测量放大器课程设计报告Word文档格式.docx

1、2.测量放大器方案设计原理 73.放大电路方案设计与实现73.1方案列举73.2论证比较94.信号变换放大器的设计105.直流稳压电源的设计115.1设计要求115.2直流稳压电源的设计思路125.3直流稳压电源原理125.4元件的选取136.主要电路的参数计算16 6.1放大电路的参数计算166.2稳压电源的参数计算177仿真分析 187.1电源的仿真测试187.2信号变换放大器的仿真测试197.3放大电路的仿真测试207.4测量放大器频率响应的仿真测试228收获与体会26附件一 元器件清单27附件二 参考文献28摘要本设计主要由测量放大器、信号变换器、稳压电源三部分组成。测量放大器主要是实

2、现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电信号的放大，要求有较高的输入电阻，从而减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调以实现对比较大的范围的被测信号的测量，因而测量放大器的前级主要采用差分输入的方式，然后经过双端信号到单端信号的转换，最后经比较放大器进行放大。信号变换电路主要实现一段信号输出到两端输出的转变，主要采用的是经过改进的差分式放大电路，信号变换在本设计中的用途主要是用于对测量放大电路的频率相应进行测试。稳压电源电路主要用于为运放供电，包括测量放大电路及信号变化器中的运放。1.测量放大器系统的任务和要求1.1任务要求如图1。输入信号VI取自

3、桥式测量电路的输出。当R1R2R3R4时，VI0。R2改变时，产生VI0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。1.2测量放大器a.差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节；b.最大输出电压为c.在输入共模电压+7.5V7.5V范围内，共模抑制比KCMRd.在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；e.通频带010Hz；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）。1.3电源设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。交流电压变化范围为1015。1.4信号变换放大器设计并制作一个信号变换放大器。1.5测量放大器系统简介测量放大器系统组成的框图如3所示

4、。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器的双端输入信号。直流电压放大器：要求差动输入的直流电压放大器，具有高的电压差模增益，并具有低漂移、低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试器差模放大倍数、共模放大倍数、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15V直流电压，作为整个系统的电源。图中系统能测出直流电压放大器频率特性。2测量放大器设计原理测量放大器具有输入阻抗高、共模抑制比大等特点，因而得到了广泛的应用。但

5、由于电路的分析复杂，通常只给出理想情况下放大器的差模增益，而难以给出其在非理想情况下的共模抑制比表达式。用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。用集成运算放大器放大信号的主要优点:（1）电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系.（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。（3）运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑

6、制能力。3放大电路方案设计及实现3.1列举方案方案一带电压跟随器的差动放大电路利用高阻型的集成运放，构成电压跟随器，可以获得很高的输入电阻。因此，只要在差动放大电路的两个输入各加一个电压跟随器，即可提高简单差动放大电路的输入电阻。其电路如下图所示。图四方案一电路图该测量放大器由运A1和A2按同相输入接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。该方案是比较通用的仪用放大电路。在第一级电路中，V1和V2分别加到A1和A2的两输入端，形成虚短和虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，适当的选择电阻可以实现放大倍数的改变，并且可以将R2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

7、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电路，可以有效地抑制共模信号，并且为双端输出，其共模放大倍数理论为0，因而可以大大的提高共模抑制比，并且由于输入信号V1和V2都是A1、A2的同相端输入，根据虚短和虚断，流入放大器的电流为0，所以输入电阻Ri为无穷大。并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。但由于本实验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实验要求，故舍弃本方案。方案二主要是对第一种方

8、案的合理改造，如图五所示，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为节约成本仍采用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R9与可变电阻R14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。经过仿真测试，基本能满足实验

9、要求，并且对于扩展部分，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。图五方案二电路图3.2论证与比较综合以上两种方案分析可知：方案一电路结构简单，易于定位和控制。但由于本实验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，不满足要求。，因而，本方案并不能完全满足实验要求，故舍弃本方案。方案二基本包含了方案一的优点，在其基础上在方向输入端接电阻，提高电路共模抑制比。测量放大器的第一级有两个同相放大器采用并联方式，组成同相并联差动。该电路具有阻抗较高的特点。方案二也在方

10、案一的基础上增加了一个电位器，使增益能方便调节。由于在实际中很难达到电阻的精确匹配，运算放大器也不可能达到完全一样。而通过电位器调节既方便又节约成本，总体上能满足设计要求，同时使其对成型方便调节。故经过对比后，方案二最为合理。4.信号变换放大器的设计4.1设计要求设计并制作一个信号变换放大器，参见下图。图六 信号变换放大器作用为了使信号不失真，就须保证电路的对称性。所以采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。同时用高精度、低漂移的运放来代替晶体三极管。本电路采用的运放是OP07。4.2 信号变换放大器的电路设计同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使Vo（+）=（1/2）Vin，

11、反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo（-）=-（1/2）Vin，从而实现不失真变换。设计电路图如下：图七 信号变换电路图5直流稳压源的设计5.1设计内容及要求直流稳压电源的测量：交流电压变化范围为1015，同时AVD和KCMR应保持不变。5.2直流稳压电源设计思路直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电。5.3直流

12、稳压电源原理5.3.1 直流稳压源流程直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见下图。图八直流稳压电源方框图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。5.3.2直流稳压

13、源设计方案图方案如下图图九直流稳压设计方案5.4元件的选取5.4.1 降压部分降压部分主要由变压器组成，由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而可以得到相位相反的两个24V的交流源，输入到下一级的整流桥，变压器的型号为24V的输出，功率要大于30W。5.4.2 整流部分整流部分主要由四个二极管组成的整流桥组成，依据二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，

14、同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。经过整流后的电流及电压的波形变化如图九所示。整流部分使用4个1N4007搭建的整流桥。5.4.3 滤波电路经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后皆有滤波电图十桥式整流电路工作波形路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。实验电路中使用1000

15、F的电解电容足以满足电路的要求。5.4.4选择集成稳压器选三端固定稳压器CW7815和CW7915,其性能参数为：, 由于要输出正负15V电压，于是采用的是7815和7915三端集成稳压器，其中78系列输出的为正电压，79系列输出的为负电压。稳压芯片7815主要参数： 图十一CW7815实物图输出电压15V输出电流可达1A输出晶体管SOA保护7815极限值（Ta=25）相关引脚1-输入 INPUT2-地 GND 3-输出 OUTPUT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，7915系列

16、为三端负稳压电路，TO-220封装，有不同的固定输出电压，应用范围广。如图，78系列和79系列的经典接法如下： 图十二 三端稳压器示意图及其接法由于运放需要双电源供电，因而采用双输出的变压器实现双电源的输出，运放所需要的电源为15V，所以24V输出的变压器足以满足要求，电源各部分组成如图十三。图十三直流稳压电源电路6主要电路的参数计算6.1放大电路的参数计算第一级差模放大的电压放大倍数计算：由于运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有 VA=Vi1 VB=Vi2 VR2=Vi1-Vi2得到:运放A3实际构成求差电路,满足关系式:带入该关系式得到运放A4结成的是反向比例

17、放大器,满足关系式:因而最终测量放大器的放大倍数为:从式子中可以看到通过调节R12的值即可实现对测量放大器放大倍数的调节,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,因而在电阻选择上考虑到这方面因素,本设计前级放大器的放大倍数最后一级放大倍数而R12是一个100k的电位器，R7阻值为10k，故最后一级的增益最高可达500倍，最小增益可以小于1，完全可以满足实验的基本要求，但满足不了发挥部分的要求，因而在实际制作中将R12改为200k甚至更高阻值的电位器，即可满足放大倍数11000且手动可调的要求。6.2 稳压电源的参数计算直流

18、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1A，二极管所承受的最大反响压降为,所以选用1N4002型二极管。在0.01 s内电压变化为Umax=U （1-15%）-Ud-15=10.6VC=Q/U=I.t/U=0.50.01/10.6=943F其中U=24V（变压器输出的交流电压），Ud为7815和7915的最小压降，设计取C=1000uF，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

19、。 在确定好实验方案后，我依据设计的方案在仿真软件MULTISIM中进行仿真，并测量相关数据。7仿真分析7.1电源的仿真测试对电源的测试，仿真结果如图所示，具体数据如表一所示。图十四 电源仿真测试表一 直流稳压电源的测试参数+15V输出端-15V输出端理论值+15.0V-15.0V测量值+15.55V-15.594V误差百分比3.67%3.96%分析：经数据分析，误差在范围内，达到题目要求，能很好的为后面电路提供电源及测试需要。7.2 信号变换放大器的仿真测试把信号变换器的电路部分单独拿出，接上信号源输出，信号源输出电压峰峰值VP-P=10mV，频率F=100Hz 。用示波器观察两端输出的波形

20、，并测量其大小。图十五 信号转换器仿真图 有仿真结果可知，信号源的输入信号分别在Vo1,Vo2处分得1/2的信号，从而使Vo（+）=（1/2）Vin，反向放大器的AV=-R4/R5=-50/100=-1/2，使得Vo（-）=-（1/2）Vin，从而实现不失真变换。信号转换器电路符合题目要。7.3放大电路的仿真测试 仿真电路如图十六，可选择放大倍数为100、250、1000和11000倍。改变电桥阻值即可改变输入电压进行不同参数的测量。用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的电压。由表达式，选择放大倍数为11000倍时，当R12调至50k,时，放大倍数。图十六 可放大1000倍电路图图十七放

21、大电路放大100倍仿真图十八放大电路放大250倍仿真图十九放大电路放大1000倍仿真表二 测量放大电路的仿真测试预置电桥输出值理论输出值测量输出值放大100倍电路9V90 V0900.444 V放大250倍电路9 V2.250KV2.251 KV放大1000倍电路9 KV9.004 KV表三 放大电路的仿真测试输入差模电压预置放大倍数输出电压实测放大倍数放大倍数误差2 V5001.001 KV500.050.01%250500.471V250.240.096%100200.19 V100.0950.095%50100.095 V50.0480.5 V25.057 V50.1140.23%0.2

22、5 V12.551 V50.2040.41%1251.025mV1.0041由表二和表三对放大电路的仿真测试，可知放大电路在很小的误差范围内，通过改变R12的阻值，可以实现对输入的差模信号放大1000倍的要求，同时由于电路采用的是差动放大电路，且双端输出，有很高的共模抑制比，所以放大电路满足实验要求。7.4 测量放大器的频率响应测试 仿真电路如图14 。图二十 测量放大器频率响应电路首先要对信号变换电路进行调零，接入端接，及输入端直接接地。用函数发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端，合理的设置电压及测量放大器的

23、放大倍数，然后示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端，并改变函数信号发生器的输出频率,计算不同频率下的放大倍数,得出测量放大器的频率相应。函数发生器输出电压峰峰值VP-P=20mV，频率F=50Hz 。用示波器观察输入端与输出端的波形，并进行比较计算。把R12调至50k，仿真结果见图二十一。 图二十一 频率响应放大250倍仿真示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端。测量放大电路的放大倍数。当R12=50k时， =250 。由仿真结果计算出，误差为1.54% 。图二十二频率响应放大500倍仿真当R12=100k时， =500。误差为0.6% 。表四 预置放大倍数为一的

24、频率响应测试输入频率差模放大倍数0.5V2HZ500.983mV1.0020.2%8HZ501.023mV10HZ501.020mV50HZ501.148 mV100HZ500HZ501.122 mV1000 HZ501.044 mV2000HZ500.729 mV1.0010.1%0.25V1000HZ250.972 mV1.0040.4%250.815 mV1.0030.3%通过以上对放大电路的频率相应的仿真测试，放大电路可以在很大的频率范围内，对输入的微小信号进行放大，并且误差很小，完全满足实验要求010HZ的频率要求，完成了实验发挥部分对通频带展宽0100HZ以上的要求。8.收获与体会

25、通过本次设计实验，让我懂得首先要对设计原理搞懂，才能在设计内容方面游刃有如。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，通频带与增益之间的关系，我掌握了测量放大器的性能测量方法。课程设计时间定在我们考试期间，所以任务还是相当重的。一方面要准备考试，一方面要准备课程设计，每天都在忙碌着，也锻炼了我们合理利用时间的能力。在这次的课程设计中我遇到了不少的问题。我的课程设计独立的直流稳压源，好在我们曾经做过这个实验，可是由于我们做的是78系列的电路，我所需要的还有79系列的，对于各个引脚的功能和解法总是和78系列弄混淆，最后通过查阅资料才弄明白，虽然这是一些很基础的问题，可是我们还是要认真的对待。可能是由于设备的原因，导致最后的结果调试不出来，但是我不曾灰心，结果不是最重要的，最终的是我在这次课程设计中学到了很多。在仿真设计中，有的电路图没有