仪表放大器的设计与制作
TI运算放大器仪表放大器电路设计说明书
1ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路Analog Engineer's Circuit:AmplifiersZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计目标输入V idiff (V i2-V i1)共模电压输出电源V i diff Min V i diff Max V cm V oMin V oMax V cc V ee V ref -0.5V+0.5V±7V–5V+5V+15V–15V0V设计说明此设计使用3个运算放大器构建分立式仪表放大器。
电路将差动信号转换为单端输出信号。
仪表放大器能否以线性模式运行取决于其构建块（即运算放大器）能否以线性模式运行。
当输入和输出信号分别处于器件的输入共模和输出摆幅范围内时，运算放大器以线性模式运行。
这些范围取决于用于为运算放大器供电的电源电压。
设计说明1.使用精密电阻器实现高直流CMRR 性能2.R 10设置电路的增益。
3.向输出级添加隔离电阻器以驱动大电容负载。
4.高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。
5.能否以线性模式运行取决于所使用的分立式运算放大器的输入共模和输出摆幅范围。
线性输出摆幅范围在运算放大器数据表中A OL 测试条件下指定。
2ZHCA850–December 2018三级运算放大器仪表放大器电路设计步骤1.此电路的传递函数：2.选择反馈环路电阻器R 5和R 6：3.选择R 1、R 2、R 3和R 4。
要将Vref 增益设置为1V/V 并避免降低仪表放大器的CMRR ，R 4/R 3和R 2/R 1的比值必须相等。
4.计算R 10以实现所需的增益：(1)5.要检查共模电压范围，请从参考文献[5]中下载并安装程序。
通过为内部放大器具有所选放大器（在本例中为TLV172）所定义的共模范围、输出摆幅和电源电压范围的三级运算放大器INA 添加代码，对安装目录中的INA_Data.txt 文件进行编辑。
仪表放大器电路原理
仪表放大器是一种特殊的放大器电路，用于测量和放大微弱信号。
它的原理是通过放大输入信号并降低噪声，以便更准确地测量和显示信号。
仪表放大器电路通常由以下几个主要部分组成：
1. 输入级：输入级负责接收和放大输入信号。
它通常由一个差分放大器组成，可以抵消共模噪声并提高信号的共模抑制比。
2. 增益控制：增益控制电路用于调节放大器的增益。
它可以通过改变电阻或电容值来实现。
3. 输出级：输出级负责放大信号并驱动负载。
它通常由一个功率放大器组成，可以提供足够的功率以驱动外部设备。
4. 反馈回路：反馈回路用于控制放大器的增益和稳定性。
它通过将一部分输出信号反馈到输入级来实现。
仪表放大器电路的工作原理是将输入信号放大到适当的范围，并通过反馈回路来保持放大器的稳定性和线性度。
它还可以通过滤波和抑制噪声来提高信号质量。
仪表放大器通常
用于测量仪器、传感器和实验室设备中，以提供准确和可靠的信号放大功能。
仪用放大器设计
仪用放大器使用注意事项。
仪表放大器的结构仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成，如图1所示。
在传统的三片运放方式的基础上做一些改进，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差，同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗，且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。
由于采用激光调阻，使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。
图1 仪表放大器的结构原理框图图1所示为BB（Burr Brown）公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。
在实际应用时，正负电源引脚处应接滤波电容C，以消除电源带来的干扰。
5脚为输出参考端，一般接地。
实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值，也将对器件的共模抑制比产生很大的影响，如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。
应用中应考虑的问题1 输入偏置电流回路一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。
仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010Ω数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为±5nA。
由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，对差分信号放大不会产生太大影响。
输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果电路中没有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关），使输入放大器饱和而失去放大功能。
（实验中好像是c）针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图2所示。
其中(a)为差分信号源阻抗较高（人体内阻算大还是小？接电极时是否需要导电膏之类的东西，这是人体电阻大约是多少？）时常用的形式，其中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；（c）为对称结构常用的形式。
仪表放大器的设计与制作
电子线路CAD与电子工艺实训报告第七组仪表放大器的设计与制作班级：电本0501学号：0532110661姓名：王德权序号：16指导教师：姜李张娟2008年 1 月 16日一．实训目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图；3 熟练掌握印制电路板的生成，了解如何刻板；4 掌握基本焊接技术。
二．实训工具：Protel99seCircuitCAM电烙铁万用表模拟电子试验箱（含有+12V电源，+0V---+0.5V电源）其他必要检测设备三．仪表放大器原理：本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，他们的漂移和失调都具有互相抵消的作用。
后一个运算放大器组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
电容C用于除抖动和抗干扰。
工作原理：由于v—→v+，因而加在R7两端的电压为(vI1—vI2)，相应通过R7的电流i7＝(vI1-vI2)／R7，由于i→0，因而vo1＝i7R1+vI1，vo2＝i7R2+vI2，当，R1＝R2＝R时，vo1-vo2＝(1+2R／R7)(vI1-vI2)对U2而言，vo1加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理的输出电压。
vo＝—(R5／R3)vo1+R6／(R4+R6)vo2(1+R5／R3)由于R3＝R4，R5＝R6因而vo＝—(R5／R3)(vo1-vo2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）(vI1-vI2)仪器放大器的差值电压增益：Avf＝vo／(vI1-vI2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）上式表明，改变R7可设定不同的Avf值。
仪器放大器的共模抑制比主要取决于第—级集成运放U1和U3的对称性和各电阻值的匹配精度。
如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为→±0．001％，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。
必须收藏的仪表放大器设计及经典应用方案汇总
必须收藏的仪表放大器设计及经典应用方案汇总
仪表放大器是一种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。
仪表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。
本文为大家介绍仪表放大器的设计及经典应用方案。
差分输入/输出低功耗仪表放大器
全差分仪表放大器具有其他单端输出放大器所没有的优势，它具有很强的共模噪声源抗干扰性，可减少二次谐波失真并提高信噪比，还可提供一种与现代差分输入ADC 连接的简单方式。
基于零漂移仪表放大器的传感器电路优化方案
系统设计师喜欢将模拟链路设计得尽可能短，希望以此来提高信号抗外部噪声的能力。
过长的模拟链要求在后续电路中使用特定的信号处理电路。
使用仪表放大器(IA)连接传感器和ADC，在靠近信号源的地方将小信号放大可以改善一些应用的总信噪比，特别是当传感器不靠近ADC 时。
用于数据采集的超高性能差分输出可编程增益仪表放大器
有一种方法可以构建一个强大的模拟前端，以便在单一信号路径中实现衰减和放大，并且提供差分输出来驱动高性能模数转换器，将一个可编程增益仪表放大器，与一个全差分漏斗(衰减)放大器等级联。
该解决方案简单灵活，具有高速特性，并提供出色的精度和温度稳定性。
仪表放大器电路设计
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路。
仪表放大器设计和制作
仪表放大器设计和制作本仪表放大器是由三个OA27P 集成运算放大器组成，OA27P 的特点是低噪声、高速、低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算电路形式，其中前两个运放组成第一级，二者都接成同相输入形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。
后一个运放组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
经计算，本设计中仪表放大器的电压放大倍数Au=R5/R3(1+2R1/R2)=100，结果将在仿真中验证。
仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模抑制比，具有较低的失调电压，失调电流、噪声及飘移的放大器。
在使用时，在图1 中R4、R5、R6、R7 四个电阻要精密且匹配，否则将给放大倍数带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。
一、仪表放大器电路图本设计采用Prote199se 电路仿真软件，绘制电原理图后可自动生成印制线路板图.还可进行电路仿真。
绘制电原理图时特别要注意选择各种元件的封装形式.这也是后序能否成功自动布线的关键之一。
本设计中各元件的封装形式如下：电阻(AXIAL0.3)、电解电容(RB.2/.4)、瓷介电容(RAD0.1)、集成电路(DIP-8)、三端稳压块(TO-220)。
仪表放大器的电路图如图1。
图中R8 是原理图电气检查时附加的，实际制作时不用安装。
二、电原理图绘制与印制板图设计1、进入Prote199se SCH 界面，绘制电原理图；经电气检查(ToolERC)，无误后即可生成网络表(DesignGreat Netlist)。
2、进入Prote199se PCB 界面，绘制印制板图。
先确定外围尺寸：长50mm、宽25mm。
且要求外框接地又不能封闭如图2。
接着载入网络表(DesignLoad Nets)，把所有的元件合理地布到印制板图上。
进行自动布线参数的设置(OptionsRules)。
最基本的有三点：线宽、线距和层数。
仪表放大器的工作原理
仪表放大器的工作原理
仪表放大器的工作原理是通过增加电流、电压和功率的幅度，来放大输入信号，以便更好地观测和测量。
其主要原理可以分为两个部分，即输入信号放大和输出信号驱动。
输入信号放大的原理是基于放大器中的放大元件，一般使用晶体管或运算放大器。
当输入信号进入放大器时，放大元件会将其放大到所需的幅度。
其中，晶体管的放大原理是通过其工作在放大区域的特性来实现的，而运算放大器则利用差分放大器的原理进行放大。
在放大器中，输入信号经过放大之后，会进入输出驱动阶段。
输出驱动阶段的原理是将放大后的信号通过一个较大功率的输出级，驱动输出端负载，以便输出一个更大的信号。
输出级一般采用功率放大器或输出变压器等元件。
除了输入信号放大和输出信号驱动，仪表放大器还涉及一些辅助电路，如滤波电路、增益选择和补偿电路等。
滤波电路可以在输入信号中去除噪声和杂散信号，以获得更准确的测量结果。
增益选择电路可以根据需要选择不同的放大倍数。
补偿电路可以通过自动增益控制或偏移调节来使输出信号更加稳定和准确。
总体来说，仪表放大器的工作原理是通过输入信号放大和输出信号驱动来实现对输入信号的放大和改善，以便更好地进行观测和测量。
设计仪表放大器原理图
4.元件属性编辑
元件属性编辑对话框
知识3 原理图设计工具栏使用
1.绘制电路工具条
打开连线工具条
连线工具条
2.绘制导线
连线步骤
3.绘制电源和接地符
接地和电源符号
4.设置电路I/O端口
制作I/O端口
5.电源和数字工具栏
电源工具栏
数字工具栏
重点提示
• 1．第一次操作Ptorel 99SE设计原理图时，图纸
放置元件方法2
4、编辑元件属性
编辑LM324属性
5、放置电源和地线符号 6、连线和调整元件位置
正确的画线起点
错误的画线起点
7、放置说明文字
1）文本框形式添加文字 •绘制文本框
•编辑文字
绘制文本框
编辑文本框内容
2）运用绘图工具栏添加文字
编辑文字对话框
8、下图是完成后的效果图，仅供参考。
完成实训效果图
• 4．软件各种操作均有快捷键，熟练运用可使操
作更便捷。
做一做
实训 设计仪表放大器原理图
实训目的：绘制四运放仪表放大器
实训器材：1、装有Protel 99SE软件的计算机 2、图纸一份，如下图所示。
VCC
11 4
J1
2 1
CON2
U1A
3
LM324 R3
1
2
R1 10k
100k
-VCC
C1
R7
1000p
10K
R5 10k
U1C
9
LM324
8
10
R2
U1B 100k
6
LM324
R4
R6
7
5
10k
仪表放大电路设计
仪表放大电路设计一、实验目的1．进一步了解运算放大电路的应用。
2．掌握仪表放大电路的调试及测量方法。
二、实验电路原理在自动控制和非电量系统中，常用各种传感器将非电量（温度、应变、压力等）的变化变换为电压信号，而后输入系统。
但这种电信号的变化非常小（一般只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大，有的甚至放大上千倍或上万倍，因此都采用这种仪表放大电路（如图1所示）。
电路有两级放大级，第一级由A1、A2组成，他们都是同相输入，输入电阻高，并且由于电路结构对称，可抑制零点漂移；第二级由A3组成差动放大电路，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。
如果R2=R3、R4=R5、R6=R7改变R1的电阻阻值，即可调节放大倍数。
图1 仪表放大电路三、实验设备1.±12V 直流电源 4.直流电压表2.函数信号发生器 5.μA741x3、二极管、电阻器等3.双踪示波器（另配）四、实验内容及步骤1．检查芯片对照如图2所示检查芯片，先搭接成反相放大电路。
V I=0.1V、R1=10kΩ、R f=100kΩ、R2=10kΩ，测量V O的幅值。
2．μA741芯片检查无误后，按仪表放大电路图11-1搭接电路，令f=1kHz，V I1= V I2=0V，用数字万用表测量V O1=V O2=V O。
3．单端输入，v I1=5mV，f=1kHz的输入信号，测量输出电压v O的值。
4．双端输入，v I1=5mV，f=1kHz的输入信号，测量输出电压v O的值。
五、报告要求1．计算仪表放大电路的A V的值与理论值比较。
2．掌握仪表放大电路的应用范围。
图2 反相放大电路六、预习要求1.复习仪表放大电路的工作原理，推导出A V的计算关系式。
2.了解仪表放大电路在精密测量和控制系统中的应用范围。
AD620放大器 AD623放大器 仪表放大器 差分放大器 微弱信号放大 原理图和PCB设计
AD620放大器AD623放大器仪表放大器差分放大器微弱信号放大原理图和PCB设计基本原理仪表放大器是差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量以及电子仪器上。
特性包括非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。
仪表放大器用于需要精确性和稳定性非常高的电路。
芯片选型今天要介绍的是AD620和AD623芯片，一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000（ad623为1000）倍。
在管脚上两个芯片是互用的，只是增益的运算公式不一样。
AD620的增益G=49.4kΩ/R G+1，AD623的增益G=100k Ω/R G+1。
增益带宽积参数上也是差不多，都在1M以内，基本是用于低频的信号。
如需较高增益带宽的仪表放大器可以使用AD8421，但是注意芯片管脚不是兼容的。
原理图&3D-PCBAD620的供电范围是大于AD623的，为了兼容AD623芯片我们设计采用了正负5V的供电。
由单电源降压后再转换为负电源。
具体讲解1、单端模式下，P1跳线端子插上跳线帽，R3的阻值选用0欧，IN-直接接地，信号从IN+输入，一般单端输入可以使用SMA座子或者IN+和GND输入信号。
2、单端模式下，R6为IN+的偏置调节电位器，也是单端使用时候的调零电阻。
R7,R8选取10K是为了限制偏置的过度调节。
3、差分输入模式下，需要去掉电位器和P1的跳线帽。
输入端的电阻R3,R5和C1，C3，C5构成的是一个低通滤波器，模块实际没有焊接电容，用户可以根据自己需求焊接。
4、单端和差分模式的放大倍率配置，RG等于R2和R1的并联，实际使用中模块默认为焊接R2固定电阻。
如需滑变调节可将R2电阻去掉，焊接R1电位器即可。
AD620:G=49.4K/RG+1 AD623:G=100K/RG+1。
5、芯片的REF脚是输出电压基准，由于芯片是正负电源供电，这里将REF脚接GND，输出的就是以0为中心。
仪表放大器设计指南 第三版 01
Chapter-1: IN-AMP BASICS第一章第一章：：仪表放大器基本原理1. INTRODUCTION简介Instrumentation amplifiers (in-amps) are sometimes misunderstood. Not all amplifiers used in instrumentation applications are instrumentation amplifiers, and by no means are all in-amps used only in instrumentation applications. In-amps are used in many applications, from motor control to data acquisition to automotive. The intent of this guide is to explain the fundamentals of what an instrumentation amplifier is, how it operates, and how and where to use it. In addition, several different categories of instrumentation amplifiers are addressed in this guide.仪表放大器经常被误解。
并非所有用在仪器仪表应用中的放大器都是仪表放大器；也绝非所有仪表放大器只能应用于仪器仪表应用中。
仪表放大器应用于多种应用领域，从马达控制到汽车业的数据采集，等等。
本文目的就是解释什么是仪表放大器、仪表放大器如何工作、又如何应用，等等一系列基础知识。
此外，本文附有不同种类的仪表放大器供查询。
2. IN-AMPS vs. OP AMPS: WHAT ARE THE DIFFERENCES?仪表放大器 --- 运算放大器运算放大器：：区别何在区别何在？？An instrumentation amplifier is a closed-loop gain block that has a differential input and an output that is single-ended with respect to a reference terminal. Most commonly, the impedances of the two input terminals are balanced and have high values, typically 109Ω, or greater. The input bias currents should also be low, typically 1 nA to 50 nA. As with op amps, output impedance is very low, nominally only a few milliohms, at low frequencies.仪表放大器为闭环增益模块，为差动输入、单端输出（相对于参考端）。
仪表放大器设计方案
原理图及运行结果:
调试分析：
仪表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。
仪 表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。
仪表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，而仪表放大器则使用与输入端隔离 的内部反馈电阻网络。
仪表放大器的 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。
而3288rt 就是这么一种芯片。
实验体会：
对于生物小信号而言，前置放大器基本上都要采用仪表放大器来减小外界对微弱生 物小信号的干扰，具体是用抑制共模信号，放大差模信号来实现，而其性能的好坏反仪表放大器
潘登科 0843032025
V1
VCC
a
3
k 1 mVmi 60 Hz
o=-
应在共模抑制比上，共模抑制比越高，其性能越好。
仪表放大器设计指南第三版02
Chapter-2: INSIDE AN INSTRUMENTATION AMPLIFIER第二章：仪表放大器仪表放大器内部内部1. A Simple Op Amp Subtractor Provides an In-Amp Function简单运算放大器简单运算放大器型型减法器减法器实现仪表放大器功能实现仪表放大器功能The simplest (but still very useful) method of implementing a differential gain block is shown in Figure 2-1.差模增益模块最简单的实现方法如图 2-1。
If R1 = R3 and R2 = R4, then如果 R1=R3，R2=R4，那么 1212)(R R V V V IN IN OUT −= Although this circuit provides an in-amp function, amplifying differential signals while rejecting those that are common mode, it also has some limitations.虽然该电路可以实现仪表放大器的功能，放大差模信号而抑制共模信号，但仍有其局限性。
First, the impedances of the inverting and non-inverting inputs are relatively low and unequal. In this example, the input impedance to VIN1 equals 100 kΩ, while the impedance of VIN2 is twice that, at 200 kΩ. Therefore, when voltage is applied to one input while grounding the other, different currents will flow depending on which input receives the applied voltage. (This unbalance in the sources’ resistances will degrade the circuit’s CMRR.).首先，反相输入端、同相输入端的输入阻抗相对较低，而且不相等。
仪表放大器电路设计
仪表放大器电路设计技术分类：模拟设计现代电子技术西安邮电学院崔利平0 引言智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。
对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。
放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的特点，为电路设计爱好者、学生进行电子电路实验提供一定的参考。
1 仪表放大器电路的构成及原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。
由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2 仪表放大器电路设计2．1 仪表放大器电路实现方案目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。
根据现有元器件，文中分别以单运放LM741和OP07，集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。
方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。
实训：仪用放大器的设计与制作孟
姓名学号成绩
实训：仪用放大器的设计与制作
一、实训目的：
1、掌握仪用放大器的工作原理；
2、会利用LM324搭建一个仪用放大器，放大倍数为50；
3、进一步熟悉常用仪器、仪表的使用。
二、实训器材：
1、函数信号发生器；
2、双踪示波器；
3、高频电路实验学习机；
4、LM324；
5、工具箱
6、常用元器件及导线。
三、实训内容及步骤
（一）查阅集成运放LM324的相关资料
1、画出集成运放LM324的内部结构图
2、写出LM324各引脚的功能
引脚功能引脚功能引脚功能
1 6 11
2 7 12
3 8 13
4 9 14
5 10
（二）画出仪用放大器电路图，标清图中各电阻的阻值。
电压放大倍数公式Au=
（三）当输入信号为2mV P-P时，用示波器观察输出信号的电压为mV P-P。
如何构建仪表放大器
如何构建仪表放大器仪表是在有噪声的环境下放大小信号的器件。
它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大。
仪表放大器的关键参数是共模抑制比，这共性能可以用来衡量差分增益与共模衰减之比。
典型的被测信号可以是生物信号，如心电图(ECG)信号或者是来自诸如惠斯登电桥等的微弱信号。
因为这些信号源经常具有几千欧姆或更高的输出阻抗，因此仪表放大器需要具有很高的输入阻抗(典型数值在千兆欧姆级)。
此外，因为仪表放大器往往要驱动输入阻抗很低的后级，如A/D转换器等，因此要求仪表放大器的输出阻抗很低。
仪表放大器工作频率通常在直流到1 MHz之间，而在MHz级的速度下，输入比输入更为重要，因此这类应用要考虑用法差分放大器。
这种差分放大器输入阻抗较低，但速度要快无数。
常见仪表放大器差动放大器差动放大器不是仪表放大器，但是有时可以用在仪表放大器的场合。
其电路只需一个，1所示。
在对高输入阻抗或者增益没有苛刻要求的场合，用法它是很便利的。
该电路的传递函数为：Vout=R1/R2(VA-VB)这一传递函数是在抱负运算放大器和抱负电阻器匹配条件下得出的。
然而，当电阻不彻低匹配时，同相放大电路和反相放大电路的传递函数不相等，就会有共模信号泄露出来。
以0.1%的电阻匹配误差为例，最差状况下CMRR为54 dB，即10 V的共模信号会产生20 mV的输出误差。
差动放大器的优点是结构容易，最主要的缺点是输入阻抗很低。
因为增益由R1/R2打算，因此需要在高增益和高输入阻抗间做出折中。
此外，将信号分压变小后再举行放大(犹如相通路)，并不是获得良好噪声性能的办法。
对于反相通路而言，加入了额外的电阻，并且反相放大电路的噪声增益总比信号增益高。
提高输入阻抗就要求增强电阻的数值，这样将会产生更多的噪声。
最后，共模抑制比也受到限制。
为了充实这些缺点，第一步是对输入举行缓冲，这样就解决了输入阻抗的问题，2所示。
仪用放大器设计
新疆大学本科生课程设计任务书班级：电气094 姓名：加帕尔·艾力设计题目：仪用放大器设计要求完成的内容： 1.采用三个运算放大器。
由运放A1、A2按同相输入接法组成第一级差分放大器，由运放A3组成第二级差分放大电路。
2．仪用放大器中的电阻自己选择、计算。
3．仪用放大器中的放大倍数在5-20之间变化。
4．画出电路图。
写出详细的计算过程，详细的工作原理。
5．用EDA仿真，画出仿真波形图。
6．7．指导教师：教研室主任：一、概述仪用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入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪用放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。
二、画出电路图图2-1 仪用放大器原理图图2-2 INA102脚印展开图备注：此脚印展开图中有四个放大器，我们用的是放大器1、2、3。
三、工作原理仪用放大器是由运放1A 、2A 按同向输入接法组成第一级差分放大电路，运放3A 组成第二级差分放大电路。
在第一级电路中，1v 、2v 分别加到1A 和2A 的同相端，1R 和两个2R 组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放1A 、2A 的两输入端形成虚短和虚断，因而有112R v v v =-和1R v /1R ()()3421/2v v R R =-+，故得()2123411211221R R R R v v v v v R R ⎛⎫+-==+- ⎪⎝⎭（3.1）根据式()40211i i R v v v R =-的关系，可得()()4420341233121R R R v v v v v R R R ⎛⎫=--=-+- ⎪⎝⎭（3.2）于是电路的电压增益为042123121v v R R A v v R R ⎛⎫==-+ ⎪-⎝⎭（3.3）在仪用放大器中，通常2R 、3R 和4R 为给定值，1R 用可变电阻代替，调节1R 的值，即可改变电压增益v A 。
血压计中仪表放大器的工作原理及制作
血压计中仪表放大器的工作原理及制作仪表放大器是精密差动电压放大器，其源于运算放大器，但优于运算放大器，具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用。
采用分立元件构成的仪表放大器作为血压计中压力传感器前置放大电路，设计一低成本、低功耗、高增益、高信噪比的集成单元模块放大电路。
1 血压计原理人体血压指的是动脉血管中脉动的血流对血管壁产生的侧向垂直于血管壁的压力，主动脉血管中垂直于管壁的压力峰值为收缩压，谷值为舒张压。
血压、心率是反映心血管系统状态的重要生理参数。
血压计是通过充气袖套阻断上臂动脉血流来实现的，在袖套充气的过程中，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，当气袖压力远高于收缩压时，脉搏波消失，随着袖套压力下降，脉搏波开始出现，当袖套压力从高于收缩压降到收缩压以下时，脉搏波会突然增大，直到平均压力达到最大值，然后又随袖套压力下降而衰减。
血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间关系来估算血压的，与脉搏波最大值对应的是平均值，收缩压和舒张压分别由对应脉搏波最大振幅的比例来确定。
图1 血压测量系统框图血压测量原理如图1所示，压力传感器要求体积小，重量轻，采用固态压阻式压力传感器，其功能是将血压转换成电阻的变化量；前置放大器要求高增益、高信噪比，系统采用仪表放大器；仪表放大器放大的信号经模／数转换后，由单片机处理输出，LCD显示测量结果。
2 仪表放大器2.1 设计原则系统中压力传感器检测到的信号为20～200 Hz，幅度为毫量伏级甚至微伏量级，夹杂大量干扰成份，因此要求前置放大器不仅具有高增益，还要有一定的抗干扰能力。
同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
因此前置放大器设计时注意：。
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电子线路CAD与电子工艺实训报告第七组仪表放大器的设计与制作班级：电本0501学号：0532110661姓名：王德权序号：16指导教师：姜李张娟2008年 1 月 16日一．实训目的：1掌握仪表放大器的结构原理：2 熟练应用Protel99se设计电路原理图；并生成电路板图；3 熟练掌握印制电路板的生成，了解如何刻板；4 掌握基本焊接技术。
二．实训工具：Protel99seCircuitCAM电烙铁万用表模拟电子试验箱（含有+12V电源，+0V---+0.5V电源）其他必要检测设备三．仪表放大器原理：本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，他们的漂移和失调都具有互相抵消的作用。
后一个运算放大器组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
电容C用于除抖动和抗干扰。
工作原理：由于v—→v+，因而加在R7两端的电压为(vI1—vI2)，相应通过R7的电流i7＝(vI1-vI2)／R7，由于i→0，因而vo1＝i7R1+vI1，vo2＝i7R2+vI2，当，R1＝R2＝R时，vo1-vo2＝(1+2R／R7)(vI1-vI2)对U2而言，vo1加在反相输入端，vo2加在同相输入端，利用叠加原理的输出电压。
vo＝—(R5／R3)vo1+R6／(R4+R6)vo2(1+R5／R3)由于R3＝R4，R5＝R6因而vo＝—(R5／R3)(vo1-vo2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）(vI1-vI2)仪器放大器的差值电压增益：Avf＝vo／(vI1-vI2)＝—(R5／R3)（1+2R／R7）上式表明，改变R7可设定不同的Avf值。
仪器放大器的共模抑制比主要取决于第—级集成运放U1和U3的对称性和各电阻值的匹配精度。
如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为→±0．001％，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。
由于采用了对称的同相放大器，因而仪器放大器两输入端具有相同的输入电阻，且其值可达到几百MΩ以上。
利用仪表放大对他的特性进行了实际的测量和具体数据进行了记录最大放大倍数为Av=100。
经计算，本设计中仪表放大器的电压放大倍数A U=R5/R3(1+2R1/R2)=100，结果将在仿真中验证。
仪表放大器的结构特点：使仪表放大器成为一种高输入电阻，高共模抑制比，具有较低的失调电压，失调电流，噪声及飘移的放大器。
在使用时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器带来误差，而其将降低电路的共模抑制比。
四．实训步骤：（一）在Protel99se环境中绘制原理图、印制板图，生成CAM文件1 、绘制电路原理图：进入Protel99se SCH界面，绘制电路原理图，绘制原理图过程中注意元件的封装和名称，还有元件的布局，力求美观，完成之后，经电气检查无误后即可生成网络表。
电路原理图如下[C1 RAD0.1 0.1uF] [C2 RAD0.1 0.1uF] [C3 RB.2/.4 47uF] [C4 RB.2/.4 47uF] [R1 AXIAL0.3 9K] [R2 AXIAL0.3 9K] [R3 AXIAL0.3 1K] [R4 AXIAL0.3 1K] [R5 AXIAL0.3 10K] [R6 AXIAL0.3 10K] [R7 AXIAL0.3 2K] [R8 AXIAL0.3 1M] [U1 DIP-8 OP27A] [U2 DIP-8 OP27A] [U3 DIP-8 OP27A](GND C1-2 C2-1 C3-2 C4-1 R6-2 ) (NetR1_2 R1-2 R3-1 U1-6)(NetR2_2 R2-2 R4-1 U3-6)(NetR3_2 R3-2 R5-1 U2-2)(NetR4_2 R4-2 R6-1 U2-3)(NetR5_2 R5-2 U2-6)(NetR7_1 R2-1 R7-1 U3-2)(NetR7_2 R1-1 R7-2 U1-2)(NetR8_2 R8-1 R8-2 U1-3 U3-3) (NetU1_4 C2-2 C4-2 U1-4 U2-4 U3-4) (NetU1_7 C1-1 C3-1 U1-7 U2-7 U3-7 U4-3 )(NetU4_1 U4-1 )2、进入Protel PCB界面绘制印制板图：先确定外围尺寸：长50mm，宽25mm，且要求外框接地又不能封闭，接着载入网络表（Desion-Load Nets），把所有的元件合理的分布到印制板图上，进行自动布线参数的设置（Desion-Rules），最基本的有三点：线宽，线距和层数，本设计采用单面板参数设计完毕，正确调用网络表即可执行自动布线指令（AutoRoute-All）。
设计过程中注意线尽可能的直，尽量使布线简单，这样便于电路板图如下图所示3、由protel生成CAM所需文件①在电路板设计环境下，生成所有所需文件单击File菜单中的CAM Manager，显示“output wizard”对话框，单击next，下一步选择Gerber，next直至最后选择finish，默认生成一个gerber output1文件。
在空白处单击右键，下拉菜单中单击Insert NC Drill……，弹出NC Drill Setup对话框，单击OK，生成NC Drill文件。
在空白处单击右键，下拉菜单中单击Generate CAM Files，生成所需文件。
②导出所需文件选择需要的文件导出，需要的文件：*.DRR（光圈表），*.GBL（底层），*.GKO （机械层），*.GTL（顶层），*.TXT（同文件名的txt文件，钻孔的坐标文件）。
复制文件到根目录下，或在根目录下设置一个新的文件夹，以极简单的名字命名。
（二）在CAM中将由Protel生成的文件处理成.LMD文件，生成印制板1、导入文件打开CircuitCAM，单击文件菜单中的导入，或直接单击快捷键（导入），一般位置在左一。
打开Import对话框，在对话框中找到需要导入的五个文件，全选后，单击打开，开始导入文件。
①*.DRR：第二个下拉菜单中选择Protel x drr Exc mil Inch23AbsLead.txt (NCDrill)，选对之后，最下方的显示框中，可显示出正确的光圈表。
单击“导入Import”按钮。
②*.GBL ：Layer（第二个下拉菜单）选择BottomLayer。
单击“导入Import”按钮。
③*.GKO ：Layer（第二个下拉菜单）选择BoardOutline。
单击“导入Import”按钮。
④*.GTL ：Layer（第二个下拉菜单）选择TopLayer。
单击“导入Import”按钮。
⑤*.TXT ：Layer（第二个下拉菜单）选择DrillPlated。
单击“导入Import”所有文件导入完毕。
2、关联钻孔的位置调出对孔图标所在工具栏：在视图菜单的工具栏单击工具栏图标（matchup layers），单击一个钻孔，再单击印制板上相应的位置。
即可将钻孔关联到印制板上，形成一个整体。
3、设置印制板外框①单击工具栏图标（contour routing），对话框的最上区域中选择“外部”，在“源”中选择“层”，对应的“层”的下拉菜单中选择“boardoutline”，选择对应的道具，单击运行。
②设置断点，选中（在角上选取比较容易）刚刚运行得到的外框，把鼠标移到希望设置断点的位置（一般选择中点），单击（breakout tab），即可得到一个断点，一般设置三个。
③如需要螺丝孔，操作如下：先单击选择画出的螺丝孔，单击工具栏图标（contour routing），对话框的最上区域中选择“内部”，在“源”中选择“当前选择”，单击运行。
4、绝缘计算第一种方法：单击工具栏上的图标（insulate all layers），等待计算完成。
第二种方法：单击编辑菜单中的绝缘计算，在弹出的对话框中，选择底层，在如下图1所示的对话框中将焊盘绝缘宽度改为0.6mm，同时注意选择刀具，刀具的选择如图2，刀具选择之后，注意每层都要保存；顶层的焊盘绝缘宽度设置为0.2mm。
图1图25、导出*.lmd文件单击工具栏上的图标（export lpkfcircuitboardplotter），自动将*.lmd文件导出到导入五个文件时的文件夹。
由CircuitCAM生成的印制板图如下：（三）利用Board Master软件操作机器雕刻线路（四）电路板焊接1.检查利用刻板机生成的板子是否满足设计要求。
2.利用万用表检测板子是否满足电气特性，发现短路的地方利用小刀人工绝缘。
3.按照原理图将元件插放在板子上，然后焊接。
4.引出必要的输入输出导线。
关键是接地线的连接。
5.检查焊接好的板子是否正确。
（五）调试1.根据原理设计调试方案。
方案：输入直流小信号，约为毫伏级，测量输出信号幅值。
若输出幅值与输入幅值满足理论结论则调试成功。
2.利用模拟电子试验箱产生输入信号，连接必要输入输出连线。
注意接地。
3.利用万用表在不同输入的情况下测量输出。
4.记录试验数据。
系统功能本仪器放大器是由三个OP27集成运算放大器组成，OP27的特点是低噪声，高速，低输入失调电压和卓越的共模抑制比。
仪表放大器电路连接成比例运算的电路形式，因此具有很高的输入电阻。
由于电路的结构对称，他们的漂移和失调都具有互相抵消的作用。
后一个运算放大器组成差分放大器，将差分输入转换为单端输出。
电容C用于除抖动和抗干扰。
经过测试，本设计满足设计要求。
改进建议在使用时R4,R5,R6,R7四个电阻要精密且匹配，否则将给放大器带来误差，而其将降低电路的共模抑制比。
整个电路采用正负两组电源供电，这样可对正或负输入电压进行放大。
电源电压一般可取±5—±15V，但对其稳定度有一定的要求。
仪器放大器的共模抑制比主要取决于第—级集成运放A1和A2的对称性和各电阻值的匹配精度。
如果U1和U3对称，且各电阻值的匹配误差为→±0．001％，则仪器放大器的共模抑制比可达到100dB以上。
五、遇到的问题及解决方案：1.Protel99se的使用软件掌握不熟练，重新复习。
画原理图过程中要注意地线的联结。
输入输出接口要设置好，如果打算制作好的电路板与其他板块连接美观，电气特性好的话，最好讲输入输出接口使用空焊盘，这样连接的时候只需使用导线焊接即可。
生成PCB板子时要求使用单层板，但是生成后却是双层的。
于是利用手工更改。
此过程要求要有耐心，一个元件一个元件的尝试，最后生成满足要求的板子。
由protel生成CAM所需文件时，不可以使用COPY菜单命令，只能使用软件的导出菜单，此处浪费时间严重。