2013年北京工商大学电子竞赛设计方案

11/112013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,滤波器目录系统方案设计、比较及论证…………3采用多极三极管放大电路……………3采用一阶同相比例运算放大器………3采用两级比例运算放大器……………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理论分析与公式计算…………………。4反相比例运算电路……………………．4同相比例运算电路……………………．4有源低通滤波器电路…………………。5放大倍数计算…………．5电路设计………………。5滤波器电路…………….5同相比例运算电路……………………。6限压电路……………….。6综合电路图……………。。7测试方案及测试效果…………………。。8测试所用仪器…………..。8测试方案及测试数据及测量条件……。。８测试方案…………………8测试条件…………………8测试数据…………………9测试总结………………。．10测试结果总结……………………．.。10测试结果分析……………………。.。10实验感悟反思总结………………。。１０附图与附表………………………1１系统方案设计，比较及论证根据题目要求,提出了三种方案：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：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：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。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。理论分析与公式计算反相比例运算电路: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。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电路设计: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:实现放大倍数为10实现通频带为0～1０0Hz减小噪声电压的峰-峰值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:最大电压放大倍数为２0倍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。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。综合电路图：放大200倍电路发挥部分放大500倍电路图1测试方案及测试效果：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。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％0５％1０.0130。92９50%0。55０%100。713５0。92920％0．220%40.14３10。2141０0%１50%１０1。30593。214１0０％1７0%１41．8２８13０。５７1100%180％1６2。0８914９。214100%190%１82.34916７.786１00％19５%19２。48１１７7。2１４100％１100%202．61１86。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％05％1０。0030．２14５0％0.550%1０1.84３1３１。64320%０.２20%４0。9１765.50０100%150%103。38624１。８57100%170％144。74１3