测量放大器的设计.docx

1、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 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 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 AVD1500，可手动调节；b、最大输出电压为10V，非线性误差 105 ；d、在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小

2、于1V；e、通频带010Hz ；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1015。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,20033 全国大学电子设计竞赛获奖作品精选（19941999）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.

3、完成期限 2009、6、292009、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52.3直流稳压源方案设计73主要电路的参数计算 93.1前段放大电路 93.2程控放大部分 93.3 同频带计算 103.4电源参数计算 104.软件程序部分 115.系统测试分析 126.系统需要的元器件清单 147.总结14参考文献 151.设计要求(1) 测量放大器a、差模电压放大倍数 AVD1500，可手动调节；b、最大输出电压为10V，非线性误差 105 ；d、在AVD500时，输出端噪声电压的峰峰值小于1V；e、通频带010Hz ；f、直流电压放大器的差模

4、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1015。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2.5106，交流信号的共模抑制比可达 2105。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

5、 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

6、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-

7、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1 DA关系表数字量（D）增益A11111111111111111110.0000000001-1023-1022.-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

8、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20k，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

9、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 88 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+5 v 电源供电，数据在电压降至 2 V 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

10、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

11、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

12、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3300 uF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

13、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AV1Av2=103.9=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256 k的电阻，实际制作中采取200 k电阻与100 k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 0100Hz，则压摆率至少要达

14、到使用的OP07压摆率为Sr=0.17106V/s，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0398 Hz。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。 输出15V时，设计输出电流至少达到500 mA。 在0.01 s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C3300F，足以满足需要。 输出+5 v，设计输出电流可达1A。 同

15、理可得其中，U=9.7 V（变压器输出交流电压），1V 为二极管压降。设计取C=4700F，实际所需电流为几百毫安，足以满足要求。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

16、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 45 mV，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-7802 20MHz 双踪示波器；HP34401 七位半数字万用表；YB2173 交流电压表。设置的AVDVin/mVVout/VAVD误差/%167.60367.189(mV)1.0090.201067.9910.6799.9870.1350

17、67.9693.39849.9990.0110068.0826.73099.800.1020013.8802.765199.5680.1950013.0616.570501.4900.3010005.3345.320998.7000.13表3 测试数据记录f/HzVin/mVVout/VAVDAv/dB3.63.53.50100060.05.03.63.5097259.810.23.753.3088058.920.03.853.3085758.430.23.853.2083158.750.23.953.2081058.2100.43.953.1579758.0200.03.953.007595

18、7.6240.33.953.0075957.6300.63.952.9574757.5350.03.952.8070957.0370.53.952.7569656.9400.53.952.7068456.7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 0350Hz，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

19、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OP70CP102数模转换器AD762813稳压芯片LM81514稳压芯片LM91515译码器74LS13816译码器74LS37317外围芯片825518单片机803119显示驱动芯片7218B110BCD 拨码开关四位 KSA-3111LED 数码管八位812电容 若干13电阻若干14划线变阻器115变压器1三端口16单向桥11

20、7二极管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（19941999）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学号070602140114指导教师姓名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。202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。453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。54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