课程设计-测量放大器

《测量放大器》课程设计实验报告学院：物理与电信工程学院专业：电子信息工程班级：xxxxx学号：xxxxxxxxxxx姓名：xxx摘要：此次课程设计是基于AD7520芯片进行设计的测量放大器电路。放大器有直流输入和交流输入端，既可放大交流信号，又可放大直流信号。电路由五个模块组成，分别是输出直流小信号的电桥模块、单端转双端模块、差模电压放大模块、衰减控制模块，另外还包括附加部分的基于ad637芯片设计的有效值检测电路。主控的MCU为单片机STC12C5A60S2.通过MCU对AD7520的控制，控制差模电压放大倍数，并通过lcd1602液晶屏显示出当前放大倍数和有效值。关键词：电桥差模电压放大单端转双端电压增益电压衰减有效值检测一、方案选择与论证1、差模电压放大模块的方案选择与论证1)采用双单元和四单元集成运算放大器做成的差模电压放大模块LF353是双单元集成运放，一块芯片里有两个独立的运放，每个运放均采用。JFET作为差分输入级，并用双电源(士15V)供电。该芯片具有低输入失调电压、电流，低的偏置电流，以及高输入阻抗等优点。LM358也是双单元运放，它采用双极型晶体管作差分输入级，从性能参数上分析，它属普通型运放。不过LF358采用单电源供电,且可用+5V电源,这和数字系统的电源一样，在模拟和数字混用系统中，用这种芯片，可简化电路设计。LM348是美国NS公司(NationalsemieonduetorCorp)生产的双电源供电四单元集成运放，在一片Lw348里集成有四个与741性能参数一样的运放元件,在性能要求不是很高的场合,采用这种芯片，具有设计方便、节省电路板面积、调试简单、价格便宜、元件容易买到等优点。与LM348一样，LM324也是Ns公司的产品，一片LM324里也集成有四个独立的运放，不过它采用单电源供电，它的性能参数和特点与双单元运放LM358基本一样。2)用高性能集成运放做成的差模电压放大模块LF355/LF356/LF357是高输入阻抗运算放大器，它采用JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达10兆欧。LF355/LF356/LF357本身带有失调电压调整端。LM308属于第三代集成运算放大器，它采用超日管作为差分输入级，其输入偏置电流很低,且开环输人阻抗Rl可达70兆欧。国产5G7650和美国的ICL765O可以互换,它属于第四代集成运放。图由于该器件采用了崭波稳零结构、动态校零原理和cM05集成技术，其失调与漂移可基本消除，且输入阻抗R高达1兆欧。这种器件已接近理想运算放大器。3)采用高增益运算放大器UA741M、UA74I、UA741C（单运放）都是高增益运算放大器这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。它宽范的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器和加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能，此外，它还具有如下特点：无频率补偿要求；短路保护；失调电压调零；大的共模差模电压范围；低功耗。鉴于第三种方案的UA741C的优良特性，而且比较容易实现。故本设计采用第三种方案，运用UA741C组成单端转双端模块和差模电压放大模块。2、衰减模块的方案选择与论证1)以AD7520芯片为主的衰减模块AD7520是十位CMOS数模转换器，其电路如下图，采用倒T形电阻网络。模拟开关是CMOS型的，也同时集成在芯片上。但运算放大器是外接的。AD7520具有如下特性：分辨率：分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为位的数模转换器中，输出电压能区分个不同的输入二进制代码状态，能给出不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用数模转换器的最小输出电压(对应的输入二进制数只有最低位为1)与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)的比值来表示。转换精度：数模转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。这误差是由于参考电压偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等原因所引起的。输出建立时间：从输入数字信号开始，到输出电压或输出电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。目前，在不包含参考电压源和运算放大器的单片集成数模转换器中，建立时间一般不超过0.001。线性度：通常用非线性误差的大小表示数模转换器的线性度。产生非线性误差有两种原因：一是各位模拟开关的压降不一定相等，而且接和接地时的压降也未必相等；二是各个电阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的电阻阻值的偏差对输出模拟电压的影响又不一样。此外还有电源抑制比、功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术指标。AD7520原理图AD7520引脚图2)以AD603芯片为主的衰减模块AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统。它提供精确的引脚可选增益，90MHz带宽时增益范围为-11dB至+31dB，9MHz带宽时增益范围为+9dB至+51dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3nV/√Hz，采用推荐的±5V电源时功耗为125mW。由于本设计的通频带范围要求为0~100HZ。同时可输出的最大电压为正负10V，非线性误差0.5%，输出噪声峰峰值小于1V。第一个方案电路设计简单易行。所以选择第一个方案作为衰减模块的方案。二、单元电路设计与实现1、小信号直流电桥模块为了达到输出直流小信号，采用分压的方法，两端输出相差为10mV左右的直流小信号。增加一个精密5K电位器方便调节。提供电源为±15V。具体电路图如下所示：图3-12、单端口转双端口模块此电路由两片UA741单运放芯片组成。提供电源为±15V。通过设计电路的参数，使输入的单端信号转为一组差模信号输出。具体电路如图3-2：图3-2电路包含一个同相的放大器和一个反相的放大器的计算公式如下：同相电压放大器V01/Vi=R1/(R1+R3)=1/2反相电压放大器V02/Vi=-R2/R1同相放大器A1的电压增益V01/Vi=1/2，反相放大器A2的电压增益为V02/Vi=-1/2。则总的增益为V0/Vi=(V01-V02)/Vi3、差模电压放大模块此差模电压放大模块采用3个UA741单运算放大器组成。是一种仪用放大器。提供电源为±15V。电路如图3-3所示。图3-34、衰减模块图3-4该电路由AD7520芯片和UA741芯片组成。AD7520需提供5V电压，UA741需提供15V电压。具体电路如图3-4所示5、有效值检测模块该电路采用ad637芯片做有效值检测，然后再把输出的有效值送给单片机的内置ad口，在lcd1602显示屏上显示有效值，由于单片机采集的电压值最多只能达到5v，而题目的要求是峰峰值达到20v，所以在输入ad637芯片之前，我用了ne5532运放把输入电压衰减了一般，再送给ad637，而在ad637输出端，为了与单片机的ad采样口阻抗匹配，我又加了一个跟随器已达到要求。这样设计的电路采集出来的有效值误差基本能维持在百分之五左右的范围。三、系统软件设计与控制算法分析1．软件功能和结构本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立，包括系统初始化、控制衰减倍数、测量电压有效值、按键处理模块和显示模块。软件主体流程图如下图4-1所示。单片机信号输入给AD7520AD7520进行相应倍数衰减液晶屏显示AD7520输出经过NE5532进行衰减AD采集NE5532衰减之后输入AD637进行真有效值转换AD637输出进过NE5532跟随器输入给单片机的P1.0口图4-12．功能模块算法设计（1）该电路采用ad637芯片做有效值检测，然后再把输出的有效值送给单片机的内置ad口，在lcd1602显示屏上显示有效值，由于单片机采集的电压值最多只能达到5v，而题目的要求是峰峰值达到20v，所以在输入ad637芯片之前，我用了ne5532运放把输入电压衰减了一般，再送给ad637，而在ad637输出端，为了与单片机的ad采样口阻抗匹配，我又加了一个跟随器已达到要求。这样设计的电路采集出来的有效值误差基本能维持在百分之五左右的范围。（2）控制衰减倍数模块：增益控制字由电压控制式确定。通过控制引脚的高低电平作为信号。为了保护系统，软件对设置的增益范围进行了限定，当超出1000倍时，则视为无效输入，并重新输入。（3）按键处理模块：此系统的按键功能包括选定设计要求的步距为1、学号姓名显示。其中增益设置对输入数据的范围进行了限定，当输入数据超出范围时，直接从最小倍数再开始递增。（4）显示模块：用lcd1602的图形液晶显示模块显示预设的增益值以及输出电压的有效值。四、系统测试1、测试仪器胜利仪器DT890数字式万用表SPF40信号发生器40MHZTektronixTPS1052数字示波器50MHZ2、测试方案（1）放大倍数和有效值测试（2）幅频特性测试f（Hz）10090604030109876)(mVVi10101010101010101010)(VVO1010101010109.128.367.275.21五、附录[1]康华光电子技术基础[Ｍ].华中科技大学电子技术课程组:高等教育出版社[2]黄金平《测量放大器电路的设计》.江汉石油学院,湖北荆州[3]王建校《51系列单片机及C51程序设计》.科学出版社[4]戴杰,宾浩,庄知龙,石晨曦.一种数控高增益测量放大器的设计[J].现代电子技术,2009,01:110-111+119.[5]陈仁伟.高准确度有效值转换电路的设计与实现[J].电子测量技术,2010,33(6):20-26vA50100150200250300350400450500Vi（mV）10101010101010101010V0（V）0.511.01.52.02.53.13.54.04.65.0VRM0.150.350.450.740.851.121.331.521.701.82vA5506006507007508008509009501000Vi（mV）10101010101010101010V0（V）5.56.06.57.07.58.08.59.19.610.2VRM1.922.102.382.512.682.853.013.153.293.58六、整体原理图以及PCB1、电路原理图2、电路PCB