电子技术课程设计仪用放大电路的设计 精品.docx
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电子技术课程设计仪用放大电路的设计精品
湖南文理学院课程设计报告
课程名称：
电子技术设计与工艺实习
院部：
电气与信息工程学院
专业班级：
自动化10102班
学生姓名：
指导教师：
完成时间：
2012.06.11
报告成绩：
摘要
放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。
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压信号的放大。
本次课程设计一仪用放大器及其所用的稳压电源。
用集成运放OP07设计的仪用放大电路的放大倍数要在一定范围内可调，具有高共模抑制比，通频带在0～10Hz之间，能克服温漂、零漂的影响，并且能够实现由单相220V交流电压供给电路+12V电源和-12V电源。
借助Multisim2001和Proteus仿真软件对电路的最大输出电压、放大倍数、共模抑制能力以及通频带进行分析。
通过仿真分析验证了设计的正确性，达到了设计的预期目的。
关键词：
仪用放大器；集成运放OP07；通频带；高共模抑制能力；稳压电源
Abstract
Theamplifierisanelectronicsystemimportantconstituent,understandandmastertheamplifiertothestudyandapplicationofelectronicsystemhasagreathelp.Signaldetectionintheamplifyingcircuithasmanytypes,theactualsystemoftenusedinmeasuringamplifierandisolationamplifier.Measuringamplifierismainlyrealizedonmicrosignalmeasurement,mainlythroughtheuseofintegratedoperationalamplifiercompositionmeasurementamplificationcircuitforweakvoltagesignalamplification.
Thiscourseisdesignedtoaninstrumentamplifierandthevoltagestabilizingpowersupply.IntegratedoperationalamplifierOP07designinstrumentamplificationcircuittothemagnificationcanbeadjustedinacertainrange,hashighcommon-moderejectionratio,passbandbetween0～10Hz,canovercomethetemperaturedrift,zerodrifteffects,andcanachieveby220Vsingle-phaseACvoltagesupplycircuit+12Vandthe-12Vpowersupply.WiththehelpofMultisim2001andProteussimulationsoftwaretothemaximumoutputvoltageofthecircuit,amplification,common-moderejectionabilityaswellasthepassbandanalysis.Throughanalysisofsimulationverifiesthecorrectnessofthedesign,toachievethedesiredobjectiveofthedesign.
Keywords:
instrumentationamplifier;integratedoperationalamplifierOP07;band;highcommon-moderejection;regulatedpowersupply
第一章直流稳压源的设计
电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路的稳定性和可靠性。
在实践中，有很多因素变化时，都将使直流稳压电源的输出电压发生变化。
如电网电压变动，负载变动引起输出电流变化、温度变化、频率变化等。
所以电源的设计至关重要。
1.1电路设计原理
单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换正稳定的直流电压。
因此，本次课程设计中，电源电路主要由降压部分，整流部分，滤波部分，稳压部分组成。
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压转换成整流电路所需要的电压，整流电路的作用是将交流电压转换成脉动的直流电压。
滤波的作用是将脉动直流电压滤除纹波，变成纹波小的直流电压。
稳压电路的作用就是将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压。
1.2降压部分
电网电压为AC220V,预得到低压直流必须先进行降压处理。
常用降压方式有变压器降压和电容降压。
电容降压整流电路体积小、重量轻、成本低，是一些小功率和便携式用电压降压的首选方式。
但也存在不足，如输出功率小，不宜用在大功率用电器中；电容呈容性，无论负载是否工作都存在一定的功耗，电路安全性低。
变压器降压可提供较大的功率，在体积与重量要求不高时应用极为广泛。
本次课程设计降压部分主要由变压器组成，由于要为双电源的运放供电，因此要采用三抽头的变压器将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压从而可以得到相位相反的两个12V的交流源，得到整流滤波电路所需要的交流电压，输入到下一级的整流桥，变压器的型号为12V的输出。
1.3整流部分
变压器降压后，输出的仍然是交流电，起波形依然是正弦波，还必须进行整流滤波，方能得到直流电压。
整流部分主要由四个二极管组成的整流桥组成如图1.1所示，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。
1.4滤波部分
整流电路的输出电压虽然是单一方面的，无论是哪一种整流，都无法完全把“波”的痕迹去除干净。
就算是优秀的桥式整流，其输出仍然是一个直流脉动电压（既含直流成分也含交流成分）。
脉动较大，含有较大的谐波成分，不能适应大多数电子线路及设备的要求。
因此，一般整流后，为了减少这种脉动成分，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压，而电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路如图1.2所示。
本次设计中，滤波部分主要有两个容量很大的电容构成，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，为后一级的稳压部分提供近似于直流的电源。
1.5稳压部分
稳压电路的原理：
当电网电压波动（或负载电阻的变化）使输出电压上升时，取样电压增大，由于稳压管的电压不变，运放的输入电压增大，使调整管的基极电位降低，而使调整管T的c-e压降低增大，从而调节输出电压减小。
使输出电压得到稳定。
根据稳压电路原理可知稳压电路的关键，一是设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。
而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，能够满足设计电路的供电要求。
稳压芯片选用的是常用的LM7812和LM7912，其中，7812输出的是正的12V，而7912输出的是负的12V。
尾端再加的电容主要是用于滤除电路中可能存在的高频影响。
（一）稳压芯片LM7812的主要参数
主要参数：
最大输出电流：
1A
输出电压：
12V
可替代型号：
L7812,LM340T12
（二）稳压芯片LM7912的主要参数
主要参数：
最大输出电流：
1A
输出电压：
–12V
可替代型号：
L7912
通过以上分析得到稳压电源电路原理图如所示，主要由降压部分，整流部分，滤波部分，稳压部分组成。
第二章仪用放大器的设计
放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有放大仪用器和隔离放大器。
仪用放大器是一种高增益、直流耦合放大器，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。
能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，通常用在数据采集、自动控制及精密仪器等电子系统中。
2.1设计原理
放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
仪用放大器是在差动放大器的基础上产生的，它可分解成并联差值比例放大输入级和差动放大输出级两部分，仪用放大器的失调与漂移，主要决定于差值比例放大电路。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有仪用放大器和隔离放大器。
（1）仪用放大器又称为数据放大器或测量放大器，常用于热电偶，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。
（2）仪用放大器是一种高增益、直流耦合放大器，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，差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。
差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，在参数完全对称的情况下，共模输出
为零。
（3）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，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。
为了抑制干扰，运放通常采用差动输人方式。
对仪用电路的基本要求是：
①高输人阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引人的误差。
②高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引人的误差。
③高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。
（4）用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。
（5）集成运放实际上是一种高性能的直接耦合放大电路，从外部看，可以等效成双端输入、单端输出的差分放大电路。
用集成运算放大器放大信号的主要优点：
电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系；由于运放得开环增益都很高，用其构成的放大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小：
运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。
又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。
以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种：
同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器，高共模抑制测量放大器。
本次设计通过采用通用放大器的改造来实现设计一仪用放大器及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求。
仪用放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成仪用放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，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已实现对比较大的范围的被测信号的测量。
2.2设计方案及实现
2.2.1方案论证与比较
一、用分立元件搭建电路
用单级晶体管搭建的电路可分为共基、共射、共集和复合放大电路等四种接法。
且实现电路简单，分析方便，同时在分析静态工作点Q点时，可以用估算法或者图解法。
而动态参数可以利用图解分析并可以分析失真情况。
但是，用单级晶体管搭建的电路，放大倍数不够大，同时有很多的参数达不到要求。
用多级晶体管搭建电路中直接耦合方式是采用直接相连的方式使各级之间的直流通路相连，直接耦合电路中有个比较致命的缺点—零点漂移，这是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态每一级的静态工作点发生变化，并逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下浮动的现象。
显然，放大器级数越多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。
严重时，有可能使输入的微弱信号淹没在漂移之中，无法分辨，从而达不到预期的传输效果。
因此，提高放大倍数和降低零点漂移是直接耦合放大电路的主要矛盾。
产生零点漂移的原因很多，如电源电压的不稳、元器件参数变值、环境温度变化等。
其中最主要因素是温度的变化，因为晶体管是温度的敏感元件，当温度变化时，其参数Ube、放大倍数等都将发生变化，最终导致放大电路静态工作点产生偏移。
此外，在诸因素中，最难控制的也是温度的变化。
这样就给分析、设计和调试带来一定的困难。
但直接耦合放大电路的优点就是具有很好的低频特性可以放大变化很慢的信号和直流信号。
抑制零点漂移的措施除了精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源以及稳定静态工作点的方法外，在实际电路中常采用补偿和调制两种手段。
补偿是指用另外一个元器件的漂移来抵消放大电路的漂移，如果参数配合得当，就能把漂移抑制在较低的限度之内。
在分立元件组成的电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点。
阻容耦合方式是在前一级的输出和后一级的输入用电容相连。
由于电容对直流的阻抗
是无穷大的，因而各级的直流通路是不相通的，各级静态工作点相互独立。
所以在分析、设计和调试就简单多了，同时，在计算静态工作点Q时，也大大的减少了计算量。
但是阻容耦合方式的低频特性很差，不能放大直流信号。
变压器耦合方式是前端的输出端通过变压器接到后端的输入端或负载电阻上。
由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的静态工作点相互独立，便于分析、设计、和调试。
而它的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重，更不能集成化。
二、用集成电路搭建电路
电子集成化的最初设想是在晶体管兴起不久后由英国科学家达默于1952年提出的。
他设想按照电子线路的要求，将一个线路所包含的晶体管和其他必要元件全部集合在一块半导体晶片上，从而构成一块具有预定功能的电路。
在信息化的今天，各种电子设备和仪器无不大量地使用集成电路，且新的、功能更强大的集成电路层出不穷。
集成电路又可分为模拟型和数字型两种。
电子集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，实现了放大器的功能。
同时，由于运放中的晶体管的外围器件的型号和参数都是确定的，所以在使用运放时，不需要考虑放大器的静态工作点等问题，免去了调度电路的麻烦。
所以，运算放大器大大简化了电路的结构。
集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分等）上，故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。
集成运放广泛用于模拟信号的处理和发生的电路之中，因其高性能、低价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。
抑制零点漂移的措施，在实际电路中采用补偿和调制两种手段。
然而在集成电路内部应用最广的单元电路就是基于参数补偿原理构成的差动式放大电路.
方案一
如图2.1所示，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。
方案二
如图2.2所示，该电路中只需用到三个集成运放，电路设计满足同相并联差值比例输入级和差分放大输出级，其中U1与U2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和开环增益）的集成运放OP07，工作于同相放大方式，构成平衡对称的差动放大输入级，U3仍采用集成运放OP07，工作于差动放大方式，用来进一步抑制U1、U2的共模信号，并接成单端输出方式适应接地负载的需要。
R10与R8、R9组成反馈网络，引入了负反馈，这样不但增益稳定，而且噪声、失真、输出阻抗都降低了，输入阻抗也增大了，满足放大电路的性能指标。
电路中通过对电位器的调节，来实现该测量放大器放大倍数的调节。
2.2.2方案的比较
方案一中电路的特点是电路简单，元器件较少，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。
而方案二的电路不仅简单，易于实现，所用元器件少，节约成本还可以消除零漂的影响。
通过以上两种方案的比较选择方案二。
2.2.3器件选择
元器件的选择是高性能放大的保证，电路中运放U1、U2和U3均选用集成运放OP07。
U1和U2的参数必须尽可能相同其输入阻抗、共模抑制比和开环增益一致，这样，电路中除了具有差模、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。
同时，为提高共模抑制比，对称的电阻必须精密配置，通过调试电路，及在电路中用电位器代替电阻的方式，满足本课程设计要求的基本原则下，最终确定RW的电阻值及R的电阻值。
集成运放按供电方式可被分为双电源供电和单电源供电，在双电源供电中又分为单运放、双运放和四运放。
按制造工艺可将运放分为双极性、CMOS型和BiFET型，双极性运放一般输入偏置电流及器件功耗较大，但由于采用多种改进技术，所以种类多，功能强；CMOS型运放输入阻抗高、功耗小，可在低点源电压下工作，初期产品精度低、增益小、速度慢，但目前已有低失调电压、低噪声、高速度、强驱动能力的产品；BiFET型运放采用双极型管和单级型管混合搭配的生产工艺，以场效应管作输入级，使输入电阻高达1012Ω以上，目前有电参数各不相同的多种产品。
对于本次设计中的前级运放U1、U2两个运放，要选择两个参数一样，最好选择双差分对管，即在一个集成芯片上有两个参数一样的差分放大器。
且要求输入阻抗（Ri）大，至少大于2MΩ，温漂要小，差模放大倍数（AVD）要大，共模抑制比（KCMR）要大的场效应管，而OP07则满足以上要求。
（一）OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+
表2.1OP07最大额定值
符号
参数
数值
单位
VCC
电源电压
±22
V
Vid
差分输入电压
±30
V
Vi
输入电压
±22
V
Toper
工作温度
－40～＋105
℃
Tstg
贮藏温度
－65～＋150
℃
（二）OP07作为常用运放的功能特点
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
具有低失调、低漂移、低噪声、偏置电流小等优点。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
有如下特点：
（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～-1na
（6）高的共模抑制比-126db
（7）宽的共模输入电压范围+14v～-14v
（8）宽的电源电压范围±3v～±22v
（9）可替代725，108A，741，AD510等电路
2.3仪用放大器放大的原理
现所设计的仪用放大器是三运放结构，如图2.5它是由运放
按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放
组成第二级差分放大电路。
在第一级电路中，
分别加到
和
的同向端，
和
组成的反馈网络，引入了负反馈。
由
虚短可得
………………………（2.1）
又由
虚断可得
………………（2.2）
整理得
……………….（2.4）
又由
虚断可得
整理得
……………….（2.3）
由
虚短可得
………………（2.5）
则由2.3式、2.4式和2.5式可得
整理后可得
在上式中，如果我们选取电阻满足
的关系，则输出电压可化简为
………………（2.7
根据式2.2和2.7我们可以得到
第三章仪表放大电路主要性能指标分析
3.1仪表放大器电路参数计算
3.1.1差模放大倍数
仪用放大电路用Multisim2001软件进行仿真。
在实际仿真中，调节滑动变阻器，通过仿真可得表3.1：
表3.1数据记录表
编号
输入（V）
输出（V）
放大倍数
1
18.885
910
48.186
2
9.999
1153
115.4
3
10.001
1610
160.9
4
9.994
1674
167.9
5
9.996
2674
267.5
（放大倍数公式）
3.2仪用放大电路主要性能指标
3..2.1最大输出电压
如图3.2所示，通过对电路仿真及对滑动变阻器的粗调和细调，在方案二的电路中再加入了R7，其中R7=15KΩ，再调节滑动变阻器R5，通过一次次的仿真及参数对比，当R5=2KΩ时,最终实现了最大输出电压为10V的伏值。
满足设计要求。
如图3.3，通过仿真，可得出：
最大输出电压为±10V
3.3.2共模抑制能力分析
如图3.4所示，当双端输入时，对u1及u2输入共模信号即两信号大小相等，极性相同，由仿真波形可看出，电路对输入的共模信号有抑制作用，基本满足本次课程设计要求。
3.3.3通频带分析
通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力，由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。
一般情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。
在本次课程设计中，需满足通频带为0～10Hz。
当为0Hz时，仿真图如下：
当为10Hz时，仿真图如下：
第四章仪用放大电路印制电路板设计制作
4.1印制板设计要求
一、正确
这是印制板设计最基本、最重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。
这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到，一般的产品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的CAD软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。
二、可靠
这是PCB设计中较高一层的要求。
连接正确的电路板不一定可靠性好，例如板材选择不合理，板厚及安装固定不正确，元器件布局布线不当等都可能导致PCB不能可靠地工作，早期失效甚至根本不能正确工作。
再如多层板和单、双面板相比，设计时要容易得多，但就可靠而言却不如单、双面板。
从可靠性的角度讲，结构越简单，使用面越小，板子层数越少，可靠性越高。
三、合理
这是PCB
升级会员 