测量放大器的设计.docx
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测量放大器的设计
大庆石油学院
课程设计
课程通信电子线路课程设计
题目测量放大器（终稿）
院系电气信息工程学院
专业班级通信工程07-1班
学生姓名ＡＡＡ
学生学号070602140114
指导教师阚玲玲张秀艳
2009年7月10日
大庆石油学院课程设计任务书
课程通信电子线路课程设计
题目测量放大器
专业通信工程姓名ＡＡＡ学号************
主要内容：
设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。
基本要求：
（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％。
主要参考资料：
[1]房国志.模拟电子基础[M].北京：
国防工业出版社,2007.
[2]唐竟新.模拟电子技术基础解题指南[M].北京：
清华大学出版社,2003
[3]全国大学电子设计竞赛获奖作品精选（1994～1999）[M].北京：
北京理工大学出版社，2002.
[4]华成英.模拟电子技术基础第四版[M].北京：
高等教育出版社,2005.
[5]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：
电子工业出版社，2003.
完成期限2009、6、29—2009、7、10
指导教师
专业负责人
2009年6月29日
目 录
2.2控制系统整体方案设计······························································································5
2.3直流稳压源方案设计··································································································7
3主要电路的参数计算9
3.1前段放大电路9
3.2程控放大部分9
3.3同频带计算10
3.4电源参数计算10
4.软件程序部分11
5.系统测试分析12
6.系统需要的元器件清单14
7.总结·······································································································································14
参考文献15
1.设计要求
（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％。
2.方案设计与论证
2.1测量放大器部分
（1）低噪声前置放大电路的设计最初方案如图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，选择了第二个方案，如图2。
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。
图2低噪声前置放大电路的设计
（2）程控增益放大部分:
为了改变放大器的增益，一般有两条途径：
一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。
通过设计一个电阻网络和开关来实现这种功能。
方案一：
采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变电压增益。
此方案的优点在于继电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较少，且有很好的隔离作用。
但缺点是电阻网络的匹配难以实现，且占用体积大，速度较慢。
因此，给调试工作将带来很大的困难。
图3程控增益部分放大电路图
方案二：
为了解决电阻网络的匹配问题，考虑能否利用集成的高精度电阻网络。
鉴于D/A转换器能把数字量变为模拟量，它的内部结构一般是电阻R-2R梯形网络，并集成有多路模拟开关。
因此，我们采取了与常规D/A变换不同的用法，巧妙地反向利用D/A转换器的内部电阻网络实现此功能。
又考虑到AD7628是一种廉价型的10位D/A转换芯片，由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络由薄膜电阻构成，激光修正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点。
因此，最后采用方案二来实现程控电压增益。
其等效电路图为图3。
由数字量控制的R-2R梯形网络在反馈回路上等效为输入电阻Rpo。
从参考电压VR流经梯形网络至IOUT1端的电流IF'和没有分流电阻R0时的电流，I（IOUT1）相比，其关系为，IF’=（D/1024）×I，故RF=（1024/D）×R0。
因此，这种程控增益放大器的增益A为
数字量D与放大器增益A的关系表为
表1DA关系表
数字量（D）
增益A
1111111111
1111111110
.
.
.
0000000001
-1023
-1022
.
.
.
-1
通过调节RFB的值，可使上表的对应关系得以满足。
（3）信号变换放大器部分
题目要求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。
为了使信号不失真，就须保证电路的对称性。
所以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4。
图4信号变换放大器
图5改进后的信号变换放大器
同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使Vo（+）=（1/2）Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得VO（-）=-（1/2）Vin，从而实现不失真变换。
我们在调试图4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5。
此电路从同相端输入，因此输入阻抗高，满足题目提出的要求。
2.2控制系统整体方案设计
控制系统原理框图见图6。
采用四位KSA-3型的BCD拨码开关，用来预置调节差模电压增益。
它的优点是断电后再开启时，不用重新置数。
8031系统包括8031、74LS373、74LSl38译码器以及8255等外围芯片。
显示驱动芯片采用INTERSIL公司生产的CMOS通用型8位LED数码管驱动电路7218B。
它内含位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8×8位的静态存储器以及七段16进制显示码和10进制显示译码电路。
该电路采用单一+5v电源供电，数据在电压降至2V时仍可保存不丢失。
它与MCS-51系列单片机的接口非常简单，而且8位LED数码管直接与7218B相连，不需接上拉电阻。
通过改变电桥桥臂电阻得到一差模信号，信号先经前端放大，此级放大的主要作用是提高共模抑制比，减少零漂。
接着经程控增益放大后，调节放大倍数，使显示与实际放大倍数对应。
系统电路图见图7所示。
2.3直流稳压电源方案设计
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：
（1）降压部分：
降压部分主要有变压器组成，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的交流电源，输入到下一级的整流桥，变压器的型号为15V的输出，功率要大于10W
（2）整流部分：
整流部分主要有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，负极性与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单向的脉动电压。
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，电压变压器得到了充分的利用，效率较高
（3）滤波部分：
滤波部分主要有两个容量很大的电容组成，利用的是大电容充放电时间较长的原理，将整流后的波形进一步平整化，为后一级稳压部分提供近似于直流的电源。
电容取3300uF足以满足要求。
（4）稳压部分：
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，输出基本为稳定直流，能够满足设计电路的供电要求。
稳压芯片选用的是常用的LM7815和LM7915，其中，LM7815输出的是15v,而LM7915输出的是负的15V。
尾段加的47uF的电容主要是用于滤波电路中可能存在的高频影响
3主要电路的参数计算
3.1前段放大电路
第一级差模放大倍数Av1如下:
解得：
即差模增益为Avl=10。
第二级差模放大倍数Av2计算如下：
此级放大倍数Av2=3.9。
所以总的前端放大倍数AV1×Av2=10×3.9=39。
3.2程控放大部分
为保证最终输换器中的数值置为1000，通过调节负反馈电阻RFB来实现实际Av=1000，以后不需要再次调整RFB，设计为约256kΩ的电阻，实际制作中采取200kΩ电阻与100kΩ电位器串联的方法来实现。
3.2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
题目要求输出电压为10V，通频带0～100Hz，则压摆率至少要达到
使用的OP07压摆率为Sr=0.17×106V/μs，理论运放的通频带为
由于加了低通滤波，通频带为
所以系统的理论通频带为0～398Hz。
3.4.电源参数计算
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500mA。
在0.01s内电压变化为
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的最小压降。
设计取C＝3300μF，足以满足需要。
②输出+5v，设计输出电流可达1A。
同理可得
其中，U=9.7V（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.软件程序部分
总程序框图见图9。
子程序1：
保存拨码开关预置值，见图10。
子程序2：
显示部分（略）。
子程序3：
将8421码转换为16（略）。
5.系统测试分析
将两个同相输入端接地，调整前端放大器的调零电阻R8，使输出为0。
再将两个同相端相连，接一共模信号，调节R12使得共模增益最小。
以上调节应反复进行，以求最佳效果。
接着调整后级放大器的零点，使其输出为0。
之后，输入一差模信号，调节反馈电阻RFB来改变差模电压增益，使之与预置的数一一对应。
差模增益的调节与零点的调节也应反复进行。
经过测试，当Av=1023时，输出噪声峰-峰值为45mV，直流漂移为0.5mV。
为了测试非线性误差，我们测量了以下几组数据：
测量环境：
室温24℃，日期：
2009年7月8日。
表2测试非线性误差表
测试仪器：
YB165l功率函数信号发生器；SS-780220MHz双踪示波器；HP34401七位半数字万用表；YB2173交流电压表。
设置的AVD
Vin/mV
Vout/V
AVD
误差/%
1
67.603
67.189（mV）
1.009
0.20
10
67.991
0.679
9.987
0.13
50
67.969
3.398
49.999
0.01
100
68.082
6.730
99.80
0.10
200
13.880
2.765
199.568
0.19
500
13.061
6.570
501.490
0.30
1000
5.334
5.320
998.700
0.13
表3测试数据记录
f/Hz
Vin/mV
Vout/V
AVD
Av/dB
3.6
3.5
3.50
1000
60.0
5.0
3.6
3.50
972
59.8
10.2
3.75
3.30
880
58.9
20.0
3.85
3.30
857
58.4
30.2
3.85
3.20
831
58.7
50.2
3.95
3.20
810
58.2
100.4
3.95
3.15
797
58.0
200.0
3.95
3.00
759
57.6
240.3
3.95
3.00
759
57.6
300.6
3.95
2.95
747
57..5
350.0
3.95
2.80
709
57.0
370.5
3.95
2.75
696
56.9
400.5
3.95
2.70
684
56.7
由以上数据可以看出，本系统的非线性误差≤0.3％。
产生非线性误差的主要原因除了电路本身的非线性，还有电阻的热稳定性差、阻值发生变化等因素。
当放大倍数预置为l000时，输入端接一差模信号，改变输入频率，测量输出电压，从而计算放大倍数，再求出通频带。
表3是测试数据记录
由实验测试得通频带为0～350Hz，与理论值相符。
6.总结
本系统为一可预制放大倍数的测量放大器，该放大器有前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520衰减器和单片机键盘显示处理模块三大模块组成。
基本完成了设计要求，该设计最大的创新在于共模抑制的电路设计，经测试后共模抑制比很高，但部分电路仍有待提高，指标也仍需改进。
7.系统需要的元器件清单
表4元器件清单
序号
元器件类型
元器件规格
数量
备注
1
集成运放
OP70CP
10
2
数模转换器
AD7628
1
3
稳压芯片
LM815
1
4
稳压芯片
LM915
1
5
译码器
74LS138
1
6
译码器
74LS373
1
7
外围芯片
8255
1
8
单片机
8031
1
9
显示驱动芯片
7218B
1
10
BCD拨码开关
四位KSA-3
1
11
LED数码管
八位
8
12
电容
若干
13
电阻
若干
14
划线变阻器
1
15
变压器
1
三端口
16
单向桥
1
17
二极管
20
参考文献
[1]房国志.模拟电子基础[M].北京：
国防工业出版社,2007.
[2]唐竟新.模拟电子技术基础解题指南[M].北京：
清华大学出版社,2003.
[3]全国大学电子设计竞赛获奖作品精选（1994～1999）[M].北京：
北京理工大学出版社，2002.
[4]华成英.模拟电子技术基础第四版[M].北京：
高等教育出版社,2005.
[5]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：
电子工业出版社，2003.
大庆石油学院课程设计成绩评价表
课程名称
通信电子线路设计
题目名称
测量放大器
学生姓名
ＡＡＡ
学号
070602140114
指导教
师姓名
ＡＡＡ
职称
助教
副教授
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
2009年7月11日
升级会员 