最新毕业设计：测量放大器-吴纯

1、专业综合课程设计任务书学生姓名：吴纯专业班级：通信0905指导教师： 王 晟工作单位：信息工程学院题目：测量放大器课程设计目的：1 .通过对电路的设计掌握仿真软件使用方法；2 .掌握通信电路的测试方法和设计实验的方法；3 .学习构造简单通信系统的方法；4 .提高正确地撰写论文的基本能力。课程设计内容和要求设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源， 输入信号取自桥式测量电路 的输出。1.差模电压放大倍数 Avd=1500 ,可手动调节；2.最大输出电压为土 10V , 非线性误差< 0.5 % ; 3.在输入共模电压+7.5V一7.5V范围内，共模抑制比Kcmr >10 5 ；4

2、.在Avd = 500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V;5.通频带010Hz :6.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）。初始条件：1 .三端固定稳压器 LM7815 LM79152 . 25w的电源变压器；3 .示波器，万用表；4 .函数发生器；5 . op07的运算放大器，以及电阻、和整流二极管若干。时间安排：第18周，理论讲解；第19周，理论设计、实验室安装调试。地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名:目录测量放大器简述设计任务1 .测量放大器的设计 41.1 设计内

3、容及要求41.2 设计原理41 . 3设计方案及实现 72 .桥式电路93 .信号变换放大器 104 . 直流稳压源 114.1 设计内容及要求114.2 电路设计及原理115 .直流电压放大器 146 .放大器性能测试 157 .仿真结果和分析 167.1 各部分的仿真结果 167.2 电路总图的仿真结果 198 .主要电路参数计算 218.1 通频带的计算212123248.2 放大倍数计算21收获和体会元件清单主要参考文献测量放大器测量放大器简述摘要：放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置， 由电子管或晶体管、 电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各

4、种装置中。了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差 值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。 通常，测量放大器 多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能指标，但不便于实现增益的预置 与数字控制，同时价格较高。为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一 种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。提高了测量放大器的性能 指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所

5、用的稳压电源，并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求 .0测量放大器 主要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 信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，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已实现对比较大的范围的被测 信号的测量。测量放大器前级主要用差分输入，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。设计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 0输入信号VI 取自桥式测量电路的输出。当 Ri=R2 = R3=R4时，Vi = 0。R2改变时，产生VI W0的电压信号。测量电路与放大

6、器之间有1米长的连接线。1 .测量放大器的设计1.1 设计内容及要求a.差模电压放大倍数 Avd = 1500 ,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+7.5V7.5V范围内，共模抑制比 Kcmr >10 5 ；d.在Avd = 500时，输出端噪声电压的峰一峰值小于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）。1.2 设计原理原理概述放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子 系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类

7、型， 实际系统中常采用的 有测量放大器和隔离放大器。测量放大器又称为 数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥 . 流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、 高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放 大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定； 而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比(CMR) o它们通常不需要外部反馈

8、网络。测量放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎没 有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成，而且放大器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增和第二级电路的共摸抑制比的乘 积。在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测 量，由于 信号远离 运放，两者 地电位不统一，不可 避免地存在长线干扰 和传输网络阻抗不对称引人的误差。为了 抑制干扰，运放通常采用差动 输人方式。对测量电路的基本要求是：高输人阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引人的误差。高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引人的误差。高增益及宽的增益调节范围，以适应 信号源电平的宽范围

9、。以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型 的组合方式 有以下几种：同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器， 高共模抑制测量放大器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，

10、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。运算放大器组成的放大电路，按电路的性质可分为反相放大器，同相放大器和差 分放大器三种。按输入信号性质又可分为直流放大器和交流放大器两类。差分放大器分为（1）单端输入、单端输出（2）双端输入、单端输出（3） 单端输入、双端输出三种，而双端输入、单端输出型差动放大器常用于多级差分 放大电路的中间极或末极。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。测量放大器系统各个组成部分作用和指标：桥式电路：提供差动电压用来测试直流电压放大器的主要性能指标。信号变换放大器：把函数发生器单端

11、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， 具有高的差模电压增益，并 具有低漂移，低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试其差模放大倍数、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：该电源由单相220V交流电压供电，输出±15V直流电压，作为 整个系统的电源。图中K置2的位置，测直流电压放大器频率特性；K置1的位置，测直流电压 放大器的其他性能指标。1 . 3设计方案及实现方案论证与比较同相并联式高阻抗测量放大器电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互 相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优

12、点。线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模 输人电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调 及其漂移产生的误差也 相互抵消，因而不需精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将 双端输出转变为单端放大输出，以适 应接地负载的需要，后级 的电阻精 度则要求匹配。增益分配一般前级取高值，后级取低值。IkQRIO：R6 ：I -卜loko图一该测量放大器由运放U1和U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路。低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入阻抗高，放大倍数可调；但 是共模抑制比较小，实测只有104,共模抑制能力太差。/ U

13、iOP076n 1 OkQ15V-15VL 5P7 + 15V对测量电路的基本要求是：高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种： 同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器。抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载的需 要，电路如图一所示。它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿，以及 输出不包含共模信号等优点

14、，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下 降。方案一比方案二的抑制共模能力强，故采取方案一。2 .桥式电路桥式电路如下图所示。桥式电路四臂由三个电阻和一个电位器构成，并有土 15V 供电。改变电位器R2就可以改变输出电压Vi,经1米的屏蔽线，由开关K接到 直流电压放大器，作为直流电压放大器测试信号源。图三3 .信号变换放大器信号变换放大器主要功能是将函数发生器的单端输出Vi1变换成直流电压放大器的双端输入Vo。设计并制作一个信号变换放大器，参见图四。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。设计要求将函数发生器单端输出的正

15、弦电压信号不失真的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。 为了使信号不失真，就需保证电 路的对称性。图四同相放大器A1的电压增益Vol/ Vi1=1 ,反相放大器A2的电压增益Vo2 / Vi1=-1则总增益Vo / Vi1=( Vol Vo2)/ Vi1 =2下面推导信号变换放大器的电压增益关系式：对同相放大器，电压增益Vol / Vi1=R7/(R6+R7)(1+R9/R8)当 R12=R13=R14=R17=10K寸：Vo1= Vi1对反相放大器，电压增益Vo2 / Vi1 =-R18/R15当 R18=R15=10k 时：Vo2 =- Vi1反相放大器同相端对

16、地电阻R1劾平衡电阻，R16=R15/R18=5kQ总增益Vo/ Vi1 =2 。二:二:信号变换放大器；4Jda«iii.u.4ddaSii.i.i.冬力4 .直流稳压源4.1 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。交流电压变化范围为+ 10%15 %。4.2 电路设计及原理4.2.1 选择集成稳压器选三端固定稳压器LW7815,其性能参数为：Iomax=1.5A,最小输入输出压差 (Ui-Uo)min=3V,最大功率30W,最大输入电压8-40V,均能满足性能要求。4.2.2选电源变压器电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成

17、整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为 P2/ P1=” ,式中“是变压器的效率 通常根据变压器副边输出的功率 P2来选购(或自绕)变压器。副边功率P2 (W)<101030308080200效率40.60.70.80.85集成稳压器的输入电压 Ui=(12+3)/0.9=17V而变压器的副边电压 U2=Ui/(1. 1 1.2)=15V,I2>Iomax=1.5A变压器效率为0.7,则其功率P2>U2*I2=22.5W为留有余地，故选择功率25W勺变压器。4.2.3 选整流二极管及滤波电容选整流二极管可以选1N4002其极BM参数Urm>50V,

18、1.4*15=21V,If=1.5A,所以均满足要求滤波电容为C=IomaxT/2AUi=1500uF,它的耐压应大于21V,因而可取2200uF/25V 的电容。4.2.4 选稳压器由于要输出正负12V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，如图，78系列和79系列 的接法如下：CW78xx12 3xtL.wtx Itr0诃匕0.33gF匕地匕±CW79xx12 3地匕匕(a)(b)稳压芯片7915主要参数:输出电流1A输出电压15v1-地，GND2-输入3-输出稳压芯片7815主要参数:输出电流1A输出电压15v1

19、-输入2-地，GND3-输出LM7B15CT1MZ915CT,祐E -三:moi5.直流电压放大器直流稳压源原理图差模电压增益Avd= (1+2 R7/(R11+ R5) ) R6/ R4若取 R3 =R7= R8= R4= (R9+R10)=R6=10kQ ,98Avd= 1 + 2 R7/(R11+ R5)取 R11=0 时，Avd=1+2*10*1000/ (0+40) =501取 R11 为最大时，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2R10是调零电位器。集成运算放大器U1、U2、U3 U4 U5采用OP07其共模抑制比高、低噪声、高精度TSPOWER 10

20、 ro1MB41F =：*浏证二二, Cl lOOnF- 曜5 .6 .放大器性能测试放大器性能测试：首先调零，将输入端短接，即将输入信号置零，调节各个 电位器的调零电阻，直至输入电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用 万用表测电桥的输出电压，手动调节可变电位器，直至电桥的输出电压为5mv,然后用1米长的导线将电桥与放大器连接，用示波器观察测量放大器的输出波 形。对于测量放大器放大倍数的测量，设置放大倍数然后用万用表测电桥的输出电压 及测量放大器放大后的输出电压， 求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放 大倍数比较。测量放大器的频率响应测试：首先对信号变换电路进行调零，同样是将输入 短

21、接，即输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源， 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设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出 频率，得到不同频率下的放大倍数7 .仿真结果和分析7.1 各部分的仿真结果VCC115V:二二二二 wxtTL r 0P07EP；：；：血二二二：vca15V直流电压放大器仿真原理图O sci 11 oscope -XSC1次TimebaseChannel AChannel BTriggerEdge fj_ pT

22、 b 一 |Levelo| VType Sing. | Nor. | Auto | NoneScale 11 ms/DivX position |0| Y/T 也dd | B/4 |Scale | 500 rnV/OlvY position |0AC | 0 |DCGScale V/DlvY position |0AC | 0 | DC - | CR11为0时的输出波形仿真图* Osd 11 o%cop«-XSClR11为最大时的输出波形XFG1s -firR12 10kQwv-R13： IQkQ-3l4m U4 OF07EPR141OkQwv-R1I7 ：-wv-1OkQ :：R1

23、B ：-wv-ioko :R1：5IQkQ WV-R185k0 A/W-U5 OP07EP信号变换放大僵XSC1信号变换放大器原理图令 Osc i I Io scope -XSC1信号变换放大器输出波形图B5CL 直流稳压源原理图期 O 5 c i 11 osco pe-XSC 1区直流稳压源输入输出波形图7.2 电路总图的仿真结果vctsvKey =催口i710kQ 10kQ10kOVEE-15VHe , OWEPVO-J-ISV电路总图8 .主要电路参数计算8.1 通频带的计算压摆率是指在额定的满幅度输出条件下，运放输出电压的最大变化幅度，以Sr表示，即dVo/dt=awcoswt,Sr=

24、 | dV o/dt | max =aw题目要求输出电压为10V,通频带0100Hz,则压摆率至少要达到Sr=10 X100 X2 7i=6.28 X10-3 V/ 曲，使用的OP07的压摆率为Sr=0.17 X106V/ s,理论运放的通频带为f=Sr/2 念=0.17 X106/10/2 7=2.7 xl03Hz由于加了低通滤波，通频带为f=1/(2 ttRC)=1/(2 兀 >200 X0.002 X10-3 )=398Hz所以系统的理论通频带为0398Hz8.2 放大倍数计算差模电压增益Avd= (1+2 R7/(R11+ R5) ) R6/ R4若取 R3 =R7= R8= R

25、4= (R9+R10)=R6=10kQ , 98Avd= 1 + 2 R7/(R11+ R5)取 R11=0 时，Avd=1+2*10*1000/ (0+40) =501取 R11 为最大时，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2收获和体会通过本次设计实验，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

26、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 的电路图没有仿真出来，这一方面是由于时间比较紧，另一方面是由于对软件和 电路不是很熟悉，也说明电路的设计还有一些问题。由于对于理论知识学

27、习不够扎实，我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理， 遇到难处先是苦思冥想再向同学请教， 终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟 诸多平时学习难以理解掌握的较难知识， 学会了如何思考的思维方式，找到了设 计的方向。正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，只有自己动手做过了，才能 更贴切更深刻的掌握所学的知识，使自己进一步的提高。尽管课程设计是在期末 才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到 位，所以查阅资料使必不可少的，这就养成了我们自己学习的方式。这次课设没有做实物电路，仿真图中有一些问题，由于对 multisim 这个软 件运用得还不是很熟练，还有一些问题不能解决。总的来说，课程设计是一门与专业机密相关的课程， 给了我很多专业知识,同时在一定程度上提高了我的专业技能，还教给我许多的道理。通过课程设计， 我不仅学到了知识，而且从中学到了解决问题的方法，这也是一个锻炼自己的机 会。元件清单元件名称数值个数