模电课设 测量放大器Word格式.docx
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第20周周一晚5：
30-7：
30在鉴主301讲解
第21周设计，调试，答辩
地点：
通信实验室2
指导教师签名：
刘可文2010年1月18日
系主任（或责任教师）签名：
2010年1月28日
目录
中文摘要……………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………Ⅱ
一．主要任务分析…………………………………………1
二．方案设计与论证………………………………………2
2.1放大电路………………………………………………2
2.2信号变换电路…………………………………………5
2.3电源电路的设计…………………………………………5
三．设计原理及主要电路的参数计算……………………6
3.1直流电源的原理及参数计算………………………………6
3.2放大电路的原理及参数计算………………………………7
3.3信号转换部分原理………………………………………7
四．仿真分析…………………………………………………8
4.1电源的仿真测试…………………………………………8
4.2信号转换器的仿真测试…………………………………9
4.3放大电路的仿真测试……………………………………10
4.4仿真中遇到的问题………………………………………11
五．小结……………………………………………………12
附件一原理图……………………………………………13
附件二元器件清单…………………………………………14
附件三参考文献……………………………………………15
附件四本科生课程设计成绩评定表………………………16
摘要
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微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电信号的放大，要求有较高的输入电阻，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信号的转换，最后经比较放大器进行放大。
信号变换电路主要实现一段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，信号变换在本设计中的用途主要是用于对测量放大电路的频率相应进行测试。
稳压电源电路主要用于为运放供电，包括测量放大电路及信号变化器中的运放。
Abstract
Thisdesignmainlybythemeasuringamplifier,signalconverter,regulatedpowersupplyofthreeparts,measuringamplifierprimarilytheachievementofmicro-signalmeasurement,mainlythroughtheuseofanintegratedmeasurementofthecompositionofop-ampamplifiercircuittoachievetheamplificationofweakelectricalsignals,requiringamoreahighinputresistance,therebyreducingthemeasurementerrorsandtheimpactofthecircuitundertestandaskedadjustablemagnificationtheamplifierinordertoachievealargerrangeofthemeasuredcontrasttothesignalmeasurement,andthusthefirststageamplifiermeasuredmainlyusesdifferentialinputsway,andthenthroughthedouble-endedsignaltoasingle-endedsignalconversion,thefinalamplifierthroughthecomparisontoenlarge.Signalconversioncircuitmainlytoachieveasignaloutputtotheendsoftheoutputchanges,themainuseoftheimproveddifferentialamplifiercircuit,thesignaltransformintheuseofthisdesignismainlyusedtomeasurethefrequencyofthecorrespondingamplifiercircuitfortesting.Regulatedpowersupplycircuitismainlyusedfortheop-amppowersupply,includingmeasuringchangesinthesignalamplificationcircuitsanddevicesintheop-amp.
测量放大器
一．主要任务分析
（1）
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。
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Vio的电压信号。
测量电路与放大器之间有1米长的连接线。
（2）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。
参见图2.
（3）电源。
二．方案设计与论证
放大电路
方案一：
直接采用高精度UA741运算放大器结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、失调电压和失调电流等参数亦受到放大器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，元器件较少，但仍将其舍弃。
参见图3
图3
方案二：
同相关联式高阻测量放大器：
线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模，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，因而不需要精密匹配电阻。
后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻精度则要求匹配。
增益分配一般前级取高值，后级取低值。
该方案电路结构简单，易于定位和控制。
只是调节增益必须手动调节电位器。
所以采用本方案。
参见图4
图4
方案三：
主要是对第二种方案的合理改造，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。
然后再通过A3进行信号变化，将双端输入信号转变成为单端输出。
为提高电路的共模抑制能力，A3为节约成本可采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加入了调零电路，并且为保证电路对称，用固定电阻R6与可变电阻R7串联后与R5进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，然后再接一级比例放大，通过调节R12的阻值可改变整个电路的放大倍数。
经过仿真测试，基本能满足实验要求，并且对于扩展部分，可以将R12用一个电阻网络代替，用单片机对其阻值进行控制即可满足放大倍数的调节，并且经过理论分析基本可以满足步进为1的要求。
但是电路比较复杂，故舍弃本方案。
参见图5
图5
信号变换电路
变换电路，将单线输人信号分别经过两个运算放大器．一个接成跟随器．另一个接成反相比例放大器，这样通过简单、基本的运算放大电路就将单端输入信号变换成双端输出。
电源电路的设计
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的电压输出，其电路如图7所示。
图7
稳压芯片LM7815的主要参数：
输出电流可达1A输出电压有：
15V
输出晶体管SOA保护7815极限值（Ta=25℃）
VI--输入电压（V0=5~18V）35V（VO=24V）40V
相关引脚
1--输入INPUT2--地GND
3--输出OUTPUT
三、设计原理及主要电路的参数计算
直流电源的原理及参数计算
电源电路主要由变压部分、整流部分、滤波部分和稳压部分组成。
变压部分主要由变压器组成，由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而可以得到相位相反的两个15V的交流源，输入到下一级的整流桥；
整流部分主要由四个二极管组成的整流桥组成，依据二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高；
滤波部分的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。
在小功率电路中采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。
由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大；
稳压部分主要由稳压芯片组成，在稳压芯片两端各加一个用于频率补偿的电容，防止产生自激，经过稳压芯片稳压后，输出基本为稳定的直流，尾端加上470μF的电容主要是用于滤除电路中可能存在的高频影响。
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最小压降Ud。
输出±
15V时，设计输出电流至少达到500mA，
在0.01s内电压变化为
△Umax=U×
（1-15%）-Ud-15=3.38V
C=△Q/△U=I.t/△U=0.5×
0.01/3.38=1478μF
其中U=18V（变压器输出的交流电压），Ud为7815和7915的最小压降，设计取
C=2000μF（在实物上直接焊接3300μF），在电源电压比正常值小15％或大10％时，电路仍能满足三端稳压器的最小压降，没有超出三端稳压器的耐压范围。
放大电路的原理及参数计算
前级采用同向差动放大，当只有
作用时，
=（1+
）
当只有
作用的时候，
采用的是差动输入方式，其
=（1+
）（
—
因为取元件的时候
=
，
=
所以
（
-
），所以通过调节
的大小来调节放大倍数
信号转换部分原理
当从函数发生器中输入信号时，信号发生器中的信号是单端信号，因此我们需要将单端信号转换成双端输出的信号。
经过同相跟随器
，以及反向比例器
之后单端信号
变成了两个幅值相同，相位相反的两个信号
和
.
四．仿真分析
电源的仿真测试
电源部分参数分析
理论值
仿真值
实际测量值
误差
+15V
+15.0V
+15.514V
+15.17V
1.13%
-15V
-15.0V
-15.627V
-14.76V
1.6%
经数据分析，误差在范围内，达到题目要求，能很好的为后面电路提供电源及测试需要。
信号转换器的仿真测试
放大电路的仿真测试
输入差模电压
设定放大倍数
输出差模电压
实测放大倍数
放大倍数相对误差
0.00361
300
1.081
299.45
-0.002
0.32
20
6.42
20.06
0.003
0.34
5
1.71
5.03
0.006
0.5
4
2.01
4.02
0.005
1.61
7
11.26
6.99
-0.001
1.64
6
9.83
5.99
频率特性（测试条件：
放大倍数置为1）
输入差模电压/V
输入信号频率/Hz
输出差模电压/V
差模放大倍数
差模放大倍数/dB
2.1
8.6548
4.3
1.024
0.206
1.19
4.24
1.06
0.506
104.7
4.4
1
1037
2000
0.02525
0.253
50.099
33.997
仿真中遇到的问题
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。
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。
但UA741运放在效果上稍差，大概输出电压为13.8V。
所以这种不受限制的放大只能在仿真软件的理想状况下出。
小结
通过本次课程设计，我学习到了很多东西，懂得只有把设计原理搞懂了，才能在设计内容方面游刃有如。
同时对于模电所学的差动放大器以及模拟集成运算放大器有了更深一步的理解，并学会了将理论知识向实际应用的转变。
加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共模抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系。
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，避免了将时间花在空洞的想象中。
在仿真调试过程中，我进一步学习了MULTISIM，Proteus仿真软件的使用，为电路设计提供了一个很好的仿真平台。
同时，也加深了模电课中所学到的有关于电路的频率相应特性的相关知识。
附件一原理图
整机电路图
附件二元器件清单
元件名称
元件参数
元件数量
变压器
220V～±
1个
稳压器
LM7815
LM7915
整流二极管
1N4007
4个
运算放大器
UA741
5个
电位器
10KΩ
2个
电阻
12个
1KΩ
电容
330pF
电解电容
4700μF
100μF
附件三参考文献
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
附件四
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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