测量放大器的设计与实现的毕业设计论文.doc

《测量放大器的设计与实现的毕业设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量放大器的设计与实现的毕业设计论文.doc（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 测量放大器的设计姓 名 院 系 专 业 年 级 学 号 2 指导教师 年 月 日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学校保存论文（设计）的印刷

2、本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文（设计）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者（签名）： 年 月 日毕业论文开题报告姓名性别男学院年级学号题 目测量放大器的设计课题来源教师推荐课题类别应用研究选题意义（包括科学意义和应用前景，研究概况，水平和发展趋势，列出主要参考文献目录）：测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、高输入阻抗和高共摸抑制比等特点，因此得到广泛的应用。在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放

3、，两者地电位不统一，不可避免地长存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引入的误差。为了抑制干扰，运放通常采用差动输入方式，对微弱信号放大一定的倍数,内置计权网络的低噪声高增益。但是由于远程电路传输分析复杂，通常只给出理想情况下放大器的差模增益，而难以给出其在非理想情况下的共模抑制比表达式。几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用，所以精密运算放大器是未来发展的重大方向。主要参考文献： 1.模拟电子技术基础，吴友宇 主编，清华大学出版社，2009 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.电子线路设计实

4、验测试第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社 4.实用单元电路及其应用，黄继昌、张海贵，人民邮电出版社 5.模拟电子电路基础， 王卫东、江晓安， 西安电子科技大学出版社，2003 6.电路与电子简明教程，王槐斌、吴建国、周国平，华中科技大学出版社，2006 7.电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社研究主要内容和预期结果（说明具体研究内容和拟解决的关键问题，预期结果和形式，如在理论上解决哪些问题及其价值，或应用的可能性及效果）： 首先要了解方案的设计与论证，其次要掌握设计原理及主要电路的参数计算，最后仿真分析。 在放大器仿真中,当输入电压比较大时,输出电压仍然按原有的倍数进行放大

5、。如输入为5V时，在放大倍数为250倍时，输出电压可达1.25V。在实际应用中，输出电压由于受到运放的电轨影响，它只能输出比运放电压少。例如运放运行电压为15V时，在比较好的运放中，输出电压可达14.8V，所以要尽可能的多试验采取平均值来减少误差，并采取不同的方案和软件来进行实验，找到最效果最好的方案，使实验结果更加准确。拟采取的研究方法和技术路线（包括理论分析、计算，实验方法和步骤及其可行性论证，可能遇到的问题和解决方法，以及研究的进度与计划）：研究方法，通过不同实验方案不断精确数据：方案一：直接采用高精度OP放大器结成悬置电桥差动放大器。方案二： 采用比较通用的仪用放大器。方案三： 主要是

6、对第二种方案的合理改进技术路线：设计电路一 主要电路参数计算二 仿真分析可能遇到的问题：可能会有遇到没有掌握的芯片和软件，可能得到的数据与理论不符，电路的结果可能与预期结果不同。我会努力掌握相关的专业知识，及时请教老师同学，实验电路认真分析，耐心的分析理论以及重要参数，将实验完美完成。研究的进度与规划2013.3.32013.3.28 开题报告。2013.3.282013.5.1 提出并设计出相关电路图，仿真调试。2013.5.22013.5.20 在前面研究和学习的基础上撰写论文.2013.5.21 准备论文答辩指导教师意见（对论文选题的意义、应用性、可行性、进度与计划等内容进行评价，填写审

7、核结果：同意开题、修改后再开题、不同意开题）： 签名： 年 月 日院（系）毕业论文（设计）领导小组意见： （签章） 年 月 日毕业论文结题报告姓名性别男学院年级学号题 目测量放大器的设计课题来源教师推荐课题类别应用研究本课题完成情况介绍（包括研究过程、实验过程、结果分析、存在的问题及应用情况等。） 整个设计研究是在不断的网上及书本学习理论知识，并在老师的指导下，了解并掌握理论知识，首先是设计原理的理解，元件的认知以及电路的组建以及后期的仿真，最终逐步的将实验构建完成，实验过程中由于元件还有方案选取不当给实验结果造成一定影响，不过在后续的研究中优化了电路，选择了最佳的元器件最终实验还算圆满的完成

8、。对于实验结果，与理论值有适当的偏差，不过在实验允许范围之内。实验中存在对仿真软件使用的问题，导致有些数据不大准确，造成实验结果偏差，以及相关软件的混淆。在后期的学习中，设计原理已经掌握并能顺利结合实验器件按照设想集合起来顺利完成实验。指导教师评语： 签名： 年 月 日院（系）毕业论文（设计）领导小组意见：（公章） 年 月 日指导教师评定成绩毕业论文成绩评定表学院： 学号：姓 名总成绩：题 目评阅人评语评定成绩： 签名： 年 月 日答辩小组评语答辩成绩： 组长签名： 年 月 日注：总成绩=指导教师评定成绩（50%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成绩（30%），将总成绩由百分制转换为五级制，填

9、入本表相应位置。目 录1 摘要2 测量放大器的设计2.1 放大器2.2 信号转换器2.3 电源电路的设计3 主要参数的计算3.1 放大器参数计算3.2 电源参数计算4 仿真分析4.1 调试仪器4.2 电源的仿真测试4.3 信号转换器的仿真测试4.4 放大器的仿真测试5 小结元件清单原理图参考文献目录页无需加页码及页眉测量放大器的设计孙永杰（信息与电气工程学院，电气自动化专业，2009级3班，20093615594）摘 要：本设计主要由测量放大器、信号转换器、稳压电源三部分组成。测量放大器是源于运算放大器，专门精密差分的放大器，通过集成电路对微电信号放大，实现对微信号的测量，所以需要较高的输入电

10、阻来减少测量的误差以及对被测电路的影响。并要求可调放大器的倍数以实现对较大范围信号的测量。测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，再经过放大器进行放大。信号变换电路主要是是将一端信号输出转变成两端信号输出，主要采用的是经过改进的差分放大电路，在本设计中主要用以实现对测量放大电路频率的测试。稳压电源电路主要为测量放大器及信号变化器的运放供电。关键词：测量放大器、信号转换器、稳压电源 Measuring Amplifier DesignSun yongjieCollege of Information and Electrical Engineering, electrical

11、 automation, 2009 3 classes, 20093615594Abstract: Primarily by the design of three parts measuring amplifiers, signal converters, power supply. Measuring amplifier is derived from the operational amplifier, specifically precision differential amplifier integrated circuit micro-electrical signal ampl

12、ification, micro signal measurement, high input resistance to reduce measurement error and the circuit under test. And require multiples of adjustable amplifier in order to achieve a larger range of signal measurements. Measurement of the differential input of the pre-amplifier stage with double-end

13、ed signal to a single-ended signal conversion, and then amplified through the amplifier. The signal converting circuit is one end of the signal output is converted into a signal output at both ends, is mainly used in the improved differential amplifier circuit, the amplifying circuit frequency measu

14、rement test is primarily used in this design. The power supply circuit for measuring amplifier and signal changes of the op-amp power supply.Key words: Measuring amplifier, signal converters, power supply测量放大器的设计2.1 低噪声前置放大器方案一：直接采用高精度op放大器结成置悬电桥差动放大器。利用放大器实现双端输入信号到单端输出的转变，放大主要通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合获得。

15、这个电路主要特点是设计简单，但其对结构工艺要求不高，输入阻抗低，失调电压和失调电流等参数也会因为放大器本身性能的限制无法达到实验要求，并且该方案无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，严重影响实验的准确性，虽然设计及操作简单，但仍然放弃该方案。方案二：采用实验室常用放大器。第一级差分放大电路是由运放A1、A2按同相输入法组成。再将运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级差分放大电路中，通过将V1加到A1输入端形成虚短，V1V2加到A2形成虚断，通过计算可以得到电路的电压增益，可以适当的变换电阻的阻值以可实放大倍数的改变，可以用一个可调节阻值的电位器代替R1来实现对放大倍数的控制。这个方案的优点

16、是，电路设计简单，所需要的元器件较少，A1和A2两个放大器所形成的第一级差分放大电路为双端输出，共模放大倍数理论为0，可以大大的提高共模抑制比，有效地抑制共模信号，并且A1、A2的同相端输入信号V1V1形成虚短和虚断，可以得到流入放大器的电流为0，所以输入电阻Ri为无穷大。设计需要两运放的性能完全相同,该方案除输入电阻无穷大的特点外，A1、A2的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。由于本设计要求放大的倍数可以调节，但是调节后电位器的阻值无法准确获得，因而该方案不能满足实验要求，舍弃该方案。 方案三：方案三是基于方案二上进行的优化改造，电路前级放大仍采用两运放相同输入法组成，采用双端输出双

17、端输入，能有效地控制共模抑制比。第一级放大采用差分输入，减少了电路零漂的影响，能够有效地提高电路的共模抑制能力。然后再通过A3信号实现双端输入信号到单端输出的转变。为了在节约成本同时提高电路的共模抑制能力，A3仍采用OP07。同时加入了凋零电路来提高其共模抑制能力以及精准度，用可变电阻R7与固定电阻R6串联后与R5进行匹配，保证了电路的对称性，从而减少温度漂移对实验的影响，然后再接一级比例放大，通过对电阻R12的的调节实现对整个电路的放大倍数的改变。经过实验仿真，基本符合要求。对于扩展部分，可以将用一个电阻网络替换电阻R12，用单片机控制其阻值即可大道放大倍数的调节，经过理论研究分析，该方案基

18、本可以满足步进为1的要求，将采用本电路。 2.2 信号转换器设计要求将单端输入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。一般采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。为了保证电路的精度，必须保证电路的对称性，所以仍采用高精度低漂移的OP07作为运放。将同相放大器接成射随器，把前端输入分压，使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，实现信号不失真转换。经过反复研究设计确定如下电路图，此电路从同相端入，满足输入高阻抗的要求。2.3 电源电路的设计电源电路主要由变压部分、整流部分

19、、滤波部分和稳压部分组成，这里直接采用比较常用的稳压电源电路，既能简化电路，又能满足实验要求。主要利用稳压芯片LM7915及LM7815产生所需要的15V的电压输出。 运放需要双电源供电，所以采用双输出的变压器实现，18V输出的变压器就能满足要求，电源各部分组成如图。2.3.1 降压部分降压部分主要由变压器组成，直接采用三抽头的变压器为双电源运放供电，可以得到相位相反的两个18V的交流源，输入到下一级的整流桥，变压器为18V的型号输出，功率大于10W。 2.3.2 整流部分整流部分主要由二极管组成的整流桥组成，利用二极管的单向导电性将四个二极管分为两组，与变压器副边极性分别导通，将变压器负极性

20、端与负载电阻的下端相连，副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，以便负载上始终有一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是波形平稳，电源利用率高。整流后电路电流电压波形如图。整流部分采用的是耐压值高于45V的成品整流堆。2.3.3滤波电路整流后的直流输出电压不稳定，通常在整流电路后有滤波电路，减少整流后的单向脉动直流电压中脉动性，过滤掉整流后的波纹使其成为平滑的直流电。一般电路中电容滤波电路，滤波电容C直接并联在负载RL两端，形成电容滤波电路。利用电容储能的作用，使输出直流电脉动成分降低，电压波形更加平滑，输出直流电压的平均值增大。 2.3.4 稳压电路 稳压部分主要由稳压芯片组成。为了防止产

21、生自激，在稳压芯片两端各加频率补偿的电容，这样输出的直流基本就稳定了，足以满足实验设计的要求。稳压芯片通常选用输出为正15V的LM7815和输出是负15v的LM7915。为了滤除电路中可能存在的高频影响，尾端通常加上470F的电容。稳压芯片LM7815的主要参数：输出电流可以按照要求达到1A 输出晶体管SOA保护输出电压有：15V 7815极限值（Ta=25）VI-输入电压(VO=24V)40V (V0=518V)35V 引脚1-输入 INPUT 2-地 GND 3-输出 OUTPUT 7915系列为三端负稳压电路，有不同的固定输出电压，应用范围广。LM7815和LM7915接法如下图： 78

22、,79系列经典接法3设计原理及主要电路的参数计算3.1 前端放大电路集成运算放大器放大信号的优点: (1)电路设计、组装调试简单方便，适当的接入元件便可放大输入输出 (2)由于放大电路一般处于深度负反馈闭环状态，满足高增益的开环运放，性能比较稳定，失真小。 (3)运放有很高的共模抑制比，对外界的干扰有很强的抑制能力。运放输入阻抗高，几乎没有失调和漂移，很适合各种微弱信号的放大。 第一级差模放大的电压放大倍数计算：运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入A1、A2的电流可视为零，所以 VA=Vi1 VB=Vi2 VR10=Vi1-Vi2 运算可以得出: A3运放构成求差电路满足关系式: 带入得 A4

23、运放构建反向比例放大器,满足关系式: 最后得到运算放大器倍数为： 由以上结果可以得出通过调节R12的值就可以实现对测量放大器放大倍数的调节,放大器的前级只起到了抑制共模信号和提高输入电阻的作用，,放大任务主要由最后一级比例放大器来完成,考虑到这些因素，本设计前级放大器放大倍数 最后一级放大倍数 电阻R12是一个100k的电位器，R11阻值为10k的常用电阻，所以最后一级的最小增益可以小于1，最高增益可调至500倍，基本上可以满足实验要求，但考虑到发挥部分的问题，在实际设计实验中将R12改为200k或者更高阻值的电位器，就可以实现手调放大倍数11000倍的要求。3.3 电源参数的计算设计要求直流

24、稳压电源为单相 220V交流电压供电，交流电压变化范围为+10%-15 ，输出基本不变，能够继续正常工作，计算滤波电容值时，特别注意整流二极管、LM7815、LM7915最小压降。（二极管为0.7V，LM7815及LM7915为Ud）在交流电压输出15V时，输出电流应该达到500 mA以上，在单向220v交流电运作下0.01 s内的电压变化为Umax=U(1-15%)-Ud-15=3.38VC=Q/U=I.t/U=0.50.01/3.38=1478F实际实验设计中C=2000F（在实物上直接焊接4700F）就能够满足要求。4 仿真分析 在设计好方案后，按照方案在仿真软件MULTISIM中进行仿

25、真，得到相关数据。 4.1 电源的仿真测试 对电源仿真测试结果数据如下： 电源仿真图表一电源仿真测试参数+15V 输出端电压-15V 输出端电压理论值+15.0 V-15.0 V测量值+15.51 V-15.656 V误差3.48%4.37%经过分析，虽然有误差，但仍在实验允许范围内，能够较好的为后续实验提供电源。 4. 2信号转换器的仿真测试 将电路中信号变换器单独拿出接上函数发生器，设定输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=2Hz。用示波器观察两端输出的波形，记录并测量其大小。 分别调整R6、R7的阻值直到输出端1与输出端2的输出电压值大小都为1mV。仿真结果如图所示：信号变换电路仿真结

26、果分析上图可知，设计的信号变换电路符合实验要求，能够较好的为下级电路将单端输出转变双端输出，为后续实验提供了较好的输入方式。4.3 前端放大电路的仿真测试仿真电路如下图，通过改变电桥阻值进行不同参数的测量，可以选择放大倍数为1、100、1000和11000倍。前端放大电路测试仿真图用万用表分别测量测量放大器放大后的电压及电桥的输出电压。再根据表达式当放大倍数为11000倍R12调至50k时，放大倍数Av=250。 前端放大器仿真分析上图可以得到，当R19=5k时，Vi=5V ， Vout=1.25kV ，放大倍数 ：经实验仿真得出的结果与之前测量估算值一致，可以得到测量放大器电路的设计是满足要

27、求的。 4.3 测量放大器的频率响应测试测量放大器的频率响应的仿真电路图：测量放大器仿真电路图 首先要调零信号变换电路，按设计进行接入端连接。调节函数信号发生器产生信号源，将输出信号由单端输出转变成双端输出，再将输出信号接到测量放大器的输入端，根据需要设置测量放大器的放大倍数及输出电压，然后再用交流毫伏表测量信号变换电路和测量放大器的输出电压，记下不同信号发生器输出频率下的放大倍数，首先要对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，及输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端，合理的设

28、置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，计算不同频率下的放大倍数，得出测量放大器的频率响应。设置输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=1Hz ，用示波器观察输入输出端的波形，然后计算比较。把R12调至50k，仿真结果如下图：电路仿真结果 示波器两端分别接信号变换器和电路的输出端。测量放大电路的放大倍数 。由公式 当R12=50k时，=250 。设计的仿真结果为下表为频率响应记录：频率响应记录表格输入频率（hz）函数发生器电压峰峰值信号转换器输出电压预置的放大倍数输出电压放大倍数计算值1 1 mV2.046 mV2

29、50510.528 mV249.525510 mV20.554mV2505.137 V249.9271020 mV41.121mV25010.278 V249.94510010 mV20.557 mV2505.137 V 249.891100020 mV41.115 mV25010.272 V249.836 用仿真软件软件的AC Analysis对电路进行响应测试，结果如图：由上表与图可以看出此测量放大电路的通频带展宽为0100Hz以上，能够完成实验要求。5 小结这一次的毕业设计确实让我学到了很多。刚开始一知半解的时候感觉这个课题和简单，直接打算上手就做，可是越发进行越是发现并不是想象中的那么

30、简单，在老师的不懈讲解以及不断查阅资料后才对设计慢慢的有了更深的认知，才能将实验顺利完成。通过本次设计，让我深刻认识到搞懂设计原理是多么的重要，否则整个实验将无法进行下去，把理论与实际应用结合不是轻易就能完成的。设计开始时有很多没有使用过的芯片，还有不常用到的仿真软件以及淡忘的模电知识都成了设计顺利进行的绊脚石，所以就不断的查阅以前的书籍，包括到图书阅览室还有网上不断丰富自己这些方面的知识，必须要详细的知道每个元件的用途及使用方法后进行电路组建，不断的更换元件直到达到最佳效果，还有差分放大器，一定要理解各项指标以及应用。在仿真调试过程中，不断从图书馆还有网上学习了MULTISIM，Proteu

31、s仿真软件的使用，为实验的仿真提供了平台，加深了以前模电中淡忘的知识点。整个设计过程中发现自己问题还是不少的，专业知识掌握的不算牢固，软件运用不熟练，初期的时候做不下去感觉老失落了，慢慢的沉下心来仔细分析才逐渐的将实验整体串接起来，慢慢的自己也有了动力，有了信心，所以也感谢这次设计，让我对自身也有了认识，做什么事一定要沉稳的进行，不要急躁，从最基础的做起才能更好地将整体实现。另外，对理论与实践的认识更加深刻了，之前学习书本没有试做之前感觉很简单，但是自己设计的时候，通常达不到标准，不是元件选取不对，就是仿真数据不符，出现了不少问题，就要不断的审视自己设计，不断从中学习研究寻找最佳元件和方案，才

32、能将实验逐渐的接近理论值，当然适当的误差是难免的。这个过程确实是挺艰辛的，但是一段时间下来，不仅自己的专业知识得到补充，自己的学习态度也有了好的转变，一开始的一筹莫展到最后有点欣慰，这个过程是难以忘怀的，自己在以后的学习工作中一定会牢记这段时间学到的，争取日后会逐渐的走向优秀。总的来说，课程设计是与专业密切相关的，不仅从中学习到了不少专业知识，也学到了不少解决问题的办法，今后的工作学习中一定将这种过程延续。 元件清单元件代号元件名称元件参数数量（个）T变压器220V18V1CW1稳压器78151CW2稳压器79151A运算放大器OP076D整流二极管1N40074RL电位器100K1RL电位器

33、20K4RL电位器10K1RL电位器500K2R电阻5.1K1R电阻50K1R电阻51K1R电阻91K1R电阻100K1R电阻150K1R电阻200K2R电阻10K4C电解电容4700F2C电解电容470F2C电容0.001F4 原理图信号变换器电桥低噪声前置放大器电源电路参考文献 1.模拟电子技术基础教程，李祥臣、卢留生 编著，清华大学出版社、北京交通大学出版社 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.电子线路设计实验测试谢自美 主编，华中科技大学出版社 4.实用单元电路及其应用，黄继昌、张海贵，人民邮电出版社 5.电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社 6.模拟电子电路基础， 王卫东、江晓安， 西安电子科技大学出版社