测量放大器的设计

课程设计(论文)

题目名称测量放大器的设计

课程名称综合电子课程设计

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目录

一、概述 (1)

二、方案设计与论证 (2)

1、设计任务和要求 (2)

2、设计原理 (2)

3、设计方案及实 (4)

三、直流电压放大器 (5)

四、放大器性能测试 (6)

五、仿真结果和分析 (7)

1、各部分的仿真结果 (7)

六、主要电路参数计算 (13)

1、放大倍数计算 (10)

七、结论与心得 (10)

八、参考文献 (11)

摘要

本设计主要是测量放大器,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。

关键词：放大器；频率；电源；电桥

一、概述

随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。测量放大器专门精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。测量放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。测量放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输出端与输出端之间连接的外部电阻决定，而测量放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。测量放大器的 2 个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻置。

本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量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.。测量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测量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。

测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大

二、方案设计与论证

1、设计任务和要求

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。输入信号V I 取自桥式测量电路的输出。当R1＝R2＝R3＝R4时，V I＝0。R2改变时，产生V I ≠0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。

a. 差模电压放大倍数A VD＝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K CMR >105 ；

d. 在A VD＝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、设计原理

原理概述

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。

测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，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。

测量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，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。

测量放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共模信号几乎没有抑制作用，对共模信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成,而且放大器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增和第二级电路的共摸抑制比的乘积。

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。对测量电路的基本要求是：

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。

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

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。

用集成运算放大器放大信号的主要优点:

（1）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.

（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防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。

（3）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。

运算放大器组成的放大电路，按电路的性质可分为反相放大器，同相放大器和差分放大器三种。按输入信号性质又可分为直流放大器和交流放大器两类。

差分放大器分为（1）单端输入、单端输出（2）双端输入、单端输出（3）单端输入、双端输出三种，而双端输入、单端输出型差动放大器常用于多级差分放大电路的中间极或末极。

测量放大器系统组成的框图如下图所示。系统包括桥式电路、信号变换放大器电路，直流电压放大器和直流稳压电源。

图1

测量放大器系统各个组成部分作用和指标：

桥式电路：提供差动电压用来测试直流电压放大器的主要性能指标。

信号变换放大器：把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大器的双端输入信号。直流电压放大器：要求差动输入的直流电压放大器，具有高的差模电压增益，并具有低漂移，低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试其差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。直流稳压电源：该电源由单相 220V 交流电压供电，输出±15V 直流电压，作为整个系统的电源。图中K 置2 的位置，测直流电压放大器频率特性；K 置1 的位置，测直流电压放大器的其他性能指标。

3、设计方案及实现

同相并联式高阻抗测量放大器电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移互相补偿、双端变单端以及输出不包括共模信号等优点。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、共模输人电阻大的特点外，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。

图一

该测量放大器由运放U1和U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路。

三、直流电压放大器

差模电压增益

Avd＝（1＋2 R7/(R11+ R5)）R6/ R4

若取 R3 =R7= R8= R4= (R9+R10)=R6=10kΩ,

Avd＝1＋2 R7/(R11+ R5)

取R11=0 时，Avd=1+2*10*1000/（0+40）=501

取R11 为最大时，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2

R10 是调零电位器。

集成运算放大器U1、U2、U3、U4、U5 采用OP07 其共模抑制比高、低噪声、高精度。

图三

四、放大器性能测试

放大器性能测试：首先调零，将输入端短接，即将输入信号置零，调节各个电位器的调零电阻，直至输入电压为零，完成调零操作，然后将电桥加电压，用万用表测电桥的输出电压，手动调节可变电位器，直至电桥的输出电压为5mv，然后用1米长的导线将电桥与放大器连接，用示波器观察测量放大器的输出波形。

对于测量放大器放大倍数的测量，设置放大倍数然后用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的输出电压，求出实际电压放大倍数，然后与设置的电压放大倍数比较。

测量放大器的频率响应测试：首先对信号变换电路进行调零，同样是将输入短接，即输入端直接接地，然后调节用函数信号发生器产生信号源，然后将输出信号通过信号变换电路将单端输出转变成双端输出，再将信号变换器的输出信号接到测量放大器的输入端合理设置输出电压及测量放大器的放大倍数，然后用交流毫伏表测量放大器和信号变换电路的输出电压，并改变函数信号发生器的输出频率，得到不同频率下的放大倍数。

五、仿真结果和分析

1、各部分的仿真结果

图四、直流电压放大器仿真原理图

图五、R11为0时的输出波形仿真图

图六、R11为最大时的输出波形

图七、电路总图

六、主要电路参数计算

1、放大倍数计算

差模电压增益

Avd＝（1＋2 R7/(R11+ R5)）R6/ R4

若取 R3 =R7= R8= R4= (R9+R10)=R6=10kΩ,

Avd＝1＋2 R7/(R11+ R5)

取R11=0 时，Avd=1+2*10*1000/（0+40）=501

取R11 为最大时，Avd=1+2*10*1000/(100*1000+40)=1.2

2、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现。

七、结论与心得

通过本次设计，我明白了只有将书本上的知识做到详细的了解加上融会贯通才能够通过本来的原理运用到实际，设计出符合一定要求的电子电路，即使是电路中的每一个小元件，都要考虑到其对整体电路的影响，甚至有时对电路细微部分的改动都可能得到意想不到的结果，所以设计电路不仅需要掌握比较全面的知识，还需要考虑到每个细节，考虑全局。不仅要被高要求，还要自主高要求。任何事情都不是一蹴而就的，只有走好每一步，才能够对自己知识的不足之处有更加深入地了解，在学习的过程中去弥补自己的不足，想要学好一个方面的专业知识仅仅依靠一本教科书是不够的，我们需要在任何时候都留心积累。而深入的通过本次更加了解了差分放大电路在测量电路等重要场合中的广泛应用，任何一个基础的电路在灵活运用与组合之后便能发挥出人们想要的一些功能。在本次设计过程中，我还学习了一些芯片的相关知识，由于现在电子电路的集成化越来越高，所以我们也应该学会使用集成元件。

通过本次的学习，我还学习使用了MULTISIM仿真软件的使用，这个软件为我们提供了一个简单容易操作平台，是我们在真正搭建电路前建立相应的仿真，其能帮助我们提前发现自己所设计电路的错误。有利于我们正确的设计电路。

可是理论，即使是仿真，那些只是理想状态下的情况，所以在实际情况下我们还是会在测试时出现这样或那样的错误，这就需要我们去耐心的寻找我们的错误和不足，在实践中积累更多的动手经验，更需要我们的耐心。在此出了增强对我们个人知识的丰富外还加强了同学之间的交流，相互协作的能力，遇到不懂的知识还可以利用网络查找相关的资料。总的来说，在这忙碌的大约两周的时间里，我学到了很多东西，通过课设练习，更加深入的掌握了许多专业知识，同时在一定程度上提高了我的动手能力，和相关的专业技能。在遇到的困难过程中，学会了自主通过理论知识结合实际解决相关问题。同时我也明白了，只有付出才会有收获。只有在不断的磨练自己的过程中，才能使自己的能力得到提升。才能体会到，任何事情要想做好都是不容易的，只有踏踏实实才能够有所得。

八、参考文献

【1】邓元庆主编.数字设计基础与应用.清华大学出版社.2010

【2】曹才开主编。电路与电子技术试验中南大学出版社。2009