模電課設測量放大器

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1、武漢理工大學《模擬電子電路》課程設計說明書 課程設計任務書 學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 測量放大器設計 初始條件：集成運算放大器LF411，三端固定穩(wěn)壓器CW7812, 25W電源變壓器，若干電容電阻及二極管 要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求） 1、設計一測量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。 ① 差模電壓放大倍數(shù)Ad=1

2、00-5000。 ② 最大輸出電壓為10v，非線性誤差小于5%。 ⑥在滿足基本要求中對輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為0-1000Hz。 時間安排：第19周理論講解，時間：禮拜五5，6，7、8節(jié) 地點：鑒三204 第20周理論設計、實驗室安裝調試，地點：鑒主8樓電工電子實驗室 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄 一. 設計內容及要求 二. 設計原

3、理 三. 設計方案及實現(xiàn) 3．1 方案1及電路圖 3．2方案2及電路圖 3．3方案3及電路圖 3．4方案4及電路圖 3．5 直流穩(wěn)壓電源原理圖 四．PSpice仿真分析及波形圖 五．課程設計的收獲體會 六．元器件清單 七主要參考文獻資料 摘要 放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對于學習和應用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實際系統(tǒng)中常采用的有測量放大器和隔離放大器。 測量放大器又稱為 數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應變電橋.流量計，生物電測量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號的檢測。

4、 測量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點，因此得到廣泛的應用 在工業(yè)自動控制等領域中，常需要對遠離運放的多路信號進行測量，由于信號遠離運放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長線干擾和傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引人的誤差。為了抑制干擾，運放通常采用差動輸人方式。對測量電路的基本要求是：高輸人阻抗, 高共模抑制比, 高增益及寬的增益調節(jié)范圍。 本次設計通過采用儀用放大器的改造來實現(xiàn)設計一測量放大器及其所用的穩(wěn)壓電源,并滿足其高輸入阻抗和高共模抑制比及高通頻帶的要求.。 測量放大器的設計

5、 一. 設計內容及要求 1、設計一測量放大器及其所用的直流穩(wěn)壓電源。 ① 差模電壓放大倍數(shù)Ad=100-5000。 ② 最大輸出電壓為10v，非線性誤差小于5%。 ⑤在Av=500時，輸出噪聲電壓的峰-峰值小于 1V。 ⑥在滿足基本要求中對輸出端噪聲電壓和共摸抑制比要求的前提下，將通頻帶展寬為0-1000Hz。 二.設計原理 原理概述 放大器是電子系統(tǒng)的重要組成部分，了解和掌握放大器對于學習和應用電子系統(tǒng)有很大的幫助。信號檢測中的放大電路有很多種類型，實際系統(tǒng)中常采用的有測量放大器和隔離放大器。 測量放大器又稱為 數(shù)據(jù)放大器或儀表放大器，常用于熱電偶，應

6、變電橋.流量計，生物電測量以及其他有較大共模干擾的支流緩變微弱信號的檢測。 測量放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點，因此得到廣泛的應用。差分放大器和測量放大器所采用的基礎部件（運算放大器）基本相同，它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡決定；而差分放大器和測量放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡。 測量放大器的第一級只對差摸信號有一定的放大作用，而對公摸信號幾乎沒有抑制作用，對公摸信號幾乎沒有抑制

7、作用主要由第二級電路來完成,而且放大器的共摸抑制比約為第一級電路的差摸電壓增和第二級電路的共摸抑制比的乘積。 在工業(yè)自動控制等領域中，常需要對遠離運放的多路信號進行測量，由于信號遠離運放，兩者地電位不統(tǒng)一，不可避免地存在長線干擾和傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引人的誤差。為了抑制干擾，運放通常采用差動輸人方式。對測量電路的基本要求是： ①高輸人阻抗，以抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡電阻不對稱引人的誤差。 ②高共模抑制比，以抑制各種共模干擾引人的誤差。 ③高增益及寬的增益調節(jié)范圍，以適應信號源電平的寬范圍。 以上這些要求通常采用多運放組合的電路來滿足，典型的組合方式有以下幾種：同相串聯(lián)式高阻測量放大器，

8、同相并聯(lián)式高阻測量放大器，高共模抑制測量放大器 用分離元件構建測量放大器需要花費很多的時間和精力，而采用集成運放放大器或差分放大器則是一種簡便而又可行的替換方案。 用集成運算放大器放大信號的主要優(yōu)點: （1） 電路設計簡化，組裝調試方便，只需適當配外接元件，便可實現(xiàn)輸入輸出的各種放大關系. （2） 由于運放得開環(huán)增益都很高，用其構成的防大電路一般工作的深度負反饋的閉環(huán)狀態(tài)，則性能穩(wěn)定，非線性失真小。 （3） 運放的輸入阻抗高，失調和漂移都很小，故很適合于各種微弱信號的放大。又因其具有很高的共模抑制比，對溫度的變化，電源的波動以及其他外界干擾獨有很強的抑制能力。 運算放大器組

9、成的放大電路，按電路的性質可分為反相放大器，同相放大器和差分放大器三種。按輸入信號性質又可分為直流放大器和交流放大器兩類。 差分放大器分為（1）單端輸入、單端輸出（2）雙端輸入、單≥≥≥端輸出（3）單端輸入、雙端輸出三種，而雙端輸入、單端輸出型差動放大器常用于多級差分放大電路的中間極或末極。 三．設計方案及實現(xiàn) 方案論證與比較 1． 方案一 同相關聯(lián)式高阻測量放大器。線路前級為同相差動放大結構，要求兩運放的性能完全相同，這樣，線路除具有差模、共模輸人電阻大的特點外，兩運放的共模增益、失調及其漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消，因而不需精密匹配電阻。后級的作用是抑制共模

10、信號，并將雙端輸出轉變?yōu)閱味朔糯筝敵?，以適應接地負載的需要，后級的電阻精度則要求匹配。增益分配一般前級取高值，后級取低值。 該方案電路結構簡單，易于定位和控制。但要調節(jié)增益不能實現(xiàn)，不能滿足能連續(xù)調節(jié)的要求。 該測量放大器由運放U1和U2按同相輸入接法組成第一級差分放大電路，運放U3組成第二級差分放大電路，Rw和R3,R4組成反饋網(wǎng)絡，因而引入了負反饋。 U16-U26=(V1-V2)(2R3+Rw)/Rw=(1+2R3/Rw)(V1-V2) 又由第二級差分放大電路中的反相比例器的輸入輸出關系知 Vo=-R7/R5(U16-U26) 綜合以上關系可知 Av=Vo/(V1-

11、V2)=-R7/R5(1+2R3/Rw) 2.方案二 電路結構與方案一基本相同，只是采用電位器來替代Rw，以實現(xiàn)增益的連續(xù)調節(jié)。也可以用電位器來代替R7或者R8,就沒能實現(xiàn)更大幅度的增益的調節(jié)，以滿足不同的需要。電路圖如下 3方案三 電路結構與方案二基本相同，只是為了達到增益調節(jié)的要求，考慮用兩片R-2R的D/A代替上圖中的Rw，結合單片機通過改革D/A的電阻網(wǎng)絡來改變公式中Rw值，從而改變增益。其優(yōu)點是輸人電阻大，兩運放的共模增益、失調及漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消。其缺

12、點是由于電阻匹配的要求而使用了兩片D/A，即增加了控制的工作量，又提高了成本，而且精度也不能滿足要求。 方案4 簡單的測量放大器是由儀器放大器和可變增益放大器級聯(lián)而成。如將R-2R的D/A看成一個可數(shù)控的電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)增益可變放大，其放大倍數(shù)將由單片機送到D/A的數(shù)據(jù)決定。 該種方法的優(yōu)點是電路簡單，單片機控制也不復雜，易于實現(xiàn)，但是其電路結構決定了它不能滿足發(fā)揮部分提出的放大倍數(shù)步距為1的要求，該電路的Di和放大倍數(shù)的關系如圖三所示，而且前級零漂會影響后級，特別是在后級放大倍數(shù)很大時，影響更大。 4.比較后選擇的方案及合適器件 綜合以上四種方案分析

13、可知.： 第一種方案電路結構簡單，易于定位和控制。測量放大器的第一級由兩個同相放大器采用并聯(lián)方式，組成同相并聯(lián)差動，該電路具有輸入阻抗高的特點但要調節(jié)增益不能實現(xiàn)，不能滿足能手動調節(jié)的要求。 第二種方案基本包含了方案一的優(yōu)點，在此基礎上增加了一電位器，使得能方便的調節(jié)，由于在實際中很難達到電阻的精確匹配，運算放大器也不可能達到完全一樣，而通過電位器調節(jié)既方便有節(jié)約成本，總體上能滿足設計的需求，也由于其對稱性方便調試。 第三種方案的優(yōu)點是輸人電阻大，兩運放的共模增益、失調及漂移產(chǎn)生的誤差也相互抵消。其缺點是由于電阻匹配的要求而使用了兩片D/A，增加了控制的工作量，又提高了經(jīng)濟

14、成本，而且精度也不能滿足要求。 第四種方案的優(yōu)點是電路簡單，單片機控制也不復雜，比較易實現(xiàn)，但是其電路結構決定了它所需要的技術要求與經(jīng)濟成本要更高，它的前級零漂會影響后級，特別是在后級放大倍數(shù)很大時，影響更大。 故經(jīng)過對比其優(yōu)缺點后，第二種方案最為合理經(jīng)濟?，F(xiàn)在再選擇器件。 元器件的選擇是高性能放大的保證，圖中運放U1和U2的參數(shù)必須盡可能相同，因此選用雙運放，其他的運放也應選共模抑制比高的，這要通過試驗來挑選。同時，為了提高共模抑制比，對稱的電阻必須精密匹配，可用電橋測量法找出阻值最接近的電阻。由于對放大電路的頻帶也有要求，所以選運放和調試時還必須注意其頻響。為達到輸

15、入阻抗較高的要求，R1=R2=10k,R3=R4=300k,R5=R6=100k, R7=R8=500k,這樣達到對稱，根據(jù)以上增益公式Av=-(1+2R3/Rw)R7/R5,我選擇Rw的最大阻值為500k，最低增益略大于100，且能連續(xù)向上增大調節(jié)。而第一級的雙運算放大器采用一對uA741或者LF411，以達到運放的精確匹配，以實現(xiàn)對差模信號的放大作用，后一級差分運放也用uA741或者LF411型，以實現(xiàn)共摸的抑制的良好效果。 5直流穩(wěn)壓源的設計 1選擇集成穩(wěn)壓器 選三端固定穩(wěn)壓器CW7812,其性能參數(shù)為：Iomax=1.5A,最小輸入輸出壓差

16、(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大輸入電壓8-40V，均能滿足性能要求。 2選電源變壓器 通常根據(jù)變壓器的副邊輸出功率的大小來選購變壓器。 集成穩(wěn)壓器的輸入電壓Ui=(12+3)/0.9=17V 而變壓器的副邊電壓U2=Ui/(1.1～1.2)=15V,I2>Iomax=1.5A 變壓器效率為0.7,則其功率P2>U2*I2=22.5W 為留有余地，故選擇功率25W的變壓器。 3選整流二極管及濾波電容 選整流二極管可以選1N4002，其極限參數(shù)Urm≥50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均滿足要求 濾波電容為C=IomaxT/2△Ui=1

17、500uF,它的耐壓應大于21V,因而可取2200uF/25V的電容。 四.進行PSpice仿真分析 如下圖為其靜態(tài)工作點的掃描分析結果 圖4-1-1 分析知各運放的周圍引腳電壓電流基本正常說明靜態(tài)工作點基本正常。 1對誤差的分析，測試條件：輸人差模電壓 輸入差模電壓/mV 設定放大倍數(shù) 輸出差模電壓/V 實測放大倍數(shù) 放大倍數(shù)相對誤差 1.0 500 0.51 510 -2% 0.5 1000 0.49 980 2% 1.5 200 0.29 197 1.5% 2.0 150 0.31 155 -3.3% 3.

18、0 100 0.29 97 3.0% 5.0 100 0.51 102 -2.0% 由上圖分析可知放大倍數(shù)誤差范圍在5%之內，符合設計要求。 2波形及增益的分析 下圖4-2-1為輸入Vi=1mV ,Av=-40時Vi,Vo 的波形，算得增益大約為-40左右,符合理論值 圖4-2-1 3輸入阻抗的分析 下圖為輸入Vi=1mV ,Av=-2000時輸入阻抗與輸出阻抗的頻率特性曲線,輸入阻抗為約2M 圖4-3-1 圖4-3-2 上圖4-3-2Vi=1mV ,Av=-80時Vi,Vo 的波形，算得增益大約為-80左右,符合理論值 下圖4-3-3為

19、輸入Vi=1mV ,Av=-2000時Vi,Vo 的波形，得增益大約為-2000左右符合理論值 圖4-3-3 即仿真結果基本與理論值相符. 4共模抑制比及通頻帶的分析 圖4-4-1 上圖4-4-1為共摸增益的頻率響應 圖4-4-2 上圖4-4-2為設定增益為40倍時的茶摸增益的頻率響應通頻帶在0-1kHz 左右,說明結果符合理論值 圖4-4-3 上圖為茶模增益的頻率響應,故共模抑制比為Kcmr=44-(-96)=140DB,滿足要求. 五.收獲、體會和建議 通過本次設計實驗，讓我懂得首先要對設計原理搞懂，才能在設計內容方面游刃有如。我也從中加深了對差分放大

20、器的各項指標的理解與應用，例如它的共摸抑制比，輸入輸出阻抗的大小，通頻帶與增益之間的關系，我掌握了測量放大器的性能測量方法。 最重要的是我能不斷嘗試,由不了解該軟件的用法而變得了解,并且還不斷換元件,如運放uA741,LM324,LF411等等,以及對電源的設置來驗證我自己的猜想.。 其中遇到想不透的問題，如當我分別輸入差模增益與共摸增益時，輸出都能正常放大，但不知為什么當輸入兩者的疊加的信號時，卻不能正常的放大，還有如加有那個20M的電阻為什么對電路的影響特別大，但也通過參考與咨詢了解到其中的一些道理所在。 其次，在實驗前要作好充分的預習與實驗要求的數(shù)據(jù)記錄，在實驗時遇到問題要保持

21、冷靜，要注重聯(lián)系書本知識積極思考，例如我在對電路的PSpice仿真過程中，開始時波形一直不符合理論上期望，連靜態(tài)工作點都不對，后來才發(fā)現(xiàn)原來我沒有給運算放大器提供直流偏置，即沒有提供直流電源。 同時，我也學會了在無法施展你的設計時，應該學會充分利用已有的可利用的資源，例如圖書館的書本資源，課本上的資源以及因特網(wǎng)上的充如的資源，但是最重要的是要弄懂別人的原理與設計思路，從而拓寬自己的視野與思路，化別人為己用。 此外，我基本對Capature/SPICE軟件有一定的了解,該軟件不僅對模擬電路進行靜態(tài)工作點分析，直流掃描分析，交流掃描分析，瞬態(tài)分析，而且可以進行蒙特卡諾分析，最壞情況分析

22、，并且具備電路參數(shù)優(yōu)化的功能。Capture能生成各類模擬原理電路圖，而PSpice可以對模擬數(shù)字電路混合電路進行仿真分析，還可以對波形進行各種運算處理。所以它是目前電子線路輔助分析方面最流行的應用軟件。我也從中學習到電路仿真的一般步驟，即先新建仿真設計項目，然后輸入原理電路結構圖并連接好線路，接著編輯修改元件標號和參數(shù)值，再接著新建所需要的仿真簡要表，執(zhí)行仿真，如果有原理及連線的錯誤，就要重新修改后再執(zhí)行仿真，最后查看輸出的仿真結果。 在畫原理圖中，通過在元件庫中尋找，我熟悉了幾項基本的元件類型及關鍵字，如Q代表NPN或者PNP的BJT，而M代表N或P溝道的MOSFET，J代表JFET，以

23、及各種類型的運算放大器的符號標志和其參數(shù)，還有各種直流和交流電源的符號區(qū)別以及怎樣修改其默認的參數(shù)值，例如如果對電路進行交流掃描分析，電路中信號源屬性中的AC值必須設置，否則達不到要求的結果。 而在連線過程中，我了解到只有連線端口與元器件的引腳準確對接，在電學上才認為它們是連通的。而且兩條連接線十字交叉處或者丁字形交叉處相接時，只有在交點處出現(xiàn)圓形實心點，才表示電學上相連。 而在進行模擬仿真時，我懂得應該首先進行靜態(tài)工作點(BiasPoint)分析，以確定電路各部分是否正常工作，然后在進行交流(ACSweep)分析，之前要檢查所Trace的表達式的合理性，開始時我得到的波形不太理想，只

24、有返回檢查電路的參數(shù)及原理正確合理性。 六.元器件清單 1 運算放大器LF411 三個 2．100pF/25V電容 兩個 3．500k歐電阻 兩個 4.300k 歐電阻 兩個 5.10k 歐電阻 四個 6．最大阻值250k歐的電位器 一個 7．1k歐電阻 一個 8．集成穩(wěn)壓器CW7812 一個 9．整流二極管1N4002 四個 10．濾波電容2200uF/25V 11. 0.1uF電容 一個 12.0.33uF電容 一個 13．25W的電源變壓器 14若干導線 七. 主要參考文獻資料 1、《電子線路設計實驗測試》 第三版，謝自美 主編，華中科技大學出版社2、《新型集成電路的應用――電子技術基礎課程設計》，梁宗善主編，華中科技大學出版社 3、《電子技術基礎課程設計》，孫梅生等編著，高等教育出版社 4、《電子技術基礎》 第三版 康華光主編，高等教育出版社 5. 《模擬電子技術基礎》第三版 清華大學電子教研組 ，童詩白主編北京：高等教育出版社 6．《電子CAD與OrCAD實用教程》 王輔春 北京：機械工業(yè)出版社 7．《1999年全國電子競技大賽試題分析》 人民郵電出版社 8．網(wǎng)址： 9．網(wǎng)址：