测量放大器---模电课程设计

课程设计任务书
学生姓名：戴明威专业班级：通信0805 指导教师：和封面一致工作单位：信息工程学院
题目: 测量放大器
初始条件：
三端固定稳压器CW7812,
25W电源变压器，若干电容电阻及二极管额定电流为2A的整流桥OP07的
运算放大器
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说
明书撰写等具体要求）
1、设计一测量放大器及其所用的直流稳压电源。

①差模电压放大倍数Ad=100-5000。

②最大输出电压为10v，非线性误差小于5%。

⑥在满足基本要求中对输出端噪声电压和共摸抑制比要求的前提下，将通频带展
宽为0-1000Hz。

时间安排：
第19周理论讲解，时间：礼拜一5，6，7、8节地点：
鉴三204
第20周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程
综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）
指导教师签名：20010年 1月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
一、摘要 (4)
二、测量放大器的设计 (5)
三、直流稳压源的设计 (9)
四、信号变换放大器设计 (12)
五、电路仿真测试 (13)
六、主要电路参数计算 (16)
七、心得体会 (17)
八、元件清单 (19)
九、参考文献 (20)
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
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：高输人阻抗, 高共模抑制比, 高增益及宽的增益调节范围。

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
任务
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 ¹0的电压信号。

测量电路与放大器之间有1米长的连接线。

1.测量放大器的设计
1.1 设计内容及要求
1、设计一测量放大器及其所用的直流稳压电源。

①差模电压放大倍数Ad=100-5000。

②最大输出电压为10v，非线性误差小于5%。

⑤在Av=500时，输出噪声电压的峰-峰值小于 1V。

⑥在满足基本要求中对输出端噪声电压和共摸抑制比要求的前提下，将通频带展宽为0-1000Hz。

1.2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。

1．3设计方案及实现
方案论证与比较
方案一
低噪声前置放大电路设计本电路结构简单，输入阻抗高，放大倍数可调；但是共模抑制比较小，实测只有104，共模抑制能力太差。

方案2
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。

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，
对测量电路的基本要求是：
①高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。

②高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。

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。

抑制共模信号传递的最简单方法是在基本的同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载的需要，电路如图二所示。

它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿，以及输出不包含共模信号等优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略有下降。

其中Ac12和CMRR12为A1和A2组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比，CMRR2为A3组成的输出级的共模抑制比。

方案二比方案一的抑制共模能力强，故采取方案二.
方案二电路的理想闭环增益和共模抑制比分别为
Ac=R3/R2(1+2R1/Rw)
CMRR=(Ac12*CMRR3*CMRR12)/( Ac12*CMRR3+ CMRR12)
若 CMRR12>>Ac12*CMRR3
则有 CMRR=AC12*CMRR3
其中Ac12和CMRR12为A1和A2组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比，CMRR2为A3组成的输出级的共模抑制比。

Op07作为常用的运放主要有以下特点：
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
6.高的共模抑制比-126db
7.宽的共模输入电压范围-+-14v
8.宽的电源电压范围-+-3v—+-22v
9.可替代725，108A，741，AD510等电路
2直流稳压源的设计
2.1设计内容及要求
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％。

2.2电路设计及原理
2.2.1选择集成稳压器
选三端固定稳压器CW7812,其性能参数为：Iomax=1.5A,最小输入输出压差(Ui-Uo)min=3V,最大功率30W，最大输入电压8-40V，均能满足性能要求。

2.2.2选电源变压器
电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。

变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=η，式中η是变压器的效率。

通常根据变压器副边输出的功率P2来选购(或自绕)变压器。

副边功率P2(W)
效率η
集成稳压器的输入电压Ui=(12+3)/0.9=17V
而变压器的副边电压U2=Ui/(1.1～1.2)=15V,I2>Iomax=1.5A
变压器效率为0.7,则其功率P2>U2*I2=22.5W
为留有余地，故选择功率25W的变压器。

2.2.3选整流二极管及滤波电容
选整流二极管可以选1N4002，其极限参数Urm≥50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均满足要求
滤波电容为C=IomaxT/2△Ui=1500uF,它的耐压应大于21V,因而可取2200uF/25V 的电容。

2.2.4选稳压器
由于要输出正负12电压，于是采用的是7815和7915三端集成稳压器，其中78系列输出的为正电压，79系列输出的为负电压，如图，78系列和79系列的接法如下：
稳压芯片7812主要参数：
输出电流1A
输出电压15v
1-地，GND
2-输入
3-输出
3、信号变换放大器设计
3) 设计并制作一个信号变换放大器，参见图2。

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。

设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真的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，就需保证电路的对称性。

设计采用单端输入、双端输出的差动放大级进行信号的变换电路中使用OP07运算放大器，同相放大器结成射级跟随器，前端输入进行分压，从而使Vo+=1/2Vin，反相放大器的Av=-R6/R2=-0.5,使得Vo-=-0.5Vin，从而实现不失真变换。

同相放大器接成射随器，前端输入进行分压，从而使V o(+)=(1/2)V in，反向放大器的A
=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得V o(-)=-(1/2)V in，从而实现不失真变换。

此V
电路从同相端入，因此输入阻抗高，满足题目提出的要求。

4.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。

仿真图
信号变换放大器波形
稳压源波形5.主要电路参数计算
5.1前端放大电路
第一级差模放大倍数Av1计算如下：
V i(+)=V A=V C,V i(-)=V B=V D
(V C-V D)/R10=(V01-V i(+))/R1=(V i(-)-V02)
解得
V02-V01=（1+2R1/R10)(V C-V D)
=(1+200/22)(V C-V D)
=(1+200/22)(V i(+)-V i(-))
即差模增益Av1=10
第一级差模放大倍数Av2计算如下：
V0=[(39/49)V02-V01]×39/10+(39/49)V02
=(39/49)(V02-V01)
此级放大倍数Av2=3.9
所以前端放大倍数Av=Av1×Av2=10×3.9=39
5.2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
dV0/dt=awcoswt,Sr=│dV0/dt│max=aw
题目要求输出电压为 10V，通频带 0～100Hz，则压摆率至少要达到
Sr=10×100×2π=6.28×10-3V/μS,
使用的 OP07 的压摆率为Sr=0.17×106V/μs，理论运放的通频带为
f=Sr/2πa=0.17×106/10/2π=2.7×103Hz
由于加了低通滤波，通频带为
f=1/(2πRC)=1/(2π×200×0.002×10-3)≈398Hz 所以系统的理论通频带为0～398Hz
6.心得体会
通过本次设计实验，让我懂得首先要对设计原理搞懂，才能在设计内容方面游刃有如。

我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共摸抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系，我掌握了测量放大器的性能测量方法。

课程设计时间定在我们考试期间，所以任务还是相当重的。

一方面要准备考试，一方面要准备课程设计，每天都在忙碌着，也锻炼了我们合理利用时间的能力。

在这次的课程设计中我遇到了不少的问题。

我的课程设计独立的直流稳压源，好在我们曾经做过这个实验，可是由于我们做的是78系列的电路，我所需要的还有79系列的，对于各个引脚的功能和解法总是和78系列弄混淆，最后通过查阅资料才弄明白，虽然这是一些很基础的问题，可是我们还是要认真的对待。

可能是由于设备的原因，导致最后的结果调试不出来，但是我不曾灰心，结果不是最重要的，最终的是我在这次课程设计中学到了很多。

在仿真设计中，有的电路图没有仿真出来，这一方面是由于时间比较紧，另一方面是由于对软件和电路不是很熟悉，也说明电路的设计还有一些问题。

由于对于理论知识学习不够扎实，我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的方向。

正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，只有自己动手做过了，才能更贴切更深刻的掌握所学的知识，使自己进一步的提高。

尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，所以查阅资料使必不可少的，这就养成了我们自己学习的方式。

这次课设没有做实物电路，仿真图中有一些问题，由于对multisim这个软件运用得还不是很熟练，还有一些问题不能解决。

总的来说，课程设计是一门与专业机密相关的课程，给了我很多专业知识，同时在一定程度上提高了我的专业技能，还教给我许多的道理。

通过课程设计，
我不仅学到了知识，而且从中学到了解决问题的方法，这也是一个锻炼自己的机会。

附录1.元件清单
七. 主要参考文献资料
1、《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
2、《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社
3、《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
4、《电子技术基础》第三版康华光主编，高等教育出版社
5.《模拟电子技术基础》第三版清华大学电子教研组，童诗白主编北京：高等教育出版社
6．《电子CAD与OrCAD实用教程》王辅春北京：机械工业出版社7．《1999年全国电子竞技大赛试题分析》人民邮电出版社。