2013年北京工商大學(xué)電子競賽設(shè)計(jì)方案

11/112013年北京工商大學(xué)電子競賽(B題）設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告低頻信號(hào)放大器摘要：本設(shè)計(jì)從基本多級(jí)放大電路與運(yùn)算放大器運(yùn)算電路方案入手，仔細(xì)研究相關(guān)知識(shí)，詳細(xì)討論了所有影響因素與相應(yīng)的解決方法,最終給出了較為合理的設(shè)計(jì)方案。該方案采用通用型集成運(yùn)算放大器和必要的其他元器件(包括電阻，電容，穩(wěn)壓管等等),利用反相比例運(yùn)算放大電路多級(jí)放大，最終實(shí)現(xiàn)電壓放大倍數(shù)在要求范圍之內(nèi)可調(diào)，并且使用濾波器原理限定通頻帶,同時(shí)，盡可能的減小噪聲電壓等非線性誤差造成的影響，保證了低頻信號(hào)按照要求得以放大.整體電路簡單明了,調(diào)節(jié)簡便，界面直觀,具有良好的簡單實(shí)現(xiàn)放大低頻信號(hào)的性能。關(guān)鍵字:反相比例運(yùn)算放大電路,濾波器目錄系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較及論證…………3采用多極三極管放大電路……………3采用一階同相比例運(yùn)算放大器………3采用兩級(jí)比例運(yùn)算放大器……………４采用低通濾波器與同相比例運(yùn)放放大器兩級(jí)耦合方式………….．４理論分析與公式計(jì)算…………………。4反相比例運(yùn)算電路……………………．4同相比例運(yùn)算電路……………………．4有源低通濾波器電路…………………。5放大倍數(shù)計(jì)算…………．5電路設(shè)計(jì)………………。5濾波器電路…………….5同相比例運(yùn)算電路……………………。6限壓電路……………….。6綜合電路圖……………。。7測試方案及測試效果…………………。。8測試所用儀器…………..。8測試方案及測試數(shù)據(jù)及測量條件……。。８測試方案…………………8測試條件…………………8測試數(shù)據(jù)…………………9測試總結(jié)………………。．10測試結(jié)果總結(jié)……………………．.。10測試結(jié)果分析……………………。.。10實(shí)驗(yàn)感悟反思總結(jié)………………。。１０附圖與附表………………………1１系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，比較及論證根據(jù)題目要求,提出了三種方案：采用多級(jí)三極管放大電路：利用阻容耦合多級(jí)放大器，采用兩級(jí)放大電路，保證及預(yù)計(jì)之間靜態(tài)工作點(diǎn)完全獨(dú)立，通過調(diào)節(jié)輸出端負(fù)載，達(dá)到控制低頻信號(hào)放大的目標(biāo)。但是由于為解決零點(diǎn)漂移的情況，采用了阻容耦合電路，導(dǎo)致耗費(fèi)材料較多，并且為了確定靜態(tài)工作點(diǎn)，設(shè)置的滑動(dòng)變阻器較多,不方便使用者直觀地了解操作方法，而且僅僅能夠簡單的達(dá)到放大要求,卻不能減小誤差并設(shè)置通頻帶截止頻率。電路如圖所示：采用一階同相比例運(yùn)算放大電路利用該電路，能夠利用U０=（1＋Rf/R１)*Ｕi的公式，采用一階放大電路,將Ｒｆ設(shè)置為滑動(dòng)變阻器,通過調(diào)節(jié)Rｆ使輸入電壓放大1～200倍.該方案簡單有效，但是不能實(shí)現(xiàn)通頻帶的限定作用，而且由于運(yùn)算放大器本身的熱噪聲問題，所以在放大倍數(shù)達(dá)到20０時(shí)無法使輸出端噪聲電壓峰-峰值小于目標(biāo)值。電路如圖所示：采用兩級(jí)比例運(yùn)算放大電路，在輸出端串聯(lián)一個(gè)低通濾波器。理想狀態(tài)下，前兩級(jí)放大了目標(biāo)倍數(shù)之后，在低通濾波器處設(shè)置放大倍數(shù)為1，則可以達(dá)到放大的效果與限定通頻帶的目標(biāo)。但是，由于實(shí)際連線時(shí),經(jīng)過調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)低通濾波器作為整體電路的第三級(jí)運(yùn)算放大器，無論反饋電路中負(fù)載如何調(diào)節(jié)，依然存在著一定的電壓放大倍數(shù)，最終會(huì)影響整體的低頻信號(hào)放大。而且,電路較為復(fù)雜，操作不易。采用低通濾波器與同相比例運(yùn)算放大器兩級(jí)耦合的方式，通過調(diào)節(jié)第二級(jí)運(yùn)算放大器的反饋電阻Rf（滑動(dòng)變阻器)的值，保證電壓放大倍數(shù)在1～2０0之間，同時(shí)利用低通濾波器限定通頻帶在0～100Hz之間，還能有效地減小輸出端噪聲電壓帶來的影響，最后,在輸出端串并聯(lián)穩(wěn)壓管限定輸出電壓范圍。電路圖如圖1所示。比較以上三種方案,綜合考慮電路的穩(wěn)定性,可操作性，達(dá)到目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，以及價(jià)格等等因素，小組成員一致決定采用方案四設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)放大器電路。理論分析與公式計(jì)算反相比例運(yùn)算電路:U0=-（Ｒf/R1)＊Ui其中，Rf為反饋電阻R1為運(yùn)算放大器“+”級(jí)連接的負(fù)載U０為所得的輸出電壓值Uｉ為輸入端電壓值。同相比例運(yùn)算電路:Ｕ０=（1+Ｒf/R1)*Ui其中,Ｒf為反饋電阻R1為運(yùn)算放大器“＋"級(jí)連接的負(fù)載U0為所得的輸出電壓值Ｕｉ為輸入端電壓值有源低通濾波器電路：Au=(１+Rf／R1）*1/（1+j＊f/f0）f0=1/(2*pi＊R*C）通帶放大倍數(shù)：Ａuｐ＝1+Rｆ/R1當(dāng)ｆ=f0時(shí)，Au＝1.４1４*Auｐ，通帶截止頻率fp=f0放大倍數(shù)計(jì)算:Aｕ=Au1＊Au２即：第一級(jí)放大倍數(shù)與第二級(jí)放大倍數(shù)相乘電路設(shè)計(jì):濾波器電路:利用信號(hào)源作為低頻信號(hào)發(fā)生器與提供電壓的電壓源，首先輸出濾波器電路,達(dá)到三個(gè)目的:實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)為10實(shí)現(xiàn)通頻帶為0～1０0Hz減小噪聲電壓的峰-峰值同相比例運(yùn)算電路使用同相比例運(yùn)算放大電路作為第二級(jí)放大電路，在反饋部分使用滑動(dòng)變阻器作為負(fù)載之一,綜合達(dá)到以下目標(biāo):最大電壓放大倍數(shù)為２0倍使用滑動(dòng)變阻器使電壓放大倍數(shù)可調(diào)注：如果要使發(fā)揮部分中綜合放大倍數(shù)是500倍，則令上圖中滑動(dòng)變阻器最大阻值是50K歐即可。限壓電路:利用穩(wěn)壓管的性質(zhì)，通過使用穩(wěn)壓管,達(dá)到輸出電壓在＋(-)8V之間的要求。綜合電路圖：放大200倍電路發(fā)揮部分放大500倍電路圖1測試方案及測試效果：測試所用儀器1．）雙蹤示波器(SS7８０2A型）2．）交流毫伏表(HG2170型）3。）信號(hào)發(fā)生器（GAG-8０９型）4。)數(shù)字萬用表(UT５0型）５。)集成運(yùn)放放大器實(shí)驗(yàn)板6.）模擬試驗(yàn)箱測試方案及測試數(shù)據(jù)及測試條件1.）測試方案*測試電壓放大：通過控制輸入信號(hào)頻率與輸入電壓值為定值時(shí),分別調(diào)節(jié)兩個(gè)反饋電阻阻值（即上述綜合電路圖中的R7、R6),觀察波形與輸出電壓大?。獪y試通頻帶:通過控制輸入電壓值為定值兩個(gè)反饋電阻阻值（即上述綜合電路圖中的R7、R6)均為定值時(shí)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率，觀察波形與輸出電壓大小２．）測試條件*測試電壓放大倍數(shù)（1）第二級(jí)反饋電阻滑動(dòng)變阻器最大阻值為20K歐(2）輸入電壓為1０MV（３）輸入信號(hào)頻率為5０Hz*測試通頻帶：（1)第二級(jí)反饋電阻滑動(dòng)變阻器最大阻值為20Ｋ歐（2)輸入電壓為１0ＭV(3)使兩個(gè)反饋電阻阻值為最大值（10０％）注:＊如果設(shè)置綜合輸出放大倍數(shù)為２００倍，則令第二級(jí)反饋電阻滑動(dòng)變阻器最大阻值為２0K歐。＊如果設(shè)置綜合輸出放大倍數(shù)為500倍，則令第二級(jí)反饋電阻滑動(dòng)變阻器最大阻值為50Ｋ歐3.）測試數(shù)據(jù)：(1）20０倍放大原始波形圖見附圖１(由于幅值很小，故波形不明顯）測試數(shù)據(jù)見附表1波形見附圖2(2）50０倍放大原始波形圖見附圖１（由于幅值很小，故波形不明顯）測試數(shù)據(jù)見附表2波形見附圖3(３）通頻帶測試:測試數(shù)據(jù)見附表3測試波形見附圖4注：操作說明：在所焊接的實(shí)驗(yàn)板上，如果要使放大倍數(shù)為1~２0０倍,則連接20千歐滑動(dòng)變阻器，如果要使凡達(dá)倍數(shù)為1～５00倍,則連接50千歐的滑動(dòng)變阻器至電路當(dāng)中.(由于實(shí)驗(yàn)器材中提供單刀雙擲開關(guān),所以只能手工連接）。或者，可以直接連接50千歐電阻,如果要使放大倍數(shù)為20０倍,則上述電阻滑片調(diào)節(jié)至約４0％處即可，若果要使放大倍數(shù)為５０0倍,則上述電阻滑片調(diào)節(jié)至100%處即可。測試總結(jié)(1)測試結(jié)果總結(jié):通過調(diào)節(jié)電路上的兩個(gè)反饋可變電阻，可以實(shí)現(xiàn)電壓放大倍數(shù)在１～200倍或1~50０倍的目標(biāo)。在第二級(jí)反饋電阻最大值為20千歐的時(shí)候,＊若第一級(jí)調(diào)節(jié)為總阻值的0%，第二級(jí)為總阻值的1％的時(shí)候，放大倍數(shù)約為1；*若第一級(jí)調(diào)節(jié)為總阻值的１０0%，第二級(jí)為總阻值的10０％的時(shí)候,放大倍數(shù)約為200.在第二級(jí)反饋電阻最大值為50千歐的時(shí)候,*若第一級(jí)調(diào)節(jié)為總阻值的0％,第二級(jí)為總阻值的1%的時(shí)候，放大倍數(shù)約為1;＊若第一級(jí)調(diào)節(jié)為總阻值的１00%,第二級(jí)為總阻值的１0０％的時(shí)候，放大倍數(shù)約為5０0；＊若第一級(jí)調(diào)節(jié)為總阻值的１０0％，第二級(jí)約為總阻值的38%的時(shí)候，放大倍數(shù)約為200。（2）測試結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)出１~200或1～500的電壓放大倍數(shù),但是依然存在著誤差.關(guān)于通頻帶的測試中,發(fā)現(xiàn)一階低通濾波器的幅值衰減依然不夠明顯,由于時(shí)間關(guān)系，未能更好的調(diào)節(jié)使用二階低通濾波器實(shí)現(xiàn)通頻帶的設(shè)置，所以，本設(shè)計(jì)中依然存在著可供改善的地方.盡管如此，依然能夠較為準(zhǔn)確的保證通頻帶在０~100Hz之間，并且減小噪聲電壓的峰—峰值。(3）實(shí)驗(yàn)感悟反思總結(jié)：這次試驗(yàn)中，通過自己的研究設(shè)計(jì)以及查詢各項(xiàng)資料，加深了組員對(duì)于模擬電子電路的理解與分析能力。通過自己的親手設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)低頻放大器放大的目標(biāo)，并能很好的利用低通一階濾波器實(shí)現(xiàn)保證通頻帶在限定范圍之內(nèi),且能高效減小噪聲誤差的作用（峰—峰值約為+（－)50mv之內(nèi)）。在心有余力的情況下,完成了部分的發(fā)揮部分的要求，使電壓放大倍數(shù)達(dá)到了約500倍,且通過濾波器減小了噪聲電壓?？偠灾?，本次電子競賽中收獲頗豐，不僅豐富了知識(shí)，加強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，還增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作能力,于各位隊(duì)員而言都是非常好的.附圖１：附圖２：附表1：低頻信號(hào)放大器（放大倍數(shù)：１～2０0）數(shù)據(jù)計(jì)算值第一級(jí)反饋電阻(最大值：1千歐）第二級(jí)反饋電阻最大值:20千歐輸出電壓值（Ｖ)放大倍數(shù)百分?jǐn)?shù)（％)阻值（千歐姆）百分?jǐn)?shù)(%)阻值（千歐姆）0％0５％1０.0130。92９50%0。55０%100。713５0。92920％0．220%40.14３10。2141０0%１50%１０1。30593。214１0０％1７0%１41．8２８13０。５７1100%180％1６2。0８914９。214100%190%１82.34916７.786１00％19５%19２。48１１７7。2１４100％１100%202．61１86。429附圖3:附表2:低頻信號(hào)放大器(放大倍數(shù):１～５０0）數(shù)據(jù)計(jì)算值第一級(jí)反饋電阻(最大值：1千歐）第二級(jí)反饋電阻最大值：５０千歐輸出電壓值(V）放大倍數(shù)百分?jǐn)?shù)（%）阻值（千歐姆）百分?jǐn)?shù)(%）阻值（千歐姆)0％05％1０。0030．２14５0％0.550%1０1.84３1３１。64320%０.２20%４0。9１765.50０100%150%103。38624１。８57100%170％144。74１3