測量放大器課程設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)附件1：學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目測量放大器學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)通信工程班 級姓 名指導(dǎo)教師2014年1月12日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院題 目: 測量放大器 初始條件：op07d集成穩(wěn)壓器5c電容2.2uf10r滑動(dòng)變阻器5.1k1r滑動(dòng)變阻器5101r滑動(dòng)變阻器1m1 cw7815集成穩(wěn)壓器芯片1cw7915集成穩(wěn)壓器芯片1整流橋1二極管2變壓器220v-18v1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，以及說明書撰寫等具體要求）一設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測量放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。參見圖1。輸入信號vi取自橋式測量電路的輸出。當(dāng)r1r2r3r4時(shí)，vi0。r2改變時(shí)，產(chǎn)生vi 0的電壓信號。測量電路與放大器之間有1米長的連接線。二、要求 1)測量放大器a. 差模電壓放大倍數(shù) avd1500，可手動(dòng)調(diào)節(jié)；b. 最大輸出電壓為 10v，非線性誤差 105 ；d. 在avd500時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1v；e. 通頻帶010hz ；f. 直流電壓放大器的差模輸入電阻2mw （可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）。 2)電源設(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。 3) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號變換放大器，參見圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。時(shí)間安排：1.2014年01月03日，查看課設(shè)要求，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)電路的工作原理2.2014年01月04日，選擇方案和電路設(shè)計(jì)。3.2014年01月05日，用仿真軟件仿真并去購選零件等材料。4.2014年01月06日，動(dòng)手做實(shí)物。5.2014年01月07日，調(diào)試電路并完成報(bào)告。62014年01月12日，課程設(shè)計(jì)答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1、摘要42、主要設(shè)計(jì)任務(wù)分析42.1、設(shè)計(jì)任務(wù)52.2、要求53、方案設(shè)計(jì)及論證63.1、測量放大器電路63.2、電源93.3、信號轉(zhuǎn)換放大器104、電路設(shè)計(jì)原理115、仿真分析135.1、電源的仿真測試135.2、信號轉(zhuǎn)換器的仿真測試145.3、放大電路的仿真測試156、元器件參數(shù)的選擇166.1選擇集成穩(wěn)壓器166.2選擇集成運(yùn)算放大器166.3選擇測量放大器所有電阻的選擇177、實(shí)物178、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題199、心得體會(huì)1910、元件清單2011、參考文獻(xiàn)201、摘要本設(shè)計(jì)主要由測量放大器、信號變換器、穩(wěn)壓電源三部分組成。測量放大器主要是實(shí)現(xiàn)對微信號的測量，主要通過運(yùn)用集成運(yùn)放組成測量放大電路實(shí)現(xiàn)對微弱電信號的放大，要求有較高的輸入電阻，從而減少測量的誤差及對被測電路的影響，并要求放大器的放大倍數(shù)可調(diào)以實(shí)現(xiàn)對比較大的范圍的被測信號的測量，因而測量放大器的前級主要采用差分輸入的方式，然后經(jīng)過雙端信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過比較放大器進(jìn)行放大。信號變換電路主要實(shí)現(xiàn)一段信號輸出到兩端輸出的轉(zhuǎn)變，主要采用的是經(jīng)過改進(jìn)的差分放大電路，信號變換在本設(shè)計(jì)中的用途主要是用于對測量放大電路的頻率相應(yīng)進(jìn)行測試。穩(wěn)壓電源電路主要用于為運(yùn)放供電，包括測量放大電路及信號中的運(yùn)放。2、主要設(shè)計(jì)任務(wù)分析2.1、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)測量放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源。參見圖1。輸入信號vi取自橋式測量電路的輸出。當(dāng)r1r2r3r4時(shí)，vi0。r2改變時(shí)，產(chǎn)生vi 0的電壓信號。測量電路與放大器之間有1米長的連接線。2.2、要求 1)測量放大器g. 差模電壓放大倍數(shù) avd1500，可手動(dòng)調(diào)節(jié)；h. 最大輸出電壓為 10v，非線性誤差 105 ；j. 在avd500時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰峰值小于1v；k. 通頻帶010hz ；l. 直流電壓放大器的差模輸入電阻2mw （可不測試，由電路設(shè)計(jì)予以保證）。 2)電源設(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。 3) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號變換放大器，參見圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。2.3、 發(fā)揮部分（1）提高差模電壓放大倍數(shù)至avd1000，同時(shí)減小輸出端噪聲電壓。（2）在滿足基本要求(1)中對輸出端噪聲電壓和共模抑制比要求的條件下，將通頻帶展寬為0100hz以上。（3）提高電路的共模抑制比。（4）差模電壓放大倍數(shù)avd可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍11000，步距為1，同時(shí)應(yīng)滿足基本要求(1)中對共模抑制比和噪聲電壓的要求。（5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。3、方案設(shè)計(jì)及論證3.1、測量放大器電路基本設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目高共模抑制比的設(shè)計(jì)要求，所尋求的最佳解決方案是輸入特性對稱的差動(dòng)放大電路，應(yīng)該是商品測量放大器，因此應(yīng)用集成運(yùn)算放大器和必要的其他元器件組成，參見圖三。圖三方案一直接采用高精度ua741運(yùn)算放大器結(jié)成懸置電橋差動(dòng)放大器：利用一個(gè)放大器將雙端輸入信號轉(zhuǎn)變成單端輸出，然后通過電阻與下一級反向比例放大器進(jìn)行耦合，放大主要通過后一級的比例放大器獲得，此電路的特點(diǎn)是簡單，實(shí)現(xiàn)起來對結(jié)構(gòu)工藝要求不高，但是其輸入阻抗低，共模抑制比、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等參數(shù)亦受到放大器本身性能限制不易進(jìn)一步提高，且無法抑制放大器本身的零漂及共模信號產(chǎn)生，雖然電路十分簡單，元器件較少，但仍將其舍棄。參見圖4。圖三圖三圖四方案二同相關(guān)聯(lián)式高阻測量放大器：線路前級為同相差動(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，共模輸入電阻大的特點(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，因而不需要精密匹配電阻。后級的作用是抑制共模信號，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，后級的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級取高值，后級取低值。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，易于定位和控制。只是調(diào)節(jié)增益必須手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器。所以采用本方案。參見圖5。圖五方案三在沒有更好地集成運(yùn)算放大器（包括增益可程控的集成運(yùn)算放大器）的條件下，實(shí)現(xiàn)測量放大器的最好方案就是應(yīng)用集成放大器中的精密集成運(yùn)算放大器。為了充分發(fā)揮的性能，要將的調(diào)零電路在測量放大器電路之內(nèi)，另外，由于在前級采用了差分放大電路，有效的抑制了零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，并且有效的共模抑制能力，參見圖六。圖六為了改善集成運(yùn)算放大器的電源阻抗，在每個(gè)集成運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源對地均接有用于旁路的的陶瓷貼片電容器：為了能達(dá)到倍的增益可調(diào)且是精確調(diào)節(jié)，增益調(diào)節(jié)電阻采用三只不同阻值的可調(diào)電阻串聯(lián)而成。3.2、電源如圖七圖七如圖所示的電路是采用和型號的集成穩(wěn)壓器芯片組成的具有同時(shí)輸出、電壓的穩(wěn)壓電路。該電路對稱性好，溫度特性也近似一致。電源輸出端接有二極管和。如果不接保護(hù)二極管，輸出電壓通過加到的輸出端，必將燒壞。在正常工作情況下，和均處于截止?fàn)顟B(tài)，不影響電路的工作。假如，輸入電壓未接入，此時(shí)的輸出電壓將通過外接負(fù)載接到的輸出端，使得正向?qū)?，將輸出端輸出電壓鉗位在，保證不致?lián)p壞。3.3、信號轉(zhuǎn)換放大器 信號轉(zhuǎn)換放大器實(shí)際上是將單端輸入信號轉(zhuǎn)換成差動(dòng)輸入信號，因此，最簡單的方法就是采用一個(gè)增益為一的反相放大器輸出與信號源輸出組合即可。考慮到信號源的輸出阻抗可能與反相放大器的輸出阻抗不一致，比較理想的方案是先用一個(gè)跟隨器，再接一個(gè)增益為一的反相放大器。最終將跟隨器輸出與反相放大器輸出組合得到所要求的雙端輸出信號。信號的轉(zhuǎn)換電路如圖八所示。 圖八為了獲得良好的對稱性，所有電阻選擇同一阻值的精度為1%的10k金屬膜電阻，由于各電阻之間的阻值容差遠(yuǎn)優(yōu)于精度，所以實(shí)際上可以獲得優(yōu)于0.5%的精度。4、電路設(shè)計(jì)原理直流穩(wěn)壓電源的工作原理很多電子設(shè)備、家用電器都需要直流電源供電，其中除了少量的低功耗、便攜式的儀器設(shè)備選用干電池供電外，絕大多數(shù)電子設(shè)備正常工作需要直流供電，而常用的電源市電是220v或380v的交流電，因此需要把交流電變換成直流電。變換的方法是由交流電網(wǎng)經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這幾個(gè)步驟來獲得直流電源的。變壓電路的作用是將220v的交流電轉(zhuǎn)換成電路所需要的低壓交流電，用普通的電源變壓器即可實(shí)現(xiàn)變壓的目的。整流電路的功能是將交流電轉(zhuǎn)換為具有直流電成分的脈動(dòng)直流電，實(shí)現(xiàn)整流的電路有半波整流電路或橋式全波整流電路。濾波電路是將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流電壓。具體的電路分析如圖九。圖九變壓部分主要由變壓器組成，由于要為雙電源運(yùn)放供電，因此要采用三抽頭的變壓器從而可以得到相位相反的兩個(gè)15v的交流源，輸入到下一級的整流橋；整流部分主要由四個(gè)二極管組成的整流橋組成，依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高；濾波部分的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動(dòng)直流電壓中的紋波濾除掉，使其變成平滑的直流電。在小功率電路中采用電容濾波電路，將濾波電容c直接并聯(lián)在負(fù)載rl兩端，就可組成電容濾波電路。由于電容的儲(chǔ)能作用，使得輸出直流電壓波形比較平滑，脈動(dòng)成分降低，輸出直流電壓的平均值增大；穩(wěn)壓部分主要由穩(wěn)壓芯片組成，在穩(wěn)壓芯片兩端各加一個(gè)用于頻率補(bǔ)償?shù)碾娙?，防止產(chǎn)生自激，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，輸出基本為穩(wěn)定的直流，尾端加上470f的電容主要是用于濾除電路中可能存在的高頻影響。直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)要求當(dāng)單相220v交流電壓供電時(shí)交流電壓變化范圍為+10%-15，仍能正常工作，計(jì)算濾波電容值時(shí)，應(yīng)考慮整流二極管、7815、7915最小壓降ud。5、仿真分析5.1、電源的仿真測試見圖十圖十電源部分參數(shù)分析理論值仿真值實(shí)際測量值誤差+15v+15.0v+15.532v+15.21v1.4%-15v-15.0v-15.516v-15.30v2.0%經(jīng)數(shù)據(jù)分析，電源的誤差在允許的范圍內(nèi)，故可以為后面的電路提供電源及測試需要。5.2、信號轉(zhuǎn)換器的仿真測試信號轉(zhuǎn)換放大器實(shí)際上是將單端輸入信號轉(zhuǎn)換成差動(dòng)輸入信號，因此，最簡單的方法就是采用一個(gè)增益為一的反相放大器輸出與信號源輸出組合即可?？紤]到信號源的輸出阻抗可能與反相放大器的輸出阻抗不一致，比較理想的方案是先用一個(gè)跟隨器，再接一個(gè)增益為一的反相放大器。最終將跟隨器輸出與反相放大器輸出組合得到所要求的雙端輸出信號。見圖十一。圖十一5.3、放大電路的仿真測試見圖十二輸入差模電壓設(shè)定放大倍數(shù)輸出差模電壓實(shí)際放大倍數(shù)放大倍數(shù)相對誤差0.002312000.461199.460.00270.32206.198419.930.00350.3451.69664.980.0040.541.9853.970.0071.61711.226.970.0041.6469.795.970.005圖十二6、元器件參數(shù)的選擇6.1選擇集成穩(wěn)壓器選三端固定穩(wěn)壓器lm7815和lm7915,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。參見圖十三圖十三6.2選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器選用op07，但是不同生產(chǎn)廠商的op07的具體參數(shù)略有不同，如maxim的op07就比ti的op07性能好一些。6.3選擇測量放大器所有電阻的選擇測量放大器中差動(dòng)放大器的輸出電阻、反饋電阻和匹配電阻均應(yīng)選擇0.1%精度，如果選擇1%至5%精度的電阻，其共模抑制比將被大大衰減。信號轉(zhuǎn)換電路選用電阻的精度為1%，在設(shè)置匹配電阻時(shí)，通過精選，選擇出阻值容差接近0.2%的電阻，目的就是要盡可能的額確保信號轉(zhuǎn)換的對稱性，盡可能的減少共模噪聲的混入。穩(wěn)壓電源電路選用電阻的精度為1%，采用多只輔助電阻調(diào)節(jié)正負(fù)輸出電壓的精度與容差。7、實(shí)物圖十四圖十五圖十六圖十七8、實(shí)驗(yàn)中遇到的問題在實(shí)驗(yàn)中，剛開始查找資料的時(shí)候，由于資料的種類繁多，而對于我們大學(xué)生在實(shí)際的電路中給予指導(dǎo)和幫助的卻難以發(fā)現(xiàn)，所以在資料的選擇上有一些困難，但是經(jīng)過老師所給的參考文獻(xiàn)，讓我在選擇資料的時(shí)候，有了一些方向。經(jīng)過電路的分析設(shè)計(jì)初步確定了實(shí)驗(yàn)的方案，然后又在仿真軟件中進(jìn)行模擬測試，但是由于在設(shè)計(jì)中所欠缺的電路和模電知識(shí)，一些器件的參數(shù)確定還是難以確定。所以調(diào)試參數(shù)又有一些問題，而在真正買元件的時(shí)候，經(jīng)過老板的詢問，知道有一些元件他們并沒有，所以又經(jīng)過了改元件參數(shù)的過程。在真正做實(shí)物的的時(shí)候由于自己電路設(shè)計(jì)時(shí)沒有很細(xì)心，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的實(shí)物連線存在著不簡潔的問題。9、心得體會(huì) 這是我第一次做課程設(shè)計(jì)，聽到的時(shí)候很怕自己做不好，但是沒有第一次的嘗試就不會(huì)有能力的提升。首先是電路的設(shè)計(jì)，經(jīng)過在圖書館里查找資料，我終于在幾本參考的文獻(xiàn)的對比中了解到了基本的設(shè)計(jì)原理和相應(yīng)的模電知識(shí)，所以在了解后，就開始設(shè)計(jì)電路，在電路中要確定元件參數(shù)的選擇，就需要對電路進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果是理論值，在仿真軟件中進(jìn)行仿真時(shí)，又會(huì)存在著誤差，還需要進(jìn)行調(diào)試，但是使用仿真軟件的并不多，所以在剛開始的