测量放大器课程设计报告.docx

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测量放大器课程设计报告

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

测量放大器

初始条件：

三端固定稳压器CW7815,CW7915,10W电源变压器，额定电流为

2A的整流桥OP07的运算放大器，电容电阻及二极管若干

要求完成的主要任务:

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KCMR>105；

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）。

g.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％

h.设计并制作一个信号变换放大器。

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。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要………………………………………………………4

1．主要任务和要求…………………………………………5

1.1任务要求………………………………………………5

1.2测量放大器……………………………………………5

1.3电源……………………………………………………6

1.3信号转换器……………………………………………6

1.4测量放大系统简介………………………………………6

2.测量放大器方案设计原理………………………………7

3.放大电路方案设计与实现………………………………7

3.1方案列举………………………………………………7

3.2论证比较………………………………………………9

4.信号变换放大器的设计…………………………………10

5.直流稳压电源的设计……………………………………11

5.1设计要求………………………………………………11

5.2直流稳压电源的设计思路………………………………12

5.3直流稳压电源原理………………………………………12

5.4元件的选取……………………………………………13

6.主要电路的参数计算……………………………………16

6.1放大电路的参数计算……………………………………16

6.2稳压电源的参数计算……………………………………17

7．仿真分析………………………………………………18

7.1电源的仿真测试…………………………………………18

7.2信号变换放大器的仿真测试……………………………19

7.3放大电路的仿真测试……………………………………20

7.4测量放大器频率响应的仿真测试…………………………22

8．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。

测量放大器

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。

1.2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KCMR>105；

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）。

1.3电源

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％。

1.4信号变换放大器

设计并制作一个信号变换放大器。

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。

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。

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。

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，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。

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。

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，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

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。

直流稳压电源的测量：

交流电压变化范围为＋10％～－15％，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，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1000μF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℃）