测量放大器.docx
《测量放大器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量放大器.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
测量放大器
测量放大器
摘要
本系统主要由直流电压放大器、信号转换器、稳压电源、MSP430单片机控制系统、显示系统五部分构成。
其中，测量放大器主要是为了测量微小的信号，小信号经过由集成芯片构成的放大电路放大后，才会得到准确的结果。
而信号转换器主要是将单端的输入信号转换为双端的输出信号，通过信号发生器给测量放大器提供频率，以便测量放大器的通频带。
稳压电源就是给系统提供一个正负15V的电压。
至于控制部分，是为了满足发挥部分，实现放大倍数在1~1000倍可自动调节。
以放大器输出的电压为参考电压，经过DAC7802UK转换为模拟电压，通过单片机控制DAC7802UK，来控制电路的放大倍数，并在数码管上显示。
关键字：
直流放大器信号转换器DAC7802UKMSP430单片机
一、系统方案设计与论证
1．直流电压放大电路
方案一：
直流电压放大器由两级构成，前级采用差分输入放大电路，后级采用反相输入放大电路，根据实验要求差模放大最高达1000倍，只需两级放大总的放大倍数可达1000倍即可。
该电路结构简单，原理可行，但是输入阻抗不高，共模抑制比也比较低，也不利于抑制系统的零漂等等不足之处，不能满足设计的要求，顾不可取。
方案二：
测量放大器由三级构成，集成运放A1、A2组成第一级，二者均为同相输入方式且处于完全对称电路，因为这样电路的输入阻抗很高，并且漂移可以相互抵消。
第二级的A3为差分输入方式，将差分输入转换为单端输出，另外，电路采用的是精密电阻，实现了电路的完全对称，提高了系统的共模抑制比。
为了使放大倍数再0~1000倍可调，采用第三级放大，为反向输入放大，目地在于提高放大倍数。
通过比较选择方案二
2．信号转换电路
信号转换器主要是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的频率特性的输入信号。
其中为了使信号不失真，电路必须采用对称的电路，将单端输入转换为双端输出，在输入相同电压Vi的情况下，一个运放的一端先用两个相同的电阻进行分压，然后经过一个电压跟随器输出电压，最后输出的电压为1/2Vi，另一个运放采用反向输入放大电路，实现输出电压为-1/2Vi。
此设计方案比较简单也能满足要求。
3．DAC7802芯片的选择
题目要求使用单片机对放大倍数进行控制，首先想到的是调节反馈电阻，其次可以使用可编程增益调整放大器。
方案一：
可编程电阻
由于实验室只有X9C103S，而X9C103S只可以取100个阻值，达不到放大倍数为1~1000，步进为1的要求，固不可取。
方案二：
可编程增益调整放大器
由于实验室只有AD603，而AD603其放大倍数为-11~31，或者-1~41，要想达到实验要求要用三个可编程增益调整放大器，不现实。
经过和其他组讨论，最终决定使用DAC7802，其参考电压+-16V，满足实验要求。
4．总体方案描述
该方案的关键是直流电压放大电路，因为从电桥电路出来的电压信号是很微弱的，只有经过一定的放大，并用单片机去控制DAC1802去实现放大倍数的自动调节，通过按键去增减放大倍数的数值，并在数码管显示放大倍数。
当倍数确定后，分别去测量直流放大器的各性能参数，例如差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声、通频带是否是在实验要求范围内。
而信号转换器主要是将信号发生器出来的信号转换为双端输出，以便测量直流放大器的通频带，直流稳压电源是为了给电路提供一个稳定的正负15v的电源。
整体电路的建立主要是用于在实际中去测量微小的信号，做好直流放大部分，并实现自动调节放大倍数是该系统的核心。
如图一：
图一
二、理论分析与计算
1．直流电压放大器
直流电压放大器的电路需要用对称的电路的，因为只有电路结构对称，才能更好地抑制电路的零漂。
电路的第一级需要用同相输入放大电路，因为同相输入电路的输入阻抗高，另外，差分输入电路必须采用精密电阻，并且精确匹配，才能提高电路的共模抑制比。
最后一级加入滑阻，是为了调节放大倍数。
为了使电路在输入为零，输出也为零，在第二级与第三级都可以加入调零电阻。
共模放大倍数
，为了使Ac为零，共模理论为无穷多大，有
.
2．信号转换器
信号转换器主要是将单端输入转换为双端输出，先分压，后电压跟随器就可以实现输出为1/2Vi,另一端用个反相放大1/2倍,就能实现输出为-1/2Vi。
3．稳压电源
稳压电源由变压器电路、整流电路、滤波电路、稳压电路构成。
其中变压器是将220V的交流电压转换为低的交流电压，再通过整流电路转化为脉动的直流电流，通过滤波电路将从整流电路出来的交流大部分去掉，那么此时滤波电路的电容要合理选择，一般取100uf，稳压电路运用集成芯片LM7815、LM7915使输出的直流电压为正负15V。
4．输入电阻的计算
三、各部分电路设计
1．直流电压放大电路
第一级放大5倍，
即
因为电路对称，取
。
第二级放大-10倍，由于电路对称，
即
取
。
第三级放大-20倍，
即
取
，调零电阻取
。
如图二：
图二mulitisim中剪出的图
2．信号转换电路
R1、R3是为了分压的，只有
时，经过电压跟随输出的电压为
，取
要想使另一端输出为
，则取反向输入电阻
滑阻100K,用来调节放大倍数为1/2。
如图三：
图三mulitisim中剪出的图
3．稳压电源
变压器将220V交流转换成20v左右的交流信号，再利用整流桥对转换后的信号进行整流，将交流电压变换为单向脉动电压。
再加电容滤波，尽可能的将单脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。
在加入稳压芯片使输出电压为稳定直流电压。
如图四：
图四mulitisim中剪出的图
四、系统软件设计
将测量放大器的输出电压作为DAC7802的参考电压，通过按键设置放大倍数，并由数码管显示，DAC7802输出放大后的电压。
如图五：
图五
五、测试方案与测试结果
1．测量仪器
序号
仪器名称
型号
指标
1
双踪示波器
GDS-1062
60MHz带宽
250MSa/s采样率
2
数字合成信号发生器
SG1040A
1uHz~40MHz
3
数字万用表
MS8265
4位半
2．差模放大倍数测试
利用电阻桥分压，以及分压后的电压差值作为差模输入信号为10mv，改变放大倍数，测量输出电压，数据如下：
输入电压
（mv）
放预置大倍数
输出电压
非线性误差
理论
实际
10
1000
10v
10.002v
0.02%
750
7.5v
7.485v
0.15%
500
5v
4.989v
0.11%
250
2.5v
2.494v
0.06%
100
1v
0.999v
0.01%
50
0.5v
0.498v
0.02%
10
0.1v
0.10161v
0.0161%
5
0.05v
0.05241v
0.024%
2
0.02v
0.02347v
0.0347%
1
0.01v
0.01318v
0.0318%
由表知非线性误差小于0.5%。
3．共模放大倍数测试
用数字合成信号发生器给出幅度为15v的交流信号，接入测量放大器，看示波器峰峰值，计算共模放大倍数。
用直流稳压电源给7.5V输入共模电压，用万用表测量其输出电压值，计算共模放大倍数。
如下表：
交流输入
差模放大倍数
峰峰值
共模放大倍数
电压
频率
15V
5Hz
1000
76mV
0.0051
直流输入
差模放大倍数
输出电压
共模放大倍数
7.5V
1000
30mV
0.004
4．共模抑制比计算
共模抑制比为
。
如下表：
计算
输入方式
共模抑制比
交流输入
1.97*10^5
直流输入
2.5*10^5
直流输入和交流输入均大于
，满足要求。
5．输出噪声测试
将输入接地，用示波器测量输出，看峰峰值为26.4mV，小于1V，满足要求。
6．通频带测试
用数字合成信号发生器，给幅度10mv，经过信号转换放大器输出给测量放大器，改变放大倍数，看示波器的峰峰值，改变频率，当峰峰值变为原来的0.707倍时，记录频率。
如下表：
预置放大倍数
理论输出电压
失真频率
1000
10V
5900Hz
当频率超过5900Hz时，电压没有衰减，但是波形失真，所以频带宽度为0~5900Hz。
六、参考文献
《模拟电子技术基础简明教程》（第三版）杨素行高等教育出版社
《电子线路》第三版谢自美华中科技大学出版社
《单片机原理与接口技术》李朝青北京航空航天大学出版社
《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践》沈建华杨艳琴北京航空航天大学出版社
升级会员 