測(cè)量放大器---模電課程設(shè)計(jì)課件

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 戴明威 專業(yè)班級(jí)： 通信0805 指導(dǎo)教師： 和封面一致 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 測(cè)量放大器 初始條件：三端固定穩(wěn)壓器CW7812, 25W電源變壓器，若干電容電阻及二極管 額定電流為2A的整流橋OP07的運(yùn)算放大器要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1、設(shè)計(jì)一測(cè)量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。 差模電壓放大倍數(shù)Ad=100-5000。 最大輸出電壓為10v，非線性誤差小于5%。 在滿足基本要求中對(duì)輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為0-1000Hz。

2、時(shí)間安排：第19周理論講解，時(shí)間：禮拜一5，6，7、8節(jié) 地點(diǎn)：鑒三204第20周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室（1） 指導(dǎo)教師簽名： 20010年 1月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1、 摘要.42、 測(cè)量放大器的設(shè)計(jì).53、 直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì).94、 信號(hào)變換放大器設(shè)計(jì).125、 電路仿真測(cè)試.136、 主要電路參數(shù)計(jì)算.167、 心得體會(huì).178、 元件清單.199、 參考文獻(xiàn).20摘要放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對(duì)于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號(hào)檢測(cè)中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采

3、用的有測(cè)量放大器和隔離放大器。測(cè)量放大器又稱為 數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應(yīng)變電橋.流量計(jì)，生物電測(cè)量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號(hào)的檢測(cè)。 測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中，常需要對(duì)遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于信號(hào)遠(yuǎn)離運(yùn)放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長(zhǎng)線干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動(dòng)輸人方式。對(duì)測(cè)量電路的基本要求是：高輸人阻抗, 高共模抑制比, 高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍。本次設(shè)計(jì)通過(guò)采用儀用放大器的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一測(cè)量放

4、大器及其所用的穩(wěn)壓電源,并滿足其高輸入阻抗和高共模抑制比及高通頻帶的要求.。測(cè)量放大器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)微信號(hào)的測(cè)量，主要通過(guò)運(yùn)用集成運(yùn)放組成測(cè)量放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大，要求有較高的共模抑制能力及較高的輸入電阻，減少測(cè)量的誤差及對(duì)被測(cè)電路的影響，并要求放大器的放大倍數(shù)可調(diào)已實(shí)現(xiàn)對(duì)比較大的范圍的被測(cè)信號(hào)的測(cè)量。測(cè)量放大器前級(jí)主要用差分輸入，經(jīng)過(guò)雙端信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)比例放大進(jìn)行放大任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測(cè)量放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。參見(jiàn)圖1。輸入信號(hào)VI取自橋式測(cè)量電路的輸出。當(dāng)R1R2R3R4時(shí)，VI0。R2改變時(shí)，產(chǎn)生VI 0的電壓信號(hào)。測(cè)量電路與放大器之間有1米長(zhǎng)的連接線。1.測(cè)量放

5、大器的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)一測(cè)量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。 差模電壓放大倍數(shù)Ad=100-5000。 最大輸出電壓為10v，非線性誤差小于5%。 在Av=500時(shí)，輸出噪聲電壓的峰-峰值小于 1V。在滿足基本要求中對(duì)輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為0-1000Hz。1.2設(shè)計(jì)原理原理概述 放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對(duì)于學(xué)習(xí)和應(yīng)用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號(hào)檢測(cè)中的放大電路有很多種類型，實(shí)際系統(tǒng)中常采用的有測(cè)量放大器和隔離放大器。 測(cè)量放大器又稱為 數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應(yīng)變電橋.流量計(jì)，生物電測(cè)量以及其他有較大共模干擾

6、的支流緩變微弱信號(hào)的檢測(cè)。 測(cè)量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。差分放大器和測(cè)量放大器所采用的基礎(chǔ)部件（運(yùn)算放大器）基本相同，它們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和測(cè)量放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比（）。它們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量放大器的第一級(jí)只對(duì)差摸信號(hào)有一定的放大作用，而對(duì)共模信號(hào)幾乎沒(méi)有抑制作用，對(duì)共模信號(hào)幾乎沒(méi)有抑制作用主要由第二級(jí)電路來(lái)完成,而且放大器的共摸抑制比約為第一級(jí)電路的差

7、摸電壓增和第二級(jí)電路的共摸抑制比的乘積。在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中，常需要對(duì)遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于信號(hào)遠(yuǎn)離運(yùn)放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長(zhǎng)線干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引人的誤差。為了抑制干擾，運(yùn)放通常采用差動(dòng)輸人方式。對(duì)測(cè)量電路的基本要求是：高輸人阻抗，以抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引人的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引人的誤差。高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)信號(hào)源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運(yùn)放組合的電路來(lái)滿足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，同相并聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，高共模抑制測(cè)量放大器 用分離元件構(gòu)建測(cè)量放大器需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，

8、而采用集成運(yùn)放放大器或差分放大器則是一種簡(jiǎn)便而又可行的替換方案。用集成運(yùn)算放大器放大信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn):（1） 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，組裝調(diào)試方便，只需適當(dāng)配外接元件，便可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的各種放大關(guān)系.（2） 由于運(yùn)放得開(kāi)環(huán)增益都很高，用其構(gòu)成的防大電路一般工作的深度負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)，則性能穩(wěn)定，非線性失真小。（3） 運(yùn)放的輸入阻抗高，失調(diào)和漂移都很小，故很適合于各種微弱信號(hào)的放大。又因其具有很高的共模抑制比，對(duì)溫度的變化，電源的波動(dòng)以及其他外界干擾獨(dú)有很強(qiáng)的抑制能力。運(yùn)算放大器組成的放大電路，按電路的性質(zhì)可分為反相放大器，同相放大器和差分放大器三種。按輸入信號(hào)性質(zhì)又可分為直流放大器和交流放大器兩類。 差分

9、放大器分為（1）單端輸入、單端輸出（2）雙端輸入、單端輸出（3）單端輸入、雙端輸出三種，而雙端輸入、單端輸出型差動(dòng)放大器常用于多級(jí)差分放大電路的中間極或末極。13設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方案論證與比較方案一低噪聲前置放大電路設(shè)計(jì)本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，放大倍數(shù)可調(diào)；但是共模抑制比較小，實(shí)測(cè)只有104，共模抑制能力太差。方案2同相并聯(lián)式高阻抗測(cè)量放大器電路具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移互相補(bǔ)償、雙端變單端以及輸出不包括共模信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。線路前級(jí)為同相差動(dòng)放大結(jié)構(gòu)，要求兩運(yùn)放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模、共模輸人電阻大的特點(diǎn)外，兩運(yùn)放的共模增益、失調(diào)及其漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消，因而不需精密匹

10、配電阻。后級(jí)的作用是抑制共模信號(hào)，并將雙端輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閱味朔糯筝敵?，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要，后級(jí)的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級(jí)取高值，后級(jí)取低值。該測(cè)量放大器由運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成第一級(jí)差分放大電路，運(yùn)放U3組成第二級(jí)差分放大電路，對(duì)測(cè)量電路的基本要求是：高輸入阻抗，以抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引入的誤差。高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引入的誤差。高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)信號(hào)源電平的寬范圍。以上這些要求通常采用多運(yùn)放組合的電路來(lái)滿足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯(lián)式高阻測(cè)量放大器，同相并聯(lián)式高阻測(cè)量放大器。抑制共模信號(hào)傳遞的最簡(jiǎn)單方法是在基本的同相并聯(lián)電路之后

11、，再接一級(jí)差動(dòng)運(yùn)算放大器，它不僅能割斷共模信號(hào)的傳遞，還將雙端變單端，適應(yīng)接地負(fù)載的需要，電路如圖二所示。它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償，以及輸出不包含共模信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，其代價(jià)是所用組件數(shù)目較多，共模抑制能力略有下降。其中Ac12和CMRR12為A1和A2組成的前置級(jí)的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級(jí)的共模抑制比。方案二比方案一的抑制共模能力強(qiáng)，故采取方案二.方案二電路的理想閉環(huán)增益和共模抑制比分別為 Ac=R3/R2(1+2R1/Rw) CMRR=(Ac12*CMRR3*CMRR12)/( Ac12*CMRR3+ CMRR12)若 CMRR12Ac12*CM

12、RR3則有 CMRR=AC12*CMRR3其中Ac12和CMRR12為A1和A2組成的前置級(jí)的理想閉環(huán)增益和共模抑制比，CMRR2為A3組成的輸出級(jí)的共模抑制比。Op07作為常用的運(yùn)放主要有以下特點(diǎn)：1. 低的輸入噪聲電壓幅度-0.35uvp-p（0.1hz-10hz）2.極低的輸入失調(diào)電壓-10uv 3.極低的輸入失調(diào)電壓溫漂-0.2uf/c 4.具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性-0.2uv/mo 5.低的輸入偏置電流-+1na 6.高的共模抑制比-126db 7.寬的共模輸入電壓范圍-+-14v 8.寬的電源電壓范圍-+-3v+-22v 9.可替代725，108A，741，AD510等電路2直流穩(wěn)壓源的設(shè)

13、計(jì)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)并制作上述放大器所用的直流穩(wěn)壓電源。由單相220V交流電壓供電。交流電壓變化范圍為1015。2.2電路設(shè)計(jì)及原理2.2.1選擇集成穩(wěn)壓器選三端固定穩(wěn)壓器CW7812,其性能參數(shù)為：Iomax=1.5A,最小輸入輸出壓差(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大輸入電壓8-40V，均能滿足性能要求。2.2.2選電源變壓器電源變壓器T的作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為P2/ P1=，式中是變壓器的效率。通常根據(jù)變壓器副邊輸出的功率P2來(lái)選購(gòu)(或自繞)變壓器。副邊功率 P2 (W)Iomax=1.5A變壓

14、器效率為0.7,則其功率P2U2*I2=22.5W為留有余地，故選擇功率25W的變壓器。2.2.3選整流二極管及濾波電容選整流二極管可以選1N4002，其極限參數(shù)Urm50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均滿足要求濾波電容為C=IomaxT/2Ui=1500uF,它的耐壓應(yīng)大于21V,因而可取2200uF/25V的電容。2.2.4選穩(wěn)壓器由于要輸出正負(fù)12電壓，于是采用的是7815和7915三端集成穩(wěn)壓器，其中78系列輸出的為正電壓，79系列輸出的為負(fù)電壓，如圖，78系列和79系列的接法如下：穩(wěn)壓芯片7812主要參數(shù)：輸出電流1A輸出電壓15v1-地，GND2-輸入3-輸出3、信

15、號(hào)變換放大器設(shè)計(jì)3) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)變換放大器，參見(jiàn)圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，用作測(cè)量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號(hào)。 設(shè)計(jì)要求將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號(hào)不失真的轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，用作測(cè)量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號(hào)。為了使信號(hào)不失真，就需保證電路的對(duì)稱性。 設(shè)計(jì)采用單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)放大級(jí)進(jìn)行信號(hào)的變換電路中使用OP07運(yùn)算放大器，同相放大器結(jié)成射級(jí)跟隨器，前端輸入進(jìn)行分壓，從而使Vo+=1/2Vin，反相放大器的Av=-R6/R2=-0.5,使得Vo-=-0.5Vin，從而實(shí)現(xiàn)不失真變換。同相放大器接成射隨器，前端輸入進(jìn)行

16、分壓，從而使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，從而實(shí)現(xiàn)不失真變換。此電路從同相端入，因此輸入阻抗高，滿足題目提出的要求。4.放大器性能測(cè)試放大器性能測(cè)試：首先調(diào)零，將輸入端短接，即將輸入信號(hào)置零，調(diào)節(jié)各個(gè)電位器的調(diào)零電阻，直至輸入電壓為零，完成調(diào)零操作，然后將電橋加電壓，用萬(wàn)用表測(cè)電橋的輸出電壓，手動(dòng)調(diào)節(jié)可變電位器，直至電橋的輸出電壓為5mv，然后用1米長(zhǎng)的導(dǎo)線將電橋與放大器連接，用示波器觀察測(cè)量放大器的輸出波形。對(duì)于測(cè)量放大器放大倍數(shù)的測(cè)量，設(shè)置放大倍數(shù)然后用萬(wàn)用表測(cè)電橋的輸出電壓及測(cè)量放大器放大后的輸

17、出電壓，求出實(shí)際電壓放大倍數(shù)，然后與設(shè)置的電壓放大倍數(shù)比較。測(cè)量放大器的頻率響應(yīng)測(cè)試：首先對(duì)信號(hào)變換電路進(jìn)行調(diào)零，同樣是將輸入短接，即輸入端直接接地，然后調(diào)節(jié)用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)源，然后將輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)變換電路將單端輸出轉(zhuǎn)變成雙端輸出，再將信號(hào)變換器的輸出信號(hào)接到測(cè)量放大器的輸入端合理設(shè)置輸出電壓及測(cè)量放大器的放大倍數(shù)，然后用交流毫伏表測(cè)量放大器和信號(hào)變換電路的輸出電壓，并改變函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，得到不同頻率下的放大倍數(shù)。仿真圖信號(hào)變換放大器波形穩(wěn)壓源波形5.主要電路參數(shù)計(jì)算5.1前端放大電路第一級(jí)差模放大倍數(shù)Av1計(jì)算如下：Vi(+)=VA=VC,Vi(-)=VB=VD(VC-V

18、D)/R10=(V01-Vi(+)/R1=(Vi(-)-V02)解得V02-V01=（1+2R1/R10)(VC-VD) =(1+200/22)(VC-VD) =(1+200/22)(Vi(+)-Vi(-)即差模增益Av1=10第一級(jí)差模放大倍數(shù)Av2計(jì)算如下：V0=(39/49)V02-V0139/10+(39/49)V02=(39/49)(V02-V01)此級(jí)放大倍數(shù)Av2=3.9所以前端放大倍數(shù)Av=Av1Av2=103.9=395.2通頻帶的計(jì)算壓擺率是指在額定的滿幅度輸出條件下，運(yùn)放輸出電壓的最大變化幅度，以 Sr 表示，即dV0/dt=awcoswt,Sr=dV0/dt max=a

19、w題目要求輸出電壓為 10V，通頻帶 0100Hz，則壓擺率至少要達(dá)到 Sr=101002=6.2810-3V/S,使用的 OP07 的壓擺率為Sr=0.17106V/s，理論運(yùn)放的通頻帶為 f=Sr/2a=0.17106/10/2=2.7103Hz由于加了低通濾波，通頻帶為 f=1/(2RC)=1/(22000.00210-3)398Hz 所以系統(tǒng)的理論通頻帶為0398Hz6.心得體會(huì)通過(guò)本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我懂得首先要對(duì)設(shè)計(jì)原理搞懂，才能在設(shè)計(jì)內(nèi)容方面游刃有如。我也從中加深了對(duì)差分放大器的各項(xiàng)指標(biāo)的理解與應(yīng)用，例如它的共摸抑制比，輸入輸出阻抗的大小，通頻帶與增益之間的關(guān)系，我掌握了測(cè)量放大器的

20、性能測(cè)量方法。 課程設(shè)計(jì)時(shí)間定在我們考試期間，所以任務(wù)還是相當(dāng)重的。一方面要準(zhǔn)備考試，一方面要準(zhǔn)備課程設(shè)計(jì)，每天都在忙碌著，也鍛煉了我們合理利用時(shí)間的能力。在這次的課程設(shè)計(jì)中我遇到了不少的問(wèn)題。我的課程設(shè)計(jì)獨(dú)立的直流穩(wěn)壓源，好在我們?cè)?jīng)做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可是由于我們做的是78系列的電路，我所需要的還有79系列的，對(duì)于各個(gè)引腳的功能和解法總是和78系列弄混淆，最后通過(guò)查閱資料才弄明白，雖然這是一些很基礎(chǔ)的問(wèn)題，可是我們還是要認(rèn)真的對(duì)待?？赡苁怯捎谠O(shè)備的原因，導(dǎo)致最后的結(jié)果調(diào)試不出來(lái)，但是我不曾灰心，結(jié)果不是最重要的，最終的是我在這次課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多。在仿真設(shè)計(jì)中，有的電路圖沒(méi)有仿真出來(lái)，這一方面是由于時(shí)間比較緊，另一方面是由于對(duì)軟件和電路不是很熟悉，也說(shuō)明電路的設(shè)計(jì)還有一些問(wèn)題。由于對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)，我深感“書(shū)到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的方向。正所謂“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，只有自己動(dòng)手做過(guò)了，才能更貼切更深刻的掌握所學(xué)的知識(shí)，