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1、测量放大器的设计与实现的毕业设计论文测量放大器的设计姓名院系专业年级学号2指导教师年月日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学校保存论文（设计）的印刷本
2、和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文（设计）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者（签名）：年月日毕业论文结题报告毕业论文成绩评定表学院：学号：注：总成绩=指导教师评定成绩（50%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成绩（30%），将总成绩由百分制转换为五级制，填入本表相应位置。目录1 摘要.2 测量放大器的设计.2.1 放大器.2.2 信号转换器.2.3 电源电路的设计.3主要参数的计算.3.1 放大器参数计算.3.2 电源参数计算.4 仿真分析.4.1 调试仪
3、器.4.2 电源的仿真测试.4.3 信号转换器的仿真测试.4.4 放大器的仿真测试.5 小结.元件清单.原理图.参考文献.本科毕业设计测量放大器的设计孙永杰（信息与电气工程学院，电气自动化专业，2009 级 3 班，20093615594）摘要：本设计主要由测量放大器、信号转换器、稳压电源三部分组成。测量放大器是源于运算放大器，专门精密差分的放大器，通过集成电路对微电信号放大，实现对微信号的测量，所以需要较高的输入电阻来减少测量的误差以及对被测电路的影响。并要求可调放大器的倍数以实现对较大范围信号的测量。测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，再经过放大器进行放大。信号变换
4、电路主要是是将一端信号输出转变成两端信号输出，主要采用的是经过改进的差分放大电路，在本设计中主要用以实现对测量放大电路频率的测试。稳压电源电路主要为测量放大器及信号变化器的运放供电。关键词：测量放大器、信号转换器、稳压电源Measuring Amplifier Design Sun yongjieCollege of Information and Electrical Engineering,electrical automation,2009 3 classes,20093615594Abstract:Primarily by the design of three parts measu
5、ring amplifiers,signal converters,power supply.Measuring amplifier is derived from theoperational amplifier,specifically precision differential amplifier integratedcircuit micro-electrical signal amplification,micro signal measurement,highinput resistance to reduce measurement error and the circuit
6、under test.Andrequire multiples of adjustable amplifier in order to achieve a larger range ofsignal measurements.Measurement of the differential input of thepre-amplifier stage with double-ended signal to a single-ended signalconversion,and then amplified through the amplifier.The signal convertingc
7、ircuit is one end of the signal output is converted into a signal output at bothends,is mainly used in the improved differential amplifier circuit,theamplifying circuit frequency measurement test is primarily used in this design.The power supply circuit for measuring amplifier and signal changes of
8、theop-amp power supply.Key words:Measuring amplifier,signal converters,power supply1本科毕业设计测量放大器的设计2.1 低噪声前置放大器方案一：直接采用高精度 op 放大器结成置悬电桥差动放大器。利用放大器实现双端输入信号到单端输出的转变，放大主要通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合获得。这个电路主要特点是设计简单，但其对结构工艺要求不高，输入阻抗低，失调电压和失调电流等参数也会因为放大器本身性能的限制无法达到实验要求，并且该方案无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，严重影响实验的准确性，虽然设计及操作简单
9、，但仍然放弃该方案。方案二：采用实验室常用放大器。第一级差分放大电路是由运放 A1、A2 按同相输入法组成。再将运放 A3 组成第二级差分放大电路。在第一级差分放大电路中，通过将 V1 加到 A1 输入端形成虚短，V1V2 加到 A2 形成虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，可以适当的变换电阻的阻值以可实放大倍数的改变，可以用一个可调节阻值的电位器代替 R1 来实现对放大倍数的控制。这个方案的优点是，电路设计简单，所需要的元器件较少，A1 和 A2两个放大器2本科毕业设计所形成的第一级差分放大电路为双端输出，共模放大倍数理论为 0，可以大大的提高共模抑制比，有效地抑制共模信号，并且 A1、A
10、2 的同相端输入信号 V1V1 形成虚短和虚断，可以得到流入放大器的电流为 0，所以输入电阻 Ri 为无穷大。设计需要两运放的性能完全相同,该方案除输入电阻无穷大的特点外，A1、A2 的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。由于本设计要求放大的倍数可以调节，但是调节后电位器的阻值无法准确获得，因而该方案不能满足实验要求，舍弃该方案。方案三：方案三是基于方案二上进行的优化改造，电路前级放大仍采用两运放相同输入法组成，采用双端输出双端输入，能有效地控制共模抑制比。第一级放大采用差分输入，减少了电路零漂的影响，能够有效地提高电路的共模抑制能力。然后再通过 A3 信号实现双端输入信号到单端输出的转
11、变。为了在节约成本同时提高电路的共模抑制能力，A3 仍采用 OP07。同时加入了凋零电路来提高其共模抑制能力以及精准度，用可3本科毕业设计变电阻 R7 与固定电阻 R6 串联后与 R5 进行匹配，保证了电路的对称性，从而减少温度漂移对实验的影响，然后再接一级比例放大，通过对电阻 R12 的的调节实现对整个电路的放大倍数的改变。经过实验仿真，基本符合要求。对于扩展部分，可以将用一个电阻网络替换电阻 R12，用单片机控制其阻值即可大道放大倍数的调节，经过理论研究分析，该方案基本可以满足步进为 1 的要求，将采用本电路。2.2 信号转换器设计要求将单端输入信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流
12、电压放大器频率特性的输入信号。一般采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。为了保证电路的精度，必须保证电路的对称性，所以仍采用高精度低漂移的 OP07 作为运放。将同相放大器接成射随器，把前端输入分压，使 Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的 AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得 Vo(-)=-(1/2)Vin，实现信号不失真转换。经过反复研究设计确定如下电路图，此电路从同相端入，满足输入高阻抗的要求。4本科毕业设计2.3 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，这里直接采用比较常用的稳压电源电路，既能简化电路，又能满足实验要求。主要
13、利用稳压芯片LM7915及LM7815产生所需要的15V的电压输出。运放需要双电源供电，所以采用双输出的变压器实现，18V 输出的变压器就能满足要求，电源各部分组成如图。5本科毕业设计2.3.1 降压部分降压部分主要由变压器组成，直接采用三抽头的变压器为双电源运放供电，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，变压器为 18V 的型号输出，功率大于 10W。2.3.2 整流部分整流部分主要由二极管组成的整流桥组成，利用二极管的单向导电性将四个二极管分为两组，与变压器副边极性分别导通，将变压器负极性端与负载电阻的下端相连，副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，以便负载上始
14、终有一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是波形平稳，电源利用率高。整流后电路电流电压波形如图。整流部分采用的是耐压值高于 45V 的成品整流堆。2.3.3 滤波电路整流后的直流输出电压不稳定，通常在整流电路后有滤波电路，减少整流后的单向脉动直流电压中脉动性，过滤掉整流后的波纹使其成为平滑的直流电。一般电路中电容滤波电路，滤波电容 C 直接并联在负载 RL 两端，形成电容滤波电路。利用电容储能的作用，使输出直流电脉动成分降低，电压波形更加平滑，输出直流电压的平均6本科毕业设计值增大。2.3.4 稳压电路稳压部分主要由稳压芯片组成。为了防止产生自激，在稳压芯片两端各加频率补偿的电容，这样输出的
15、直流基本就稳定了，足以满足实验设计的要求。稳压芯片通常选用输出为正 15V 的 LM7815 和输出是负 15v 的LM7915。为了滤除电路中可能存在的高频影响，尾端通常加上 470F 的电容。稳压芯片 LM7815 的主要参数：输出电流可以按照要求达到 1A输出晶体管 SOA 保护输出电压有：15V7815 极限值（Ta=25）VI-输入电压(VO=24V)40V(V0=518V)35V引脚1-输入 INPUT2-地GND3-输出 OUTPUT7915 系列为三端负稳压电路，有不同的固定输出电压，应用范围广。LM7815 和 LM7915 接法如下图：7本科毕业设计78,79 系列经典接法
16、3 设计原理及主要电路的参数计算3.1 前端放大电路集成运算放大器放大信号的优点:(1)电路设计、组装调试简单方便，适当的接入元件便可放大输入输出(2)由于放大电路一般处于深度负反馈闭环状态，满足高增益的开环运放，性能比较稳定，失真小。(3)运放有很高的共模抑制比，对外界的干扰有很强的抑制能力。运放输入阻抗高，几乎没有失调和漂移，很适合各种微弱信号的放大。第一级差模放大的电压放大倍数计算：运放 A1、A2 均满足虚短和虚断，流入A1、A2 的电流可视为零，所以VA=Vi1VB=Vi2VR10=Vi1-Vi28本科毕业设计VR10Vo1?Vo2?R10R8?R9?R10运算可以得出:Vo1?Vo
17、2?R8?R9?R10R8?R9VR10?(1?)(Vi1?Vi2)R10R10A3 运放构成求差电路满足关系式:VO3?R5(VO1?VO2)R3带入得Vo3?R5R5R8?R9?R10(Vo1?Vo2)?()(Vi1?Vi2)R3R3R10R12Vo3 R11A4 运放构建反向比例放大器,满足关系式:Vout?最后得到运算放大器倍数为：AV?R12R5R8?R9?R10()R11R3R10由以上结果可以得出通过调节 R12 的值就可以实现对测量放大器放大倍数的调节,放大器的前级只起到了抑制共模信号和提高输入电阻的作用，,放大任务主要由最后一级比例放大器来完成,考虑到这些因素，本设计前级放大
18、器放大倍数AV1?R5R8?R9?R10100k?100k?50k?100k?()?50 R3R1010k?50k?R12 R11 最后一级放大倍数AV2?电阻 R12 是一个 100k?的电位器，R11 阻值为 10k?的常用电阻，所以最后一级的最小增益可以小于 1，最高增益可调至 500 倍，基本上可以满足实验要求，但考虑到发挥部分的问题，在实际设计实验中将R12改为200k?或者更高阻值的电位器，就可以实现手调放大倍数 11000 倍的要求。3.3 电源参数的计算设计要求直流稳压电源为单相 220V 交流电压供电，交流电压变化范围为+10%9本科毕业设计-15，输出基本不变，能够继续正常
19、工作，计算滤波电容值时，特别注意整流二极管、LM7815、LM7915 最小压降。（二极管为 0.7V，LM7815及 LM7915 为 Ud）在交流电压输出15V 时，输出电流应该达到 500 mA 以上，在单向 220v 交流电运作下 0.01 s 内的电压变化为Umax=U2(1-15%)-Ud-15=3.38VC=Q/U=I.t/U=0.50.01/3.38=1478F实际实验设计中 C=2000F（在实物上直接焊接 4700F）就能够满足要求。4 仿真分析在设计好方案后，按照方案在仿真软件 MULTISIM中进行仿真，得到相关数据。4.1 电源的仿真测试对电源仿真测试结果数据如下：电
20、源仿真图表一电源仿真测试参数10本科毕业设计经过分析，虽然有误差，但仍在实验允许范围内，能够较好的为后续实验提供电源。4.2 信号转换器的仿真测试将电路中信号变换器单独拿出接上函数发生器，设定输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率 F=2Hz。用示波器观察两端输出的波形，记录并测量其大小。分别调整 R6、R7 的阻值直到输出端 1 与输出端 2 的输出电压值大小都为 1mV。仿真结果如图所示：信号变换电路仿真结果11本科毕业设计分析上图可知，设计的信号变换电路符合实验要求，能够较好的为下级电路将单端输出转变双端输出，为后续实验提供了较好的输入方式。4.3 前端放大电路的仿真测试仿真电路如下图，通
21、过改变电桥阻值进行不同参数的测量，可以选择放大倍数为 1、100、1000 和 11000 倍。前端放大电路测试仿真图用万用表分别测量测量放大器放大后的电压及电桥的输出电压。再根据表达式R12R5R8?R9?R10 AV?()当放大倍数为 11000 倍 R12 调至 50k时，放大倍数 R11R3R10Av=250。12本科毕业设计前端放大器仿真分析上图可以得到，当R19=5k时，Vi=5V，Vout=1.25kV，放大倍数：AV?Vout1.25kV?250Vin5V经实验仿真得出的结果与之前测量估算值一致，可以得到测量放大器电路的设计是满足要求的。4.3测量放大器的频率响应测试测量放大器
22、的频率响应的仿真电路图：13本科毕业设计测量放大器仿真电路图首先要调零信号变换电路，按设计进行接入端连接。调节函数信号发生器产生信号源，将输出信号由单端输出转变成双端输出，再将输出信号接到测量放大器的输入端，根据需要设置测量放大器的放大倍数及输出电压，然后再用交流毫伏表测量信号变换电路和测量放大器的输出电压，记下不同信号发生器输出频率下的放大倍数，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
23、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，得出测量放大器的频率响应。设置输出电压峰峰值 VP-P=1mV，频率 F=1Hz，用示波器观察输入输出端的波形，然后计算比较。把 R12 调至 50k，仿真结果如下图：14本科毕业设计电路仿真结果示波器两端分别接信号变换器和电路的输出端。测量放大电路的放大倍数。由公当 R12=50k时，Av=250。设计的仿真结果为 Av?VoutR12R5R8?R9 式AV?(1?)ViR11R3R10Vout510.527mV?249.41Vin2.047mV下表为频率响应记录：15本科毕业设计
24、频率响应记录表格用仿真软件软件的 AC Analysis 对电路进行响应测试，结果如图：由上表与图可以看出此测量放大电路的通频带展宽为 0100Hz 以上，能够完成实验要求。16本科毕业设计5 小结这一次的毕业设计确实让我学到了很多。刚开始一知半解的时候感觉这个课题和简单，直接打算上手就做，可是越发进行越是发现并不是想象中的那么简单，在老师的不懈讲解以及不断查阅资料后才对设计慢慢的有了更深的认知，才能将实验顺利完成。通过本次设计，让我深刻认识到搞懂设计原理是多么的重要，否则整个实验将无法进行下去，把理论与实际应用结合不是轻易就能完成的。设计开始时有很多没有使用过的芯片，还有不常用到的仿真软件以
25、及淡忘的模电知识都成了设计顺利进行的绊脚石，所以就不断的查阅以前的书籍，包括到图书阅览室还有网上不断丰富自己这些方面的知识，必须要详细的知道每个元件的用途及使用方法后进行电路组建，不断的更换元件直到达到最佳效果，还有差分放大器，一定要理解各项指标以及应用。在仿真调试过程中，不断从图书馆还有网上学习了 MULTISIM，Proteus 仿真软件的使用，为实验的仿真提供了平台，加深了以前模电中淡忘的知识点。整个设计过程中发现自己问题还是不少的，专业知识掌握的不算牢固，软件运用不熟练，初期的时候做不下去感觉老失落了，慢慢的沉下心来仔细分析才逐渐的将实验整体串接起来，慢慢的自己也有了动力，有了信心，所
26、以也感谢这次设计，让我对自身也有了认识，做什么事一定要沉稳的进行，不要急躁，从最基础的做起才能更好地将整体实现。另外，对理论与实践的认识更加深刻了，之前学习书本没有试做之前感觉很简单，但是自己设计的时候，通常达不到标准，不是元件选取不对，就是仿真数据不符，出现了不少问题，就要不断的审视自己设计，不断从中学习研究寻找最佳元件和方案，才能将实验逐渐的接近理论值，当然适当的误差是难免的。这个过程确实是挺艰辛的，但是一段时间下来，不仅自己的专业知识得到补充，自己的学习态度也有了好的转变，一开始的一筹莫展到最后有点欣慰，这个过程是难以忘怀的，自己在以后的学习工作中一定会牢记这段时间学到的，争取日后会逐渐
27、的走向优秀。总的来说，课程设计是与专业密切相关的，不仅从中学习到了不少专业知识，也学到了不少解决问题的办法，今后的工作学习中一定将这种过程延续。17本科毕业设计元件清单18本科毕业设计原理图电源电路低噪声前置放大器信号变换器电桥19本科毕业设计参考文献1.模拟电子技术基础教程，李祥臣、卢留生 编著，清华大学出版社、北京交通大学出版社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.电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社6.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20本科毕业设计21本科毕业设计22