弱信号放大电报告

课 程 设 计 实 验 报 告

弱 信 号 放 大

院 系：物理与电子信息学院

专 业：07电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师: 李天超老师

课题名称:弱信号放大电路设计 设计要求：

A． 采用电阻应变片作为传感器 B． 有直流电桥作为应变片的测量电路

C． 利用放大电路将电桥输出的毫伏级（1-3mV）弱信号进放大到伏级（2V

以上）

D． 放大后的信号来控制后继电路

功能要求：外力作用于应变片，将产生的弱电信号，经放大输出来控制后续电

路。

己知条件：电阻应变片一片、集成运放LM258P两片、LM393一片、HA17741

一片、继电器G5V-1、三极管S8050以及其它一些电阻、电容等。

学习要求：进一学习电阻应变片、MFB电路、集成运放电路、比较器、继电器，

掌握电路调试技术。

Ⅰ、弱信号放大电路选择论证

常用的信号放大电路常用的有BJT晶体管放大电路、JFET晶体管放大电路、CMOS放大电路，集成电路运算放大器等。

1）BJT晶体管放大电路:

属电流控制电流型的器件。

优点:放大控制电路简单、方便 价格便宜 缺点:电流和电压增益小

2）JFET晶体管放大电路

属电压控制电流型器件。

优点：低噪声，电压增益相对较高，输入电阻高

3）CMOS 放大电路

NMOS FET T1和PMOS FET T2构成的互补放大电路

优点：电压增益较高，单级可达30-60dB,功耗低，热稳定性好。 缺点：击穿电压很低，非常容易受静电影响 4）集成运算放大器

高增益的多级直接耦合放大电路

优点：电压放大倍数高，其开环电压增益可达106或更高，负载能力强，对弱信号放大能力强。价格低廉,技术指标适中,产品的可选择面大对于各种实际设计任务的要求，都可选出合适的集成运算放大器。

缺点：不能满足技术指标要求高的产品应用,不能满足一些特殊的技术服务。

通过以上对不同信号放大电路性能的分析和设计任务书的设计要求，选择集成运算放大器做为弱信号放大。电压放大倍数高，负载能力强，能完全满足此设计中弱信号放大的要求。

Ⅱ．电路原理框图

外 力 应变电阻 传感器 弱信号 处 理 控制输出 负 载 系 统 电 源

图1 电路原理框图

Ⅲ．单元电路设计

1.应变电阻传感器电路设计 1.1电路功能说明

该电路为电阻应变片的直流电桥测量电路，

当应变片受到外力而形变，使得其阻值发生相对变

化，改变电桥平衡，使得输出一定的微弱电压差，经后级电路进行放大。

图2 应变片测量电路

1.2应变电阻传感器电路参计算

己知：电阻应变片静态电阻为120R，为了电路调试方便先用R1=120R代替。 电桥平衡R1R3=R2R4 ，取R4，R3=120R，R2用来电桥调平，故取电位器，根据电桥其它电阻值，取标称值1K。

磁珠作用：其功能主要是消除存在于传输线结构（电路）中的RF噪声，RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有

用信号，而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射（EMI）。要消除这些不需要的信号能量，使用片式磁珠扮演高频电阻的角色（衰减器），该器件允许直流信号通过，而滤除交流信号。

2.弱信号处理电路设计

2．1二阶低通滤波电路设计

2．1．1 电路功能说明

前级电路中+5V电源一般是用50的交流电源经整流、滤波、稳压后得到，往往输出带有50 Hz或100 Hz的纹波电压，使电路的电流产生波动而形成干扰电压。特别是第一级，由于电源产生的干扰电压将被后续各级放大而使输出端产生较

图3 二阶低通滤波电路

大的干扰电压，影响测量结果，故在对信号进行放大之前，先经过低通滤波电路滤除杂波，低通滤波

电路有电压控制电压源电路和无限增益多路反馈电路，无限增益多路反馈电路（MFB）具有倒相作用，使用元件较少，通带中具有最平幅度特性，故采用此电路,同理运放的+12V供电电源中也有纹波也需滤波，这里选择+12V与地之间加电容构成去耦电路。

2．1．2二阶低通滤波电路参数计算

由2.1.1电路功能说明可知，选择截止频率f≤50Hz,同时考虑到通带到阻带衰减过渡，故取f=40 Hz LM258P电压增益取AV=6。电路如图3所示，应用查表方法C1取1uF，K=100/(C1*f)=2.5，查二阶低通滤波器设计表可得：

AV=6,K=1时：C2=0.05*C1=0.05Uf(电阻单位取K)

R1=1.697 R2=10.180 R3=4.977

K=2.5时： R7=2.5R1=4.2425 (R8+R10)=2.5R2=25.45

(R9+R10)= 2.5R3=12.4925

取标称值得： R7=4.3 R8=24 R10=1.5 R9=10 R11=2.4

在电源引脚和地端间加一钽电容（10uF-30uF）防止低频干扰，加一独石电容（0.01uF-0.1uF）防止高频干扰

取C4=0.1uF,C6=47 uF(其它+12V电源与地间的去耦电容取值都一样) 2．2集成运放调零电路设计

2．2.1电路功能说明

1）运放作为直流放大器用时，受输入失调电压和

输入失调电流的影响，在无输入电压时，输出依然有电压，这样在经过后续放大电路放大后会影响电路功能，综合考虑在滤波电路之后加一调零电路，在此选择HA17741，它自身带有调零电路，可通过调节电位器R14来消除失调误差；同时电路具有放大作用。

图4 调零电路

2）在较大的反馈电阻和偏置电流情况下，需要平衡

电阻来消除偏置电流附加的失调电压。

3）由于前级二阶低通滤波电路滤波之后仍有一定杂波，会对后级电路产生影响，故需滤除，此处选择电容构成旁路电路。 2.2．2运放电路调零电路参数计算

1）由之前分析可选择C7=C10=C12=0.1uF,C8=C9=C11=47uF; 2)平衡电阻R12=R13||R15=10K

3）AV =R15/R13=6，R15取100K，R13取10K

2.3 放大电路设计

2.3.1电路功能说明

图3、图4电路也有一定的放大作用，由于电阻应变式传感器产生的电压信号非常微弱，故需要采用多级放大电路，经图5电路进一步放大。

图5 放大路设计

2.3.2放大电路参数计算

R16、R18、R17、R19、R20、R21计算可参照以上电路中的计算 其中R21用电位器，根据需要来灵活调节电压增益。

3．控制输出电路设计

3．1功能说明

如图6所示,前级放大的信号从比较放大器LM393的3端输入,当高于基准电压时,由于LM393处于开环状态,开环增益将会很高,输出电压将会接近+12V,为三极管Q1提供静态工作电压，使Q1导通，进而使继电器工作来控制负载工作；当低于基准电压时,输出将接近-12V，Q1截止。其中LM393，如图7所示其输出级集电极开路，需在输出端加上拉电阻，才能使输出级的三极管工作，进而实现

上述功能。

图7

图6 控制输出电路

3.2控制输出电路参数计算

己知继电器的线较圈额定电压UK=12V,额压电流IK=12.5mA,线圈电阻R=960R,三极管放大倍数β=100,VBEQ=0.7V,VCEO=0.2V,三极管与继电器的电路如图7所示.

Ib=12.5mA/100=0.125 mA 当LM393输出高电平时，即+12V R27=12V/0.125 mA=90.4K 取标称值100K

当LM393输出低电平时，即-12V，灌电流为1 mA R26min=24/1 mA=24K,即上拉电阻最小取24K

图6中用来调节基极电压的电阻可以自行合理取值即可。

Ⅳ、系统电路图设计

1．电路原理图

2．电路布线图 图8电路原理图

21012018121812321272721136362211452124531122161231233542634517232112542132218126317222181012301

图9 PCB上层图 2121001221181218123212212272122121712111211231212212452124521621132621231121211612312332154212631122451217232112524232218121212111163212122172121122218122110123 Ⅴ、PCB板制做工艺流程

1．

图10 PCB下层图 制作感光基板工艺流程

A．裁剪覆铜板；手工画线并优化排版，（注意材料的节约）然后用裁板机将覆铜板裁剪到规定大小。

B．手工打磨覆铜板；打磨过中药戴手套操作，防止玷污覆铜面。 C.用丝网为覆铜板涂上感光油墨。覆铜板的着墨要均匀。 D.将涂过感光油墨的覆铜板放在恒温通风的烘干箱内烘干。 2.PCB的感光及蚀刻流程

A．将涂过感光油墨的覆铜板，裁剪到合适的大小（92mm×43mm） B．将裁剪好的覆铜板，放入在曝光机载物板内（覆铜板的边缘要与油墨纸的边缘对齐）加紧，后放入曝光机中曝光。

C．将帮曝光后的覆铜板去出。放在温热的显影剂中清洗（要佩戴橡胶手套，防止显影剂腐蚀双手），使其显影。待其他地方的残余油墨清理干净后，将板子用清水清洗干净。

D．固化检修板，将短路的地方用小刀轻轻划开。断路的地方用油墨笔将

其连同。

E．蚀刻铜；带油墨干后，将板子放入蚀刻容器中。是其他部分铜板腐蚀干净。（切忌将蚀刻液溅到衣服及皮肤上，

F．检修板子，将蚀刻好的板子用清水清洗干净。检查电路板是否存在断路短路。断路将其用小刀划开，断路在PCB图上标记清楚。

G．钻孔，按照焊盘大小，及设计要求用台钻为PCB板打孔。（孔洞要打在焊盘中央）

H．清除感光油墨，用铁丝网将焊盘及铜线的油墨清除干净；般干净的板子放入风干箱内风干。

I．涂助焊剂，将助焊剂均匀的涂在PCB板上，并将PCB放在恒温烘干箱烘干。

J． 上锡，用电烙铁在PCB板上均匀的度上一层锡。并将断路出用焊锡连接好。

Ⅶ.电路安装与调式 1．电路安装

a.安装前应先检查元器件的质量及印刷电路板连线情况

b.安装时特别要注意运放、电解电容，三极管等主要器件的引脚和极性，不能接错。

c.考虑到人工焊接，焊接时一方面要注意元器件要安放在正确的位置，另一面要注意由于电路短接问题。 2．电路调试

2.1安装调试流程图

焊前元件、电路板质 检 细心焊接 电路上电调试前电路元件焊接状况检测 电路的调试过程一般是先分级调试，再级联调试，最后进行整机调试与性能指标测试。此外，要注意在通电调试前，要先对焊好的电路元件焊接接质量检查，如有无短路现象，以防上电调试时对电路造成损坏。 2.2分级调试

以上调试都是在外电源情况下进行电路调试的。 2.2.1初步检测集成运放工作状态

以此图为例，来说明原理图中各个运放的初步检测。

图12 性能指标测试 图11 安装调试流程图 整机调试 级联调试 分级调试

1． 先测电源引脚8、4是否来正常工作电压。

2．检测一下相应输入端2或3电压，看输出输入是否满足应有的

放大倍数。(对于比较放大器，正常情况应是输入大于基准电压，输出为正电压，否则为负)

3．让相应输入端短路，观察输出是否为零，或有较小输出电压。 4．如果有不正常情况，应灵活识别其故障并加以调节。

2.2.2对HA17741调零

一个理想的运放是，当两个输入端加相同的

电压或直接接地时，其输出电压为零，但实际上不为零，这将影响整个电路的性能，这就需要加调零电路，HA17741运放自身具有调零电路，让输入端对地短路，通过调节电位器R14，让输出为零。在调零过程中，如果输出端能随R14改

图13 变而调零，则说明HA17741电路能正常工作，否则需进一步检查电路故障。 2.2.3应变片测量电桥调零

如图14，这里先用R1代替电阻变片，通过调节应变片，让输出端VO1--VO2等于零。

图14

2.3级联调零

在分级调试合格后，然后从前级单元电路开始，向后逐级联调。

2．3．1静态调试

保持电桥输出压差为零，逐级向后测量运放的输入输出电压情况 ，如总图对于一级运放U1A输出应基本为零，对于二级运放U2—HA17741，如不为零，则通过调节电位器R14，使得输出为零，继续向后测量，U3A、U3B输出电压应基本为零或有较小电压，当测到比较放大器U4A输入端3时测得为1V左右，经分析知，在U3A、U3B电路中没有调零电路，使得输出为较小的电

压，经二级放大，得到1V左右电压，为正常情况，对于电路功能实现没有影响，然后通过调节电位器R22，让U4A的2端基准电压高于3端电压，这里考虑到由应变形变产生的电压1~3mV，经放大到比较放大器3端时也就几伏，所以2端电压不易太大，这里调2端电压至2.5V，最后测U4A输出1端，若为负，则为正常。 2.3.2动态调试

通过调节电桥中的电位器R2，见图使输出VO1-VO2等于-5mV，然后测U4A的3端电压，若高于静态工作电压，则说明电路处于下常工作，此时3端电压高于2端时，测1端电压值，应为正，否则向前级再对电路进行调试。再测三极管电压Vbe,Vce电压是否正常。 2.4 性能指标测试

经过以上调试无问题后，反电桥中的替代电阻R1去掉，换成电阻应变片，电桥调零，经应变片一压力，测量电路，看电路能否正常工作，并进行相应

调试。 Ⅷ、实验总结

从电路设计到到焊成电路板，再到后来电路调试，这都是环环相扣的，其中那一个环节都要细心，当出现错误时就要向前级利用所学的知识进行查错，最大的感受是当自已完完整整从前到后做完之后，自己不仅对所学的知识应用实际，学到了新的知识，更重要锻炼自己的遇见问题自我解决的能力。

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