北京工商大学电子竞赛设计实施方案.docx
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北京工商大学电子竞赛设计实施方案
北京工商大学电子竞赛设计实施方案
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2013年北京工商大学电子竞赛(B题)
设计与总结报告
低频信号放大器
摘要:
本设计从基本多级放大电路与运算放大器运算电路方案入手,仔细研究相关知识,详细讨论了所有影响因素与相应的解决方法,最终给出了较为合理的设计方案。
该方案采用通用型集成运算放大器和必要的其他元器件(包括电阻,电容,稳压管等等),利用反相比例运算放大电路多级放大,最终实现电压放大倍数在要求范围之内可调,并且使用滤波器原理限定通频带,同时,尽可能的减小噪声电压等非线性误差造成的影响,保证了低频信号按照要求得以放大。
整体电路简单明了,调节简便,界面直观,具有良好的简单实现放大低频信号的性能。
关键字:
反相比例运算放大电路,滤波器
一、系统方案设计、比较及论证…………………………………………3
1.采用多极三极管放大电路……………………………………………3
2.采用一阶同相比例运算放大器………………………………………3
3.采用两级比例运算放大器……………………………………………4
4.采用低通滤波器与同相比例运放放大器两级耦合方式…………..4
二、理论分析与公式计算………………………………………………….4
1.反相比例运算电路…………………………………………………….4
2.同相比例运算电路…………………………………………………….4
3.有源低通滤波器电路………………………………………………….5
4.放大倍数计算………………………………………………………….5
三、电路设计……………………………………………………………….5
1.滤波器电路…………………………………………………………….5
2.同相比例运算电路…………………………………………………….6
3.限压电路………………………………………………………………..6
4.综合电路图……………………………………………………………..7
四、测试方案及测试效果…………………………………………………..8
1.测试所用仪器…………………………………………………………...8
2.测试方案及测试数据及测量条件……………………………………..8
1)测试方案…………………………………………………………………8
2)测试条件…………………………………………………………………8
3)测试数据…………………………………………………………………9
3.测试总结………………………………………………………………..10
i.测试结果总结……………………………………………………...10
ii.测试结果分析……………………………………………………...10
iii.实验感悟反思总结………………………………………………..10
附图与附表………………………………………………………………………11
一、系统方案设计,比较及论证
根据题目要求,提出了三种方案:
1.采用多级三极管放大电路:
利用阻容耦合多级放大器,采用两级放大电路,保证及预计之间静态工作点完全独立,通过调节输出端负载,达到控制低频信号放大的目标。
但是由于为解决零点漂移的情况,采用了阻容耦合电路,导致耗费材料较多,并且为了确定静态工作点,设置的滑动变阻器较多,不方便使用者直观地了解操作方法,而且仅仅能够简单的达到放大要求,却不能减小误差并设置通频带截止频率。
电路如图所示:
2.采用一阶同相比例运算放大电路
利用该电路,能够利用U0=(1+Rf/R1)*Ui的公式,采用一阶放大电路,将Rf设置为滑动变阻器,通过调节Rf使输入电压放大1~200倍。
该方案简单有效,但是不能实现通频带的限定作用,而且由于运算放大器本身的热噪声问题,所以在放大倍数达到200时无法使输出端噪声电压峰-峰值小于目标值。
电路如图所示:
3.采用两级比例运算放大电路,在输出端串联一个低通滤波器。
理想状态下,前两级放大了目标倍数之后,在低通滤波器处设置放大倍数为1,则可以达到放大的效果与限定通频带的目标。
但是,由于实际连线时,经过调节发现低通滤波器作为整体电路的第三级运算放大器,无论反馈电路中负载如何调节,依然存在着一定的电压放大倍数,最终会影响整体的低频信号放大。
而且,电路较为复杂,操作不易。
4.采用低通滤波器与同相比例运算放大器两级耦合的方式,通过调节第二级运算放大器的反馈电阻Rf(滑动变阻器)的值,保证电压放大倍数在1~200之间,同时利用低通滤波器限定通频带在0~100Hz之间,还能有效地减小输出端噪声电压带来的影响,最后,在输出端串并联稳压管限定输出电压范围。
电路图如图1所示。
比较以上三种方案,综合考虑电路的稳定性,可操作性,达到目标的可实现性,以及价格等等因素,小组成员一致决定采用方案四设计实现低频信号放大器电路。
二、理论分析与公式计算
1.反相比例运算电路:
U0=-(Rf/R1)*Ui
其中,Rf为反馈电阻
R1为运算放大器“+”级连接的负载
U0为所得的输出电压值
Ui为输入端电压值。
2.同相比例运算电路:
U0=(1+Rf/R1)*Ui
其中,Rf为反馈电阻
R1为运算放大器“+”级连接的负载
U0为所得的输出电压值
Ui为输入端电压值
3.有源低通滤波器电路:
Au=(1+Rf/R1)*1/(1+j*f/f0)
f0=1/(2*pi*R*C)
通带放大倍数:
Aup=1+Rf/R1
当f=f0时,Au=1.414*Aup,通带截止频率fp=f0
4.放大倍数计算:
Au=Au1*Au2
即:
第一级放大倍数与第二级放大倍数相乘
三、电路设计:
1.滤波器电路:
利用信号源作为低频信号发生器与提供电压的电压源,首先输出滤波器电路,达到三个目的:
(1)实现放大倍数为10
(2)实现通频带为0~100Hz
(3)减小噪声电压的峰-峰值
2.同相比例运算电路
使用同相比例运算放大电路作为第二级放大电路,在反馈部分使用滑动变阻器作为负载之一,综合达到以下目标:
(1)最大电压放大倍数为20倍
(2)使用滑动变阻器使电压放大倍数可调
注:
如果要使发挥部分中综合放大倍数是500倍,则令上图中滑动变阻器最大阻值是50K欧即可。
3.限压电路:
利用稳压管的性质,通过使用稳压管,达到输出电压在+(-)8V之间的要求。
4.综合电路图:
放大200倍电路
发挥部分放大500倍电路
图1
四、测试方案及测试效果:
1.测试所用仪器
1.)双踪示波器(SS7802A型)
2.)交流毫伏表(HG2170型)
3.)信号发生器(GAG-809型)
4.)数字万用表(UT50型)
5.)集成运放放大器实验板
6.)模拟试验箱
2.测试方案及测试数据及测试条件
1.)测试方案
*测试电压放大:
通过控制输入信号频率与输入电压值为定值时,分别调节两个反馈电阻阻值(即上述综合电路图中的R7、R6),观察波形与输出电压大小
*测试通频带:
通过控制输入电压值为定值两个反馈电阻阻值(即上述综合电路图中的R7、R6)均为定值时,调节输入信号频率,观察波形与输出电压大小
2.)测试条件
*测试电压放大倍数
(1)第二级反馈电阻滑动变阻器最大阻值为20K欧
(2)输入电压为10MV
(3)输入信号频率为50Hz
*测试通频带:
(1)第二级反馈电阻滑动变阻器最大阻值为20K欧
(2)输入电压为10MV
(3)使两个反馈电阻阻值为最大值(100%)
注:
*如果设置综合输出放大倍数为200倍,则令第二级反馈电阻滑动变阻器最大阻值为20K欧。
*如果设置综合输出放大倍数为500倍,则令第二级反馈电阻滑动变阻器最大阻值为50K欧
3.)测试数据:
(1)200倍放大
原始波形图见附图1(由于幅值很小,故波形不明显)
测试数据见附表1
波形见附图2
(2)500倍放大
原始波形图见附图1(由于幅值很小,故波形不明显)
测试数据见附表2
波形见附图3
(3)通频带测试:
测试数据见附表3
测试波形见附图4
注:
操作说明:
在所焊接的实验板上,如果要使放大倍数为1~200倍,则连接20千欧滑动变阻器,如果要使凡达倍数为1~500倍,则连接50千欧的滑动变阻器至电路当中。
(由于实验器材中提供单刀双掷开关,所以只能手工连接)。
或者,可以直接连接50千欧电阻,如果要使放大倍数为200倍,则上述电阻滑片调节至约40%处即可,若果要使放大倍数为500倍,则上述电阻滑片调节至100%处即可。
3.测试总结
(1)测试结果总结:
通过调节电路上的两个反馈可变电阻,可以实现电压放大倍数在1~200倍或1~500倍的目标。
在第二级反馈电阻最大值为20千欧的时候,
*若第一级调节为总阻值的0%,第二级为总阻值的1%的时候,放大倍数约为1;
*若第一级调节为总阻值的100%,第二级为总阻值的100%的时候,放大倍数约为200。
在第二级反馈电阻最大值为50千欧的时候,
*若第一级调节为总阻值的0%,第二级为总阻值的1%的时候,放大倍数约为1;
*若第一级调节为总阻值的100%,第二级为总阻值的100%的时候,放大倍数约为500;
*若第一级调节为总阻值的100%,第二级约为总阻值的38%的时候,放大倍数约为200。
(2)测试结果分析:
根据实验测试数据,发现可以通过调节两个滑动变阻器调节出1~200或1~500的电压放大倍数,但是依然存在着误差。
关于通频带的测试中,发现一阶低通滤波器的幅值衰减依然不够明显,由于时间关系,未能更好的调节使用二阶低通滤波器实现通频带的设置,所以,本设计中依然存在着可供改善的地方。
尽管如此,依然能够较为准确的保证通频带在0~100Hz之间,并且减小噪声电压的峰-峰值。
(3)实验感悟反思总结:
这次试验中,通过自己的研究设计以及查询各项资料,加深了组员对于模拟电子电路的理解与分析能力。
通过自己的亲手设计,达到实现低频放大器放大的目标,并能很好的利用低通一阶滤波器实现保证通频带在限定范围之内,且能高效减小噪声误差的作用(峰-峰值约为+(-)50mv之内)。
在心有余力的情况下,完成了部分的发挥部分的要求,使电压放大倍数达到了约500倍,且通过滤波器减小了噪声电压。
总而言之,本次电子竞赛中收获颇丰,不仅丰富了知识,加强了动手实验能力,还增强了团队合作能力,于各位队员而言都是非常好的。
附图1:
附图2:
附表1:
低频信号放大器(放大倍数:
1~200)
数据
计算值
第一级反馈电阻(最大值:
1千欧)
第二级反馈电阻最大值:
20千欧
输出电压值(V)
放大倍数
百分数(%)
阻值(千欧姆)
百分数(%)
阻值(千欧姆)
0%
0
5%
1
0.013
0.929
50%
0.5
50%
10
0.713
50.929
20%
0.2
20%
4
0.143
10.214
100%
1
50%
10
1.305
93.214
100%
1
70%
14
1.828
130.571
100%
1
80%
16
2.089
149.214
100%
1
90%
18
2.349
167.786
100%
1
95%
19
2.481
177.214
100%
1
100%
20
2.61
186.429
附图3:
附表2:
低频信号放大器(放大倍数:
1~500)
数据
计算值
第一级反馈电阻(最大值:
1千欧)
第二级反馈电阻最大值:
50千欧
输出电压值(V)
放大倍数
百分数(%)
阻值(千欧姆)
百分数(%)
阻值(千欧姆)
0%
0
5%
1
0.003
0.214
50%
0.5
50%
10
1.843
131.643
20%
0.2
20%
4
0.917
65.500
100%
1
50%
10
3.386
241.857
100%
1
70%
14
4.741
338.643
100%
1
80%
16
5.418
387.000
100%
1
90%
18
6.095
435.357
100%
1
95%
19
6.435
459.643
100%
1
100%
20
6.774
483.857
附图3:
10Hz :
50Hz :
100Hz :
附表4:
低频信号放大器(放大倍数:
1~200)
数据
计算值
f(Hz)
输出电压值(V)
放大倍数
50
2.708
193.429
80
2.157
154.071
100
1.992
142.286
150
1.493
106.643
200
1.179
84.214