电子设计竞赛真题讲解(测量放大器)

电子设计竞赛理论培训(真题讲解)物理与电信工程学院张志伟第四届全国大学生电子设计竞赛A题测量放大器•一、任务•设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源，参见图1所示。•输入信号VI取自桥式测量电路的输出，当R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。R2改变时，产生VI≠0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。二、要求•1.基本要求•(1)测量放大器•a.差模电压放大倍数AVD＝1～500，可手动调节；•b.最大输出电压为±10V，非线性误差0.5％；•c.在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比KCMR105；•d.在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V；•e.通频带0～10Hz；•f.直流电压放大器的差模输入电阻≥2MΩ（可不测试，由电路设计予以保证）。•(2)设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。交流电压变化范围为＋10％～－15％。•(3)设计并制作一个信号变换放大器(参见图2)。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。2发挥部分•(1)提高差模电压放大倍数至AVD＝1000，同时减小输出端噪声电压。•(2)在满足基本要求(1)中对输出端噪声电压和共模抑制比要求的条件下，将通频带展宽为0～100Hz以上。•(3)提高电路的共模抑制比。•(4)差模电压放大倍数AVD可预置并显示，预置范围1～1000，步距为1，同时应满足基本要求(1)中对共模抑制比和噪声电压的要求。•(5)其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。测量放大器（IA）的主要技术指标2.输入阻抗3.带宽3.共模抑制比方案一：直接采用高精度UA741运算放大器结成悬置电桥差动放大器（如下图3所示）：利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合，放大主要通过后一级的比例放大器获得，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不高，但是其输入阻抗低，共模抑制比、失调电压和失调电流等参数亦受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路十分简单，元器件较少，但仍将其舍弃。方案的选择与论证•方案二：采用比较通用的仪用放大器，如下图4所示，它是由运放A1A2按同相输入法组成的第一级差分放大电路。运放A3组成第二级差分放大器。在第一级电路中，v1v2分别加入到A1和A2的同相端，R1和R2组成的反馈网络，引入负反馈，两个运放A1A2的两个输入端形成虚短和虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，适当的选择电阻的阻值即可实现放大器放大倍数的改变，并且可以将R1用一个适当的阻值的电位器代替，通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制。该电路的优点是电路简单，元件较少，A1和A2两个放大器组成差分放大器，可以有效地抑制共模号，并且为双端输出，共模放大倍数理论上是0，因而可以大大的提高共模抑制比，并且由于输入信号V1V2都是同相端输入，根据虚短和虚断，流入放大器的电流为0,并且要求两运放的性能要求完全相同，这样，线路除了具有差模、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调极其漂移产生的误差也相互抵消，但由于要求放大倍数可以调节，通过电位器调节放大倍数，电位器的阻值无法准确获得，因而放大倍数无法准确得到，因而，本方案并不能完全满足要求，故舍弃本方案。•方案三：主要是对第二种方案的合理改造，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。然后再通过A3进行信号变化，将双端输入信号转变成为单端输出。为提高电路的共模抑制能力，A3为节约成本可采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加入了调零电路，并且为保证电路对称，用固定电阻R6与可变电阻R7串联后与R5进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，然后再接一级比例放大，通过调节R12的阻值可改变整个电路的放大倍数。对于扩展部分，可以将R12用一个电阻网络代替，用单片机对其阻值进行控制即可满足放大倍数的调节，并且经过理论分析基本可以满足步进为1的要求。鉴于以上原因采用本方案。控制模块方案选择方案一：数字电路实现方法　　　根据放大倍数1~500倍范围内变化的要求，可用八位拨码开关对DAC08323的D0~D7位设置放大倍数，并手动切换三挡增益。该方案电路简单，但置的是十六进制数，使用者必须根据增益在哪一挡来换算放大倍数，且只能实现预置数功能。方案二：单片机实现方法　　　MCU最小系统可由51单片机或其派生芯片构成。置数键可由0~9这十个数字键及几个功能键完成。在软件的控制下，单片机开机后先将预置数读入，在送去显示的同时，送入D/A然后等待键盘中断，并做相应的处理。　　　显然，方案二采用单片机控制，效果优于前者。系统总体设计思路•根据题目的要求，可以充分利用发挥模拟和数字系统各自的优点，采用单片机控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度；采用仪器放大器输入，大大提高了放大器的品质。由运放构成的前级高共模输入的仪表差动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。每种信号都将在单片机的算法控制下得到最合理的前级放大和后级衰减，以使信号放大的质量最佳。下图所示即为系统原理方框图：系统硬件电路设计•1电源设计•电源电路主要由变压部分，整流部分，滤波部分，稳压部分组成，采用的是比较常用的稳压电源电路，主要利用两个稳压芯片，LM7815及LM7915产生所需要的的电压输出，其电路如下图所示：2信号变换电路设计•信号变换电路主要是用来实现单端输入信号变双端输出信号的功能，用作测量直流放大器频率特性的输入信号。一般采用差动输入的方法取单端输入信号经过差动放大器变为双端输出信号，为了不失真输出，必须保证电路的对称性，为了保证电路的精度，选用高精度低漂移的放大器，原理图如下图所示。为了以防信号失真引入了R5和R4对放大器进行调节。信号是从同向输入端输入，因此有很高的输入阻抗，满足性能指标要求。3低噪声前级测量放大电路原理图仪表放大器必须要有一个返回路径使其偏置电流流到公共端（地）。如果没有提供返回路径，输入级的基极（或者栅极）会处于浮地（未接地）状态，从而使仪表放大器的输出会迅速漂移到地或电源端。所以，当放大浮地输入信号源时，应该考虑偏置电压跟踪共模输入电压，以从电路结构上提高共模抑制比！A1A2A3A4Ui1Ui2UcUcRf1Rf2RwRRR1R2RpU0Rf++++改进的测量放大器设计利用A4使运算放大器的A1和A2的电源电压+UC和-UC随着共模信号浮动，可以进一步提高共模抑制比。其输入级的共模抑制比为414212,1CMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRCMRRi——为第i个运算放大器的共模抑制比。考虑电路的对称要求：则Rf1=Rf2，R1=R2，Rf=Rp。5程控放大电路设计•为了改变放大器的增益，一般有两条途径：一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。通过设计一个电阻网络和开关来实现这种功能。•程控放大器总体设计原理框图如下图所示　　•采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变电压增益。但是电阻网络的匹配难以实现，且占用体积大，速度较慢，会给调试工作将带来困难。•程控放大电路主要采用单片机最小系统、模拟开关芯片CD4051和放大器芯片。控制接口可采用AT89C51单片机作为程控放大器电路的控制中心，并通过程序控制CD4051来选择放大的倍数。5.1程控放大电路原理程控放大器实例多档程控放大器，通过两位程控信号C1和C2来控制模拟开关来切换反馈电阻Rf，可实现四个档的闭环增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和Rf3/R。特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值。可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路来控制。拨码开关可以用来控制开关电路，在测试的时候使用拨码开关很方便，但是在开关电路选择的时候不能实现程序的控制，只能手动控制，因此在放大电路中可以使用模拟开关芯片来实现开关电路的控制。通过“软件实现硬件”的原则，降低外设硬件的成本。模拟开关的导通电阻部分采用划线变阻器，这样可以通过调节电阻来适当减少误差。可控增益放大电路如下图所示，放大电路采用LF353运算放大器，其中U1为电压跟随器，可以提高驱动能力，U2为放大器，开关选用CD4051，可编程实现，同一时刻某一路导通将得到相应的增益，Rx为了消除电路中存在的不可消除的误差（如导线电阻、模拟开关的电阻等）。•为了解决电阻网络的匹配问题，可以考虑能否利用集成的高精度电阻网络。鉴于D/A转换器能把数字量变为模拟量，它的内部结构一般是电阻R-2R梯形网络，并集成有多路模拟开关。因此也可以采取与常规D/A变换不同的用法，巧妙地反向利用D/A转换器的内部电阻网络实现此功能。考虑到AD7628/AD7520/DAC0832等10位D/A转换芯片，内部由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络由薄膜电阻构成，激光修正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点。因此可以采用AD来实现程控电压放大。其等效电路图为图3。由数字量控制的R-2R梯形网络在反馈回路上等效为输入电阻Ro。从参考电压VR流经梯形网络至IOUT1端的电流IF'和没有分流电阻R0时的电流，I(IOUT1)相比，其关系为，IF’=(D/1024)×I，故RF=(1024/D)×R0。因此，这种程控增益放大器的增益A为数字量D与放大器增益A的关系表如•下，通过调节RFB的值，可使表中的对应关系得以满足。01024RRDRRAFBFFB数字量（D）增益A11111111111111111110...0000000001-1023-1022...-1控制原理设计　系统的控制由单片机完成，任一输入信号都将在前级放大的基础上再经后级数控衰减器才得到最终的放大倍数。首先是在前级放大器的控制上，将前级放大器的电阻网络分为不同控制段，分别对不同电压等级的信号输入进行控制，用开关切换以实现不同的放大倍数。•前级测量放大电路的放大倍数的适当选取是在单片机的算法控制下实现的，在用户预置的放大倍数有多种设定方式时，选择最小的前级放大倍数和相应最小的后级衰减方式。这样的选择可使由放大器和衰减器引起的误差最小。例如，从键盘输入的放大倍数为9，虽然有三种阻值的模拟放大电路可满足要求，但只能根据输入电压的大致范围选择其中的一种阻值通路，并配合单片机的编程进行正确的电压放大。•在衰减器电路中，由一片D/A构成的控制器在单片机的控制下对用户预置的放大倍数作出响应。DAC08328位口的输入则相当于对该网络的输出电阻进行编程，对于输入不同的数字量，得到不同的输出输入电压比。由于前级放大器已经对输入信号有了一定放大，在D/A中只要做相应的衰减即可满足题目要求。5.2单片机系统设计系统软件设计开始系统初始化（检测数码管）启动A/D转换检测是否有三键铵下键处理程序得放大倍数放大倍数判断选通相应的模拟开关启动DA，对信号进行放大A/D采样数码管显示结束YESNO软件设计总体分五个模块：主程序模块、按键处理模块、DA转换模块、AD转换模块、数码管显示模块。谢谢！