测量放大器课程设计报告

湖南涉外经济学院课程设计报告课程名称：模拟电路报告题目：测量放大器的设计学生姓名：万智亮所在学院：信息科学与工程学院专业班级：电信1202学生学号：12430621817069指导教师：刘晓秋2013年12月20日报告题目测量放大器的设计完成时间12/20学生姓名万智亮专业班级电信1202指导教师刘晓秋职称高级工程师总体设计要求和技术要点设计一个测量放大器的设计电路，要求如下：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VIo的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。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≥2MW（可不测试，由电路设计予以保证）。测量放大器系统组成的框图如下图所示。系统包括桥式电路、信号变换放大器电路，直流电压放大器和直流稳压电源。工作内容及时间进度安排第15周：周3---周5：立题、论证方案设计、分配元器、件。第16周：周1---周3：确定设计方案，完成框架设计。周4---周5：样品制作。第17周：周1---周3：样品修改、报告书写、预答辩。周4---周5：验收答辩。课程设计成果1．与设计课时对应的实物。2．课程设计总结报告。摘要放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，有电子管晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。测量放大器的信号检测的放大电路。用来放大微弱差值信号的高精度放大器。通常，测放大器多采用专用集成块来实现，虽然有很高的精度，但不便于实现增益的预置于数字控制，同时为了提高共模抑制比，利用高增益运放，设计一种具有高共模抑制比，高增益的测量放大器，提高测量放大器的性能指标，通过对仪器的改造来实现设计测量放大器及所用的稳压电源，满足其输入阻抗和共模抑制比及通频带的要求。测量放大器前级主要采用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大。关键词：测量放大器共模抑制比集成运放电压增益目录一、概述…………………………………………………………………………1二、方案设计与论证………………………………………………………………12.1．方案一……………………………………………………………………22.2．方案二……………………………………………………………………32.3．方案三……………………………………………………………………4三、单元电路设计与分析…………………………………………………………43.1．信号变换电路…………………………………………………………43.2．电源电路的设计…………………………………………………………43.3．直流稳压电源的计算……………………………………………………53.4．放大器的计算……………………………………………………………6四、总原理图及元器件清单………………………………………………74.1.总原理图……………………………………………………………………74.2.元器件单……………………………………………………………………84.3.学生情况统计表……………………………………………………………9五、结论与心得………………………………………………………………………9六、参考文献………………………………………………………………………91一、概述测量放大器系统组成的框图如下所示。系统包括信号变化放大器电路、直流电压放大器和直流稳压电源。测量放大器系统各个组成部分的作用和指标：信号变换放大器：把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大倍数的双端输入信号。直流电压放大器：要求差动输入的直流电压放大器，具有高的电压差摸增益，并具有低漂移、低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试差摸放大倍数、共模抑放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。直流稳压电源：改电源由单向220V交流电压供电，输出正负15负的直流电压，作为整个系统的电源。二、方案设计与论证电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高共模抑制比，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A1、A2、A3都是采用OP07节约成本，然后再接一级比例放大，通过调节R15的阻值可改变整个电路的放大倍数。变换电路，将单线输人信号分别经过两个运算放大器．一个接成跟随器．另一个接成反相比例放大器，这样通过简单、基本的运算放大电路就将单端输入信号变换成双端输出。2.1.方案一如图一所示，利用一个放大器将双端输入信号变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例运算放大器进行耦合，放大器通过后一级的比例放大器获得，输入到下一个比例运算放大器中，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容易受到放大器本身性能的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，元器件少，但还是选择另一种方案。2图一运算放大器2.2．方案二采用比较通用的仪用放大器，如图所示，由运放A1、A2按同向输入法组成第一级差分放大电路。运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，v1v2分别加到A1和A2的同向端，R1和R2组成的反馈网络，引入负反馈，两运放A1、A2的两输入端形成短和虚断，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倍数的改变，并且可以将R1用一个适当阻值的电位器代替，通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制。但是通过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，不能采取此方案。图二仪用放大器32.3．方案三如图三所示：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R15的阻值可改变整个电路的放大倍数。所以根据以上原因，故实验采用本方案。图三差分放大器42.4论证方案一电路其输入阻抗低，共模抑制比，失调电压和失调电流等参数容易受到放大器本身性能的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，元器件少，所以不能采用该电路。方案二通过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，不能采取此方案。方案三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R15的阻值可改变整个电路的放大倍数，所以根据以上原因，故实验采用方案三。三、单元电路的设计与计算3.1.信号变换电路如图四所示：将单线输人信号分别经过两个运算放大器，一个接成跟随器．另一个接成反相比例放大器，这样通过简单、基本的运算放大电路就将单端输入信号变换成双端输出。图四信号变换原理图3.2.电源电路的设计在能满足实验要求的基础上，尽可能简化电路，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±15V的电压输出，电源电路原理图如图五所示。5稳压芯片LM7815的主要参数：输出电流可达1A输出电压有：15V输出晶体管SOA保护7815极限值（Ta=25℃）VI--输入电压(V0=5~18V)35V(VO=24V)40V相关引脚:1--输入INPUT2--地GND3--输出OUTPUT稳压芯片LM7915的主要参数同上，但其输出电压有：-15V相关引脚：1--地GND2--输入INPUT3--输出OUTPUT图五电源电路原理图3.3.直流稳压电源的计算直流稳压电源，设计要求当单相220V交流电压供电时交流电压变化范围为+10%～-15％，仍能正常工作，，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管、7815、7915最小压降Ud。输出±15V时，设计输出电流至少达到500mA，在0.01s内电压变化为△Umax=U×2(1-15%)-Ud-15=3.38V6C=△Q/△U=I.t/△U=0.5×0.01/3.38=1478μF其中U=18V（变压器输出的交流电压），Ud为7815和7915的最小压降，设计取C=3300μF（在实物上直接焊接3300μF），在电源电压比正常值小15％或大10％时，电路仍能满足三端稳压器的最小压降，没有超出三端稳压器的耐压范围。3.4.放大电路的计算第一级差模放大的电压放大倍数的计算:由于运放A1A2均满足虚断和虚短,流入两运放的电流均可认为是零,故有VA=Vi1VB=Vi2VR5=Vi1-Vi2VR5/R5=VO1-V02/(R4+R5+R6)得到：VO1-VO2=(R4+R5+R6)VR5/R5=(R4+R5+R6)(Vi1-Vi2)/R5运放A3实际构成求差电路，满足:VO3=-R7(VO1-VO2)/R8运放A4构成反相比例器:VO=-R12VO3/R11=R15R7(R4+R5+R6)(Vi1-Vi2)/R11R8R5该电路最后的运算放大倍数:AV=R12R7(R4+R5+R6)/R11R8R5从上式子中可以看到通过调节R12的值即可实现对测量放大倍数的调节，其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路的输入电阻，并不承担主要的放大任务，放大主要由最后一级比例放大器来完成，因而在电阻的选择上考虑到这方面的因素，本设计的前级放大倍数AV1=-(R4+R5+R6)/R5=-60最后一级放大倍数AV2=-R12/R11而R12是一个500k的电位器，R11为10k,故总的增益最高可达1000多倍，完全可以满足试验的基本要求。7四、总原理图及元器件清单4.1．总原理图如图六所示为测量放大器的总原理图：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VIo的电压信号，前置放大器采用差分式输入，双端输出，经过A3进行信号变换成单端输出，然后再经过最后一级比例放大。图六总原理图84.2.元器件清单材料清单及工具一、材料清单元器件清单元件名称元件参数元件数量变压器220V～±15V1个稳压器LM78151个稳压器LM79151个整流二极管1N40074个运算放大器OP07CP6个电位器20KΩ4个电阻10KΩ12个电阻1KΩ2个电阻50KΩ2个电阻200KΩ2个电阻100KΩ2个电阻91KΩ1个电容33pF4个电解电容3300μF4个电容1nF2个二、工具及检测仪器1.焊接工具1套。2.常用检测仪器1套。如万用表、示波器、信号发生器等。94.3.学生情况统计表学生情况统计表序号姓名性别出生日期学号专业联系电话备注1万智亮男1994.0312430621817069电子信息工程156074849512王红阳男1990.0912430623813634电子信息工程152748902243酉玲俐女1992.0812432923816050电子信息工程18075120460五、结论与心得通过本次设计实验，让我体会到了很多，一方面是理论知识，课程设计不是那么容易解决的，没有一定的理论知识，是很困难的，所以从中我收获到了很多，不仅从书本上的理论知识进行了巩固，而且锻炼了自己的动手能力，让我懂得首先要对设计原理弄懂，才能在设计方面游刃有如。我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共摸抑制比，输入输出阻抗的大小。课程设计时间定在临近期末的阶段，所以任务相当重的。一方面要准备考试一方面要准备课程设计，每天都在