模电课设测量放大器 - 图文

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

学 号： 0120903540209

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

测量放大器 信息工程学院 通信工程 0903 彭文灿 撒继铭 刘雪冬

2011 年 1 月 11 日

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武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 彭文灿 专业班级： 通信0903班 指导教师： 撒继铭 刘雪冬 工作单位： 信息工程学院 题 目: 测量放大器 初始条件：

1.模拟电子技术基础知识。 2.电子技术基础实验室。

要求完成的主要任务:

1.电路的理论设计。

2.按照要求焊接实物，并调试电路功能。 3.根据理论知识书写课程设计报告。

时间安排：

第18周（1、2节）：理论讲解；地点：鉴主404。

第19周：（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间1天；

（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；

地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；

（3）总结结果，撰写设计报告及答辩，时间2天。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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目录

摘 要 ....................................................................... 4 Abstract .................................................................... 5 1 测量放大器的设计 .......................................................... 6

1.1基本要求 ............................................................. 6 1.2方案设计与论证 ....................................................... 8 2 直流稳压源的设计 ......................................................... 11

2.1基本要求 ............................................................ 14 2.2电路设计及原理 ..................................................... 12 2.1.1选择集成稳压器 ................................................ 12 2.1.2选择电源变压器 ................................................ 12 2.1.3选择整流二极管及滤波电容 ...................................... 13

2.1.4选择稳压器 ................................................................................................................................14

3 信号变换放大器的设计 ..................................................... 14

3.1基本要求 ............................................................ 14 3.2电路设计 ............................................................ 15 4 主要电路的参数计算 ....................................................... 17 4．1前端放大电路的计算 ................................................. 17 4．2电源参数的计算 ..................................................... 17

4．3通频带的计算 ....................................................................................................................................17 5 实物 .................................................................................................................................................................20

6 设计心得 ................................................................. 20 7 原件清单 ................................................................. 20 8 参考文献 ................................................................. 22

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摘 要

在数据的采集中，经常会遇到一些微弱的微伏级信号，需要用放大器加以放大。放大器的类型分为通用运算放大器和测量运算放大器。由于通用运算放大器具有mV级失调电压、数uV/℃的温漂，不可能用于放大微弱信号。而测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器u，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。在热电偶，应变电桥.流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测方面起到重要作用。

本设计主要由测量放大器,信号变换器,稳压电源三部分组成,测量放大器主要是实现对信号的测量,主要通过运用集成放组成测量放大电路实现对微弱电压信号的放大,要求有较高的共模仰制能力及较高的输入电阻.从而减少测量的误差及对被测电路的影响,并要求放大器的放大倍数可调以实现对比较大的范围的被测信号的测量,因而测量放大器的前级主要采用差分输入的方式,然后经过双端信号到单端的转换, 最终经比例放大器进行放大,比例放大器的反馈电阻可以由D/A组成的电阻网络代替,通过单片机对其组值进行控制,从而实现对放大倍数的控制,放大倍数可以由单片机控制键盘进行输入,控制液晶或数码管进行显示.信号变换电路主要实现一端信号输出到两端输出的转变,主要采用的是经过改进的差分式放大电路,信号变换在设计中的用途主要是用于对测量放大电路的频率响应进行测试.稳压电源电路主要用于为运放及电桥供电,包括测量放大电路及信号变换器中的运放.

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Abstract

The design is mainly made of three parts of measuring amplifiers, signal converters, power supply. Measuring amplifier is mainly to achieve micro-signal measurements, primarily through the use of integrated operational amplifier circuit to enlarge the composition of measurement of weak voltage signal amplification, requiring a higher common mode rejection capability and high input resistance, thereby reducing error of measurement and the impact of the circuit under test and it requires magnification adjustable amplifier in order to achieve greater contrast to the scope of the measured signal measurement. So differential input is the measurement of pre-amplifier I, and then after a two-terminal signal to the signal-ended signal conversion, and ultimate by the ratio of amplifier amplification, the ratio of amplifier feedback resistor from D/A resistor network in place of the composition ,through Single chip its resistance to control, in order to control magnification. Magnification can be controlled by a signal-chip keyboard input, control of liquid crystal or digital tube display. Signal transform circuit changes one end of the main signal output to two ends of output, mainly using an improved differential amplifier circuit, the main purpose of the signal transformation in the design id used for measuring the frequency response of amplifier for testing. Regulated power supply circuit is mainly used for the operational amplifier and power supply bridge, including the measurement and singal amplifier OPAMP Converter.

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1 测量放大器的设计

1.1 基本要求

一、设计任务

设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号VI取自桥式测量电路的输出。当R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。R2改变时，产生VI ≠0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。 二、要求 1)测量放大器

a. 差模电压放大倍数 AVD＝1～500，可手动调节； b. 最大输出电压为± 10V，非线性误差 < 0.5％ ；

c. 在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比 KCMR >105 ； d. 在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V； e. 通频带0～10Hz ；

f. 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）。 2)电源

设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。交流电压变化范围为＋10％～－15％。

3) 设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。

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三、 发挥部分

（1）提高差模电压放大倍数至AVD＝1000，同时减小输出端噪声电压。

（2）在满足基本要求(1)中对输出端噪声电压和共模抑制比要求的条件下，将通频带展宽为0～100Hz以上。

（3）提高电路的共模抑制比。

（4）差模电压放大倍数AVD可预置并显示，预置范围1～1000，步距为1，同时应满足基本要求(1)中对共模抑制比和噪声电压的要求。 （5）其它（例如改善放大器性能的其它措施等）。 四、测试说明： 1 基本要求部分 1)测量放大器

a. 差模电压放大倍数的测量:通过改变R2的阻值产生差模输入电压信号。

b. 非线性误差的测量：在AVD=100的条件下，分别测量VI为± 25mV、± 50mV、± 75mV、± 100mV时的输出电压，求出非线性误差的最大值。 c. KCMR的测量：在AVD=500、VI＝0的条件下，分别测出VA＝＋15V、VB＝0和VA＝0、VB＝－15V时的共模电压放大倍数，取较大的一个计算KCMR。

d. 输出端噪声电压的测量：在R1＝R2＝R3＝R4、VI＝0的条件下，用示波器测量输出端噪声电压峰－峰值。 e. 通频带的测量：用信号变换放大器取代桥式测量电路，信号变换电路的输入信号由函数发生器或低频信号发生器给出。 f. 不测量电压放大器的输入阻抗，仅根据对电路的分析，判断它能否满足对输入阻抗的要求。 直流稳压电源的测量：

交流电压变化＋10％和－15％时，AVD和KCMR应保持不变。 2) 发挥部分：

第(3)、(4)项KCMR的测量：仍然在AVD=500的条件下,按前述方法进行。

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在第(5)项有特色分者，应对设计的特色加以明确、具体的说明。 a、差模电压放大倍数 AVD＝1～500，可手动调节；

b、最大输出电压为±10V，非线性误差 < 0.5％ ；

c、在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比 KCMR >105 ； d、在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V； e、通频带0～10Hz ；

f、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）。

1.2 方案设计与论证

(1)方案一：

低噪声前置放大电路的设计，如图1。本电路结构简单，输入阻抗较高，放大倍数可调，但是共模抑制比较小。实测只达到104，所以我们放弃本方案。

低噪音前置放大电路最初方案（ 图1）

（2）方案二：如图2直接采用高精度OP放大器接成悬置电桥差动放大器：利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出，然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合，放大主要通过后一级的比例放大器获得，此电路的特点是简单，实现起来对结构工艺要求不高，但是其输入阻抗低，共模抑制比小。失调电压和失调电流等参数也受到放大器

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本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路十分简单，元器件比较少，但仍将其舍弃。

图2

（3）如图三。该电路是由运放A1A2按同相输入法组成第一级差分放大电路.运放A3组成第二级差分放大电路.在第一级电路中,V1V2分别加到A1和A2的同相端,R1和两个R2组成的反馈网络,引入了负反馈,两运放A1,A2的输入端形成虚短和虚断,通过计算可以得到电路的电压增益.适当的选择电阻的阻值即可实现放大倍数的改变,并且可以将R1用一个适当值的电位器代替,通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制.该电路的优点是,电路简单,原件较少,A1和A1两个放大器组成差分放大电路,可以有效地抑资共模信号,并且为双端输出,其共模放大倍数理论为0，因而可也大大的提高共模抑制比,并且由于输入信号V1和V2都是A1,A2的同相端输入,根据虚短和虚断,流入放大器的电流为0所以输入电阻Ri,并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有差摸,共模输入电阻大的特点外两运放的共模增益,失调及其漂移产生的误差也相互抵消,但由于本实验要求放大倍数可以调节,通过电位器调节放大倍数,电位器的阻值无法准确获得,因而放大数无法准确得到,因而,本方案不能完全满足实验要求,故舍弃本方案.

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图三

（4）如图四。此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大，可满足要求。其中，直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106，交流信号的共模抑制比可达 2×105。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10 倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。

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低噪音前置放大电路（图四）

Op07作为常用的运放主要有以下特点：

1.低的输入噪声电压幅度-0.35uvp-p（0.1hz-10hz） 2.极低的输入失调电压-10uv 3.极低的输入失调电压温漂-0.2uf/c 4.具有长期的稳定性-0.2uv/mo 5.低的输入偏置电流-+—1na 6.高的共模抑制比-126db 7.宽的共模输入电压范围-+-14v 8.宽的电源电压范围-+-3v—+-22v 9.可替代725，108A，741，AD510等电路

2 直流稳压源的设计

2.1 基本要求

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直流稳压电源

设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。由单相220V交流电压供电。交流电压变化范围为＋10％～－15％。

2.2 电路设计及原理

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，在能满足实验要求的基础上，尽可能简化电路，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。

直流稳压电源电路（图5）

2.2.1选择集成稳压器

选三端固定稳压器LM7815和LM7915,其性能参数为：Iomax=1.5A,最小输入输出压差(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大输入电压8-40V，均能满足性能要求。 2.2.2选电源变压器

电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。通常根据变压器副边输出的功率P2来选购(或自绕)变压器。 集成稳压器的输入电压Ui=(12+3)/0.9=17V

而变压器的副边电压U2=Ui/(1.1～1.2)=15V,I2>Iomax=1.5A 变压器效率为0.7,则其功率P2>U2*I2=22.5W 为留有余地，故选择功率25W的变压器。

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2.2.3选整流二极管及滤波电容

选整流二极管可以选1N4002，其极限参数Urm≥50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均满足要求。

整流电压波形（图6）

滤波电容为C=IomaxT/2△Ui=1500uF,它的耐压应大于21V,因而可取2200uF/25V的电容。

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2.2.4选稳压器

滤波后波形（图7）

由于要输出正负12电压，于是采用的是7815和7915三端集成稳压器，其中78系列输出的为正电压，79系列输出的为负电压，

如图，78系列和79系列的接法如下：

3 信号变换转换器的设计

3.1 基本要求

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信号变换放大器

设计并制作一个信号变换放大器.将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。

图8

3.2 电路设计

我们采用单端输入双端输出的差动放大级进行信号的变换。同时用高精度、低漂移

的运放来代替晶体三极管。本电路使用的运放是 OP07，如图 9。

改进前的信号放大器（图9）

我们在调试图 9 所示的电路中，发现此电路输入阻抗太低，约为20kΩ，所以我们进行了改进，改进后的电路见图10。此电路从同相端输入，因此输入阻抗高，为保证电路进

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度，两个运放都引入了调零电路，防止因放大器的温度漂移而产生影响，并且为防止波形的幅度失真，引入了电位器R6对Vout2的输出幅度进行调节。能够满足实验的要求。

改进后的信号放大器 （图10 ）

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4 主要电路的参数计算

4.1 前端放大电路的计算

第一级差模放大倍数Av1计算如下： Vi(+)=VA=VC,Vi(-)=VB=VD

(VC-VD)/R10=(V01-Vi(+))/R1=(Vi(-)-V02) 解得

V02-V01=（1+2R1/R10)(VC-VD) =(1+200/22)(VC-VD) =(1+200/22)(Vi(+)-Vi(-)) 即差模增益Av1=10

第一级差模放大倍数Av2计算如下： V0=[(39/49)V02-V01]×39/10+(39/49)V02 =(39/49)(V02-V01) 此级放大倍数Av2=3.9

所以前端放大倍数Av=Av1×Av2=10×3.9=39

4.2 电源参数的计算

直流稳压电源，设计要求当单相 220V交流电压供电时，交流电压变化范围为+10％～-15％仍能正常工作，计算滤波电容值时，应考虑整流二极管、7815、7915和7805的最小压降Ud。

①输出±15V时，设计输出电流至少达到500 mA。 在0.01 s内电压变化为

?Umax?U?2?1?15%??0.7?Ud?15?4.5V

C??QI?t0.5?0.01???1111.1?F ?U?U4.5其中，U=18.75V（变压器输出交流电压），0.7V 为二极管压降，Ud 为 7815、7915

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的最小压 降。设计取C＝3300μF，足以满足需要。

②输出+5 v，设计输出电流可达1A。 同理可得

C??QI?t1?0.01???3378?F ?U?U2.96其中，U=9.7 V（变压器输出交流电压），1V 为二极管压降。设计取C=4700μF，实际所需电流为几百毫安，足以满足要求。

③同理可证，在电源电压比正常值小15％或大10％时，电路仍能满足三有超出三端稳压的耐压范围。

4.3通频带的计算

压摆率是指在额定的满幅度输出条件下，运放输出电压的最大变化幅度，以 Sr 表示，即

dV0/dt=awcoswt,Sr=│dV0/dt│ max=aw

题目要求输出电压为 10V，通频带 0～100Hz，则压摆率至少要达到

Sr=10×100×2π=6.28×10-3V/μS,

使用的 OP07 的压摆率为Sr=0.17×106V/μs，理论运放的通频带为

f=Sr/2πa=0.17×106/10/2π=2.7×103Hz

由于加了低通滤波，通频带为

f=1/(2πRC)=1/(2π×200×0.002×10-3)≈398Hz

所以系统的理论通频带为0～398H

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5 实物

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6 设计心得

本次课程设计是大学里的第一次课程设计，开始面对它时我甚至没有一点头绪。从设计电路图到利用软件得到仿真结果，不可说这个过程是相当煎熬的。不知道撤销了多少次，不知道重画了多少次，不知道保存又删除了多少次，这次课设实在令我既好奇又头疼。不过，付出总是有收获的，没有第一次，就永远也不会，没有第一步，便永远也不可能走完脚下的路。

在设计的过程中，我们用到了许多模电中学到的典型电路，比如直流稳压源的电路，放大器的基本电路，比较器的基本电路，以及继电器的相关知识，学有所用，将它们组合在一起就组成了一个生活中的一个实用的电路，甚是神奇，顿时增强了我对于电子电路方面的兴趣。

本次课程设计中，我还学会了去查阅各种资料，包括各种没有使用过的芯片，都可以通过互联网查阅到相关的使用手册，十分方便，也加速了课程设计的速度，少走了好多弯路，避免了将时间花费在测试探索，从而有充分的时间去改进电路，在电路调试中，我又加深了模电课中所学到的有关于电路的相关知识，同时，看到自己做的实际电路在经过反复的测试后终于达到预期的效果而感到十分的欣慰与自豪。

电路的仿真模拟是摆在自己面前的另一大困难。我们所实用的仿真模拟软件multisim 9和protel 99 se是我们过去所没有接触过的陌生软件。为了克服操作方面的困难，我们班同学自发组成小组，分别去图书馆查找相关的书籍，去互联网上搜索相关的教程指导，并在操作中不断讨论碰到的各种问题。最后，我们仅用了短短几天的时间就实现了我们预期的目标。并且现在可以熟练的用其来绘制电路图、仿真模拟各种模拟电路；独立判断使用中出现的各种错误，找出其问题的症结所在，逐步立调并最终作出正确结果。

这次课设让我了解到往往实践和理论不是同一回事，也许你对理论了解得很透彻，而当你开始设计时，你会有点茫然，而这也是本次实验给予我们的经验，我们该优势互补。不说站在巨人的肩膀上，只要我们都利用好各自的优势，相信我们会缔造不一样的精彩。

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7 原件清单

元件代号 T LM1 LM2 D A RL RL R R R R R R R R C C C C C 元件名称 变压器 稳压器 稳压器 二极管 运算放大器 滑线变阻器 滑线变阻器 滑线变阻器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 电容 21 元件参数 220V～±20V 7815 7915 1N4007 OP07CP 100KΩ 10KΩ 20KΩ 51KΩ 5.1KΩ 91KΩ 51KΩ 100KΩ 150KΩ 200KΩ 1nF 0.33μF 0.1μF 1μF 2.2μF 元件数量 1个 1个 1个 4个 5个 1个 6个 1个 2个 1个 1个 1个 2个 1个 2个 1个 1个 1个 1个 1个 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

8 参考文献

1、《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社 2、《新型集成电路的应用―电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社 3、《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社 4、《电子技术基础》 第三版 康华光主编，高等教育出版社

5. 《模拟电子技术基础》第三版 清华大学电子教研组 ，童诗白主编：高等教育出版社 6．《电子CAD与OrCAD实用教程》 王辅春 北京：机械工业出版社 7．《1999年全国电子竞技大赛试题分析》 人民邮电出版社

8. 《全国大学电子设计竞赛获奖作品精选》（1994～1999）北京理工大学出版社，2002. 9．《模拟电子技术基础》第四版 华成英[M].北京：高等教育出版社,2005.

10．《全国大学生电子设计竞赛训练教程》黄智伟[M].北京：电子工业出版社，2003.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cl87.html