仪表放大器项目报告1

模拟电路项目报告仪表放大器（OP07）
一、方案选择
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。

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。

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。

仪表放大器电路设计
电路方案
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
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。

图2中的A1～A3分别用LM741替换即可。

电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相同。

方案2 由3个精密运放OP07组成，电路结构与原理和图2相同(用3个OP07分别代替图2中的A1～A3)。

方案3 以一个四运放集成电路LM324为核心实现，如图3所示。

它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可
以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的基本工作原理不变。

方案4由一个单片集成芯片AD620实现，如图4所示。

它的特点是电路结构简单：一个AD620，一个增益设置电阻Rg，外加工作电源就可以使电路工作，因此设计效率最高。

图4中电路增益计算公式为：G=49．4K／Rg+1。

性能测试与分析
实现仪表放大器电路的四种方案中，都采用4个电阻组成电桥电路的形式，将双端差分输入变为单端的信号源输入。

性能测试主要是从信号源Vs的最大输入和Vs最小输入、电路的最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。

测试数据分别见表1和表2。

其中，Vs最大(小)输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大(小)输入；最大增益是指在给定测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。

共模抑制比由公式KCMRR=20|g |
AVd／AVC|(dB)计算得出。

PS：
(1)f为Vs输入信号的频率；
(2)表格中的电压测量数据全部以峰峰值表示；
(3)由于仿真器件原因，实验中用Multisim对方案3的仿真失效，表1中用“-”表示失效数据；
(4)表格中的方案1～4依次分别表示以LM741，OP07，LM324和AD620为核心组成的仪表放大器电路。

由表1和表2可见，仿真性能明显优于实际测试性能。

这是因为仿真电路的性能基本上是由仿真器件的性能和电路的结构形式确定的，没有外界干扰因素，为理想条件下的测试；而实际测试电路由于
受环境干扰因素(如环境温度、空间电磁干扰等)、人为操作因素、实际测试仪器精确度、准确度和量程范围等的限制，使测试条件不够理想，测量结果具有一定的误差。

在实际电路设计过程中，仿真与实际测试各有所长。

一般先通过仿真测试，初步确定电路的结构及器件参数，再通过实际电路测试，改进其具体性能指标及参数设置。

这样，在保证电路功能、性能的前提下，大大提高电路设计的效率。

由表2的实测数据可以看出：方案2在信号输入范围(即Vs 的最大、最小输入)、电路增益、共模抑制比等方面的性能表现为最优。

在价格方面，它比方案1和方案3的成本高一点，但比方案4便宜很多。

因此，在四种方案中，方案2的性价比最高。

方案4除最大增益相对小点，其他性能仅次于方案2，具有电路简单，性能优越，节省设计空间等优点。

成本高是方案4的最大缺点。

方案1和方案3在性能上的差异不大，方案3略优于方案1，且它们同时具有绝对的价格优势，但性能上不如方案2和方案4好。

仪表放大器的特点
1.高共模抑制比
共模抑制比(CMRR) 则是差模增益( A d) 与共模增益( Ac) 之比,即:CMRR = 20lg | Ad/ Ac | dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR 典型值为 70～100 dB 以上。

2.高输入电阻
仪表放大器必须具有极高的输入电阻，从信号源获得的电流越小，对信号源的影响越小。

3.低噪声
由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在 1 kHz 条件下，折合到输入端
的输入噪声要求小于 10 nV/ Hz.
4．低线性误差
输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，它不能由外部调整来消除。

一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为 0. 01 % ，有的甚至低于 0. 0001 %.
5.低失调电压和失调电压漂移
仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为 100μV 和2 mV.
6.低输入偏置电流和失调电流误差
双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅
极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。

双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为 1 nA～50 pA ；而 FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为 50 pA.
7．充裕的带宽(同频带)
仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在 500 kHz～4 MHz 之间。

8.具有“检测”端和“参考”端
仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降( IR) 的影响可
减至最小。

最终决定
我们组，经过对仪表放大器的上网查找资料和具体讨论，了解仪表放大器的电路结构与原理，对网上的四种仪表放大器电路进行了分析。

通过仿真与实际性能测试得到的数据进行分析与选择，总结出四种方案的特点。

最终选择性价比最高的方案2.
二、设计电路
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
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。

本设计从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出一下仪表放大器电路实现方案，通过分析、调试、基本符合老师的要求。

仪表放大器电路的构成及原理
1、仪表放大器的初步构思
本设计的初步构想是通过三个OP07集成运放的芯片（后面会对这款芯片介绍）组成两级的放大器。

其中，运放Y1，Y2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Y3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，增益为：G=(1+2R1／R2)(Rf／R3)。

由公式可见，电路增益的调节可以通过改变R2阻值实现。

2、仪表放大器的最终构思
常规的放大电路时通过两级的数值关系来共同起到对电路的放大作用的。

公式：
放大的总倍数=第一级放大的倍数×第二级放大的倍数。

通常的要求都是前一级电路放大的倍数小一些，而后一级电路的放大倍数大一些。

通过乘积的关系来计算放大的倍数。

但是老师要求设计的放大器的倍数是可以变化的（放大的倍数是100—200之间），所以下一道难题就是如何解决放大倍数可变的这一问题。

经过反复观察初步构想的电路图可以发现：由于放大电路的放大倍数是可以通过改变R2的阻值来改变的，所以设计的思路就开始延伸了，我们是否可以把R2这个固定的电阻值采用一个可变的电阻来代替，这样我们就可以达到老师的要求，做成一个可以变化放大倍
数的仪表放大器了。

经过反复的论证，我们决定就采用这个放大来改变电路。

为了电路的稳定性，我们有完善一下，在原有的电路基础上加上一个电阻桥。

如图：
最终实际焊接图为：
三、仪表放大器中数值间的关系。

1、各个电阻的阻值大小
根据仪表放大器的参数表和电路图得知重要参数包括输入电阻（Ri）,输出电阻（Ro）
Ri=33MΩ（输入电阻）
Ro=60Ω（输出电阻）
这次制作的仪表放大器的放大倍数要求在100—200之间，允许误差是1%。

所以：由输入阻和输出电阻值可以算出。

3.3×10Ω×1%=330K
60÷1%=6000Ω=6K
所以输入电阻（Ri）输出电阻（Ro）为分别为几K—几百K,或Ri为几k，而Po为零点几k。

总之输入电阻要比输出电阻大上100到200倍。

这样根据比例关系可以计算出仪表放大器的放大倍数为100—200放大倍数之间。

所以输入电阻我选择了1K的电阻，同时再加上一个最大阻值为1K的滑动变阻器。

（这个滑动变阻器的阻值不是随便选取的，我选取1K的电阻是因为，设计的整个仪表放大器是上下相互对称的，所以为了和输入电阻1K对称，才选取了阻值为1K的变阻器）。

而输出电阻Ro选择了0.1K的电阻，这样输入电阻（滑动变阻器加上1K的定值电阻）就是几K的数量级，并且输出电阻零点几K，两者相互比较的话，就符合放大倍数为100—200倍。

三、理论分析
运用op07组成的三运放原理图如下：
将电路原理图分为前后两部分进行计算；
一、前一部分如下：
二、后一部分电路原理图利用电路叠加原理，可分为反向比例运算电路和同向比例运算。

1、反向比例运算电路： 结构特点：信号从反相端输入。

“虚断”： i +=i −=0； U +=0； “虚短”： U −=U +=
由 i I =i F
U o1−U −R 1=U −−U
o R F
U O =−R F
R 1U o1
2、同向比例运算电路 结构特点:信号从同向端输入。

根据“虚短”和“虚断”的特点 i +=i −=0； U −=U +=U o2 i I =i F
0−U o2R 1=U o2−U o
R F
U O =（1+R F
R 1）U o2
综上：三运放放大电路的输入输出电压关系如下：
2RF
U o=−R f
R
(1+
2R1
R2
)（U i1−U i2
四、仿真电路
电路仿真，顾名思义就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。

通过仿真我们可以很好的优化电路设计以及排版的位置，最重要的是我们可以通过仿真验证我们的理论计算数据，可以看到我们的理论计算的数据是否正确，是否达到了我们设计之初所需要达到的要求。

应用电路仿真软件快速分析电路的性能参数，有利于设计方案的确定和设计参数的选择，从而提高设计效率。

本次仿真我们选用Multisim，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

仿真的进程
根据设计原理图画出电路
2、电路中函数信号发生器、示波器的数据设置
3、示波器图像（注：A输入端B输出端）
放大100倍波形1
放大200倍波形1
4、对初步的电路进行进一步改进对没有达到的效果进行更正
四、仿真中的错误
1、电路没有连接好，电路中有游离的元器件和摇摆的节点。

2、电路中没有设计参考地点，或者存在没有通路到接点的节点。

3、输入数据时把“O”看做了“0”。

4、数值单位和倍率之间存在空格。

5、没有考虑到实际情况为元件设置合理的数值。

五、电路焊接—
1、购买元器件。

2、清点元器件。

3、根据仿真电路图进行排板、插件。

4、焊接电路。

注意事项：
1．焊接元器件的顺序元器件装焊顺序依次为：电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、大功率管，其它元器件为先小后大。

2．在焊接圆形的极性电容器时（一般电容值都是比较大的），其电容器的引脚是分长短的，以长脚对应“+”号所在的孔。

3．芯片在安装前最好先两边的针脚稍稍弯曲，使其有利于插入底座对应的插口中。

4．与底座都是有方向的，焊接时，要严格按照PCB板上的缺口所指的方向，使芯片，底座与PCB三者的缺口都对应。

5．焊接芯片时，先检查所用型号，引脚位置是否符合要求。

焊接时先焊边沿对脚的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。

6．焊接按键时，必须使按键与电路板紧紧想接，使之平整无缝隙，不能装高装斜。

7．装完同一种规格后再装另一种规格。

8．对引脚过长的电器元件（如电容器，电阻等），焊接完后，要将其剪短。

9．当电路连接完后，最好用清洗剂对电路的表面进行清洗，以防电
路板表面附着的铁屑使电路短路。

10．焊接上锡时，锡不宜过多，当焊点焊锡锥形时，即为最好。

11．焊接时，要使焊点周围都有锡，将其牢牢焊住，防止虚焊。

12．焊接完后用放大镜查看焊点，检查是否有虚焊、漏焊以及短路的情况发生。

检查按键是否平整。

5、焊接完成。

（效果图）
六、调试电路—
七、项目总结
通过仿真我不仅学会了对仿真软件Multisim的使用，还让我们对所学的知识有了一定的巩固和实践，增进了同学之间的友谊、默契以及团队合作的精神，学会如何分析一些简单的问题，如何去解决它。