基于三运放的仪表放大器的设计与制作

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传感器与检测技术

（信号检测部分）

试验指导书

检测与控制试验中心编著

重庆邮电大学自动化学院

检测与控制试验中心

2023.3.27

试验一、基于三运放的仪表放大器的设计与仿真

一．试验目的：

1把握仪表放大器的结构原理：

2熟练应用Proteus仿真平台，设计电路原理图；并生成电路板图；3把握基本焊接技术。

二．实训工具：

Proteus仿真平台

三．三运放构成仪表放大器的原理：

随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种缜密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用便利等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调理、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻预置。

这个特别的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。

2.构成原理

仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变状况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：

G=(1+2R1/Rg)Rf/R3。由公式可见，电路增益的调理可以通过改变Rg阻值实现。

3.设计应用

仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。

由3个缜密运放OP07组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。

本仪表放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。

在理论上说明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个十分有用的特性。

四、试验步骤：

1）在Proteus仿真平台上，设计三运放组成的仪表放大器的原理图。两信号输入端均接地，调理本单元的电位器W2，使输出端U0电压为零。

2）在Ui1及Ui2的两端输入正弦波信号，并用示波器观测U0与Ui的幅值及相位关系，同时调理本单元的电位器W1，观测输出信号幅度的变化。将结果记入下表中。

Ui(V)UO(V)Ui波形UO波形UO与Ui的关系五、试验内容：

1.基本要求

设计一个基于三运放仪表放大器组成的信号调理电路：（1）信号调理电路的输入阻抗≧500K?；

（2）测量输入直流微电压范围±400mv，分辩率±10mv；输出电压范围：±2000mv2.发挥部分

（1）提高测量输入直流微电压范围为±600mv或提高分辩率为±5mv，或两者同时提高，误差≦5%；

（2）其它(如进一步提高分辩率等)。

试验二、基于单片机控制的直流微电压测量系统设计

一、任务

设计并制作一套直流微电压测量装置，用来测量输入的正负直流微电压，并将结果显示在液晶屏上。整个系统的示意图如图1所示。

＋－U信号调理（放大、滤波等）－＋AD转换MCU处理液晶显示

图1直流微电压电流测量示意图

二、要求

1.基本要求

（1）信号调理电路的输入阻抗≧500K?；

（2）测量输入直流微电压范围±400mv，分辩率±10mv；

（3）测量结果显示在液晶屏上（负电压在数值前显示“—〞号），误差≦10%。

2.发挥部分

（1）提高测量输入直流微电压范围为±600mv或提高分辩率为±5mv，或两者同时提高，误差≦5%；

（2）其它(如进一步提高分辩率等)。

三、说明

（1）整个系统采用5V电压供电，可由直