低频测量放大器设计

1、低频测量放大器设计第1页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节；最大输出电压为10V，非线性误差 105 ；在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；通频带010Hz ；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）；温度测量范围：环境温度100，误差为2 设计要求第2页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日基本原理系统设计原理框图：温度传感器集成运放/滤波测量放大器单片机（A/D）LCD显示第3页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日1、温度传感器模块设计方案一：使用

2、MSP430内置的16位Sigma-Delta型ADC中的集成温度传感器。SD16模块中任一ADC选择通道6即可测量内部温度传感器的输出电压，以此获得芯片温度。当单片机处于低功耗运行时，芯片温度和环境温度近乎相等。方案二：使用WZP型铂电阻温度传感器Pt1000 。其线性度相对较好，耐氧化能力很强，并且温度范围宽 。第4页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日最终方案确定： 结合题目要求与测量精度和灵活度的要求，选择采用WZP型铂电阻温度传感器Pt1000 。第5页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日温度传感信号处理电路 基本的恒流源电路见图2，用铂电阻R

3、T代替反相放大器的Rf，根据反相放大器的公式可以得到： Vi，R1固定后，流过RT的电流恒定，Vo与RT成正比，从RT的变化可以得到相应的电压的变化，从而实现了电压输出，并且线性度保持不变。第6页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日温度传感信号处理电路 理想温度传感电路在0时输出电压为0 V，而在图1中RT=1 000.8 ，代入式(1)得到的Vo不为0，所以需要对电压进行调零。实现的方法是在图2中的运放的同相端加一个输入电压进行调整，如图3所示。实际中还需并联降噪电容器，取值1F，R均取 。第7页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日测量放大器电路测量放

4、大器要求对共模信号具有强抑制能力。第8页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日 三运放差动放大电路带电压跟随器，可以获得很高的输入电阻，即在差动放大电路两个输入端各加一个电压跟随器。由图得：电阻Rp的电流：运放A1与A2输出电压之差：由上两式得：第9页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日 运放A1及A2对差模信号放大 =25倍，对共模 信号只起跟随作用，即将差模信号与共模信号之比提 高了 =24倍，从而提高了电路的共模抑制比。 采用同相输入，有利于提高输入阻抗，再加之电压跟随器具有高输入阻抗，因此输入阻抗趋于无穷，满足设计要求。 电路要求：a. 运放A1、

5、A2的特性一致性。b. 电阻要精密配合。第10页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日实际电路及指标第11页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日后端集成放大电路 第12页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日第1级差模放大倍数Av1：Av1=1+R1/R2 =4第2级差模放大倍数Av2：Av2=1+R6/R5=5;其中R14调为40k即后级集成运放增益为20第13页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日 前端测量放大器与后端集成放大器之间加入二阶低通滤波器，有如下关系： 同相放大器的电压放大倍数k = 1+R1/R2 品

6、质因数： 截止频率： 经计算各指标已在电路图上标明 第14页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日单片机A/D转换模块 前端加入RC滤波器，电容提供大部分电荷，R将运放输出与电容隔开，使之呈现无跳跃的阻抗。第15页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日 单片机内部基准电压Vref=1200mV条件下，ADC数据格式设置为“有符号”时，0V对应采样值为0，Vref/2（600mV）对应ADC采样值为32767。设ADC采样值为D，输出电压为：摄氏温度=V/温度系数(3.851mV/ ),最终得：第16页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日直

7、流稳压电源模块 直流稳压电源电路主要由变压部分，整流部分，滤波部分，稳压部分组成，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电压输出。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15V输出的变压器即满足要求，对于该稳压电源的基本原理如下其电路如图所示：第17页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日第18页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日程序设计 针对MSP430编写相应的C语言程序，共有温度采集和显示两大模块，最后附加校准程序。第19页，共2

8、8页，2022年，5月20日，22点45分，星期日主程序Void main(void) int i; long int DegC; WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; FLL_CTL0|=XGAP18PF; for(i=0;i1000;i+); /让时钟稳定 SD16CTL=SD16REFON+SD16VMIDON+SD16SSEL0; /开启内部1.2V基准源，开启缓冲器，ADC时钟为SMCLK（默认1.048MHz） SD16CCTL0|=SD16SNGL+SD16DF; /单次采样，输出为有符号数 SD16INCTL0|=SD16INCH_0+SD16GAIN_n; /通道0，放

9、大n倍 for(i=0;i500;i+); /让基准电压稳定 BTCTL=0; LCD_Init();第20页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日 while(1) int Voltage; _EINT(); ADC0_Flag=0; SD16CCTL0|=SD16SC; /开始采样 while(ADC_Flag0=0) LPM0; Voltage=(int)ADC_Result0; while(SD16CCTL0&SD16IFG)=0); DegC=(long int)Voltage*3120)/65536; /计算摄氏温度 LCD_DisplayDecimal(DegC

10、,1); /显示温度，带1位小数 LCD_InsertChar(DT); /”。” LCD_InsertChar(CC); /C,显示： for(i=0;i30000;i+); 第21页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日中断服务程序（三通道）char ADC_Flag3=0,0,0;Unsigned int ADC_Result3;#pragma vector=SD16_VECTOR_interrupt void SD16ISR(void) switch(SD16IV) case2: break; /SD16超量程，不处理 case4: ADC_Result0=SD16M

11、EM0; /ADC0 ADC_Flag0=1; break; case6: ADC_Result1=SD16MEM1; /ADC1 ADC1_Flag1=1; break; case8: ADC_Result2=SD16MEM2; /ADC2 ADC2_Flag2=2; break; _low_power_mode_off_on_exit();第22页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日LCD显示部分#define d 0 x01#define g 0 x02#define b 0 x04#define a 0 x08#define DP 0 x10#define e 0

12、x20#define f 0 x40#define c 0 x80#define NEG 0 x02const char LCD_Tab = a+b+c+d+e+f, /”0” b+c, /”1” a+b+d+e+g, /”2” a+b+c+d+g, /”3” b+c+f+g, /”4” a+c+d+f+g, /”5” a+c+d+e+f+g, /”6” a+b+c, /”7” a+b+c+d+e+f+g, /”8” a+b+c+d+f+g, /”9”;第23页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日#undef a#undef b#undef c#undef d#undef

13、e#undef f#undef g第24页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日void LCD_DisplayDigit(char Digit,char Location) char DigitSeg; char *pLCD; DigitSeg=LCD_TabDigit; pLCD=(char*)&LCDM1; pLCDLocation=DigitSeg;第25页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日void LCD_DisplayNumber(unsigned int Number) /无效0消隐显示正整数 char *pLCD; char DispBu

14、ff5; /有效数字拆分结果 char i; pLCD=(char*)&LCDM1; for(i=0;i0;i-) if(DispBuffi=0) DisBuffi=255; else break; for(i=0;i5;i+) /依次显示 if(DispBuffi=255) pLCDi=0; else LCD_DisplayDigit(DispBuffi,i); 第26页，共28页，2022年，5月20日，22点45分，星期日void LCD_DisplayDecimal(int Number,char DOT) /显示正、负、小数 char *pLCD=(char*)&LCDM1; char Negative=0; if(Number0) Number=-Number; Negative=1; LCD_DisplayNumber(Number); pLCDDOT|=DP; if(Negative) pLCD5=NEG; else pL