我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共摸抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系，我掌握了测量放大器的性能测量方法。 本次课程设计中，我还进一步掌握了在网上和图书馆查阅各种相关资料的能力,例如各种元器件的选择,不了解的芯片参数等等都能很方便的查到。通过对这些相关资料的查阅,使我节省了不少时间,少走了不少弯路。其次，这次的课程设计过程中需要用到仿真软件，通过这次课程设计我也接触到了这些以前从未接触过的领域，开阔了我的视野。 在仿真过程中，由于对multisim这个软件运用得还不是很熟练，摸爬滚打了很久才得出相对而言比较满意的结果。所以说，平常还是得

27、多学学课外应用知识啊！另外，对各种实验数据也能做出评估正确与否，对实验结果进行预估，看得到的实验结果是否正确。当然，实验有时候并不是与实际结果相符合，很多时候得到的结果与理论值有很大的差距，这时就需要自己耐心地去找到错误的地方来修改，找出原因，从理论上进行分析，过程虽然很累很繁琐，但是收获却很大的。除了对课本知识的有效应用外，也学会了与同学之间的相互交流，相互合作，遇到不懂的地方向同学请教或者上网查资料，使自己知识的薄弱面得到了加强，丰富了自己的知识面，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。总的来说，课程设计是一门与专业紧密结合的课程，让我学到了很多专业知识，同时在一定程度上提高了我的专业技能，

28、还教给我许多的道理。通过课程设计，我不仅学到了知识，而且从中学到了解决问题的方法，这也是一个锻炼自己的机会。附件一 原理图附件二 元件清单元件代号元件名称元件参数元件数量T变压器220V18V1个CW1稳压器78151个CW2稳压器79151个D整流二极管1N40074个A运算放大器OP076个RL电位器500K2个RL电位器100K1个RL电位器20K4个RL电位器10K1个 附件三 参考文献 1.模拟电子技术基础，吴友宇 主编，清华大学出版社，2009 2.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，梁宗善 主编，华中科技大学出版社 3.电子线路设计实验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社 4.实用单元电路及其应用，黄继昌、张海贵，人民邮电出版社 5.模拟电子电路基础， 王卫东、江晓安， 西安电子科技大学出版社，20036. 第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编(1999), 全国电子设计竞赛组委会主编，北京理工大学出版社专业综合课程设计成绩评定表姓 名杨乾友性 别男专业、班级通信1004学 号02题 目：测量放大器的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