模拟电子技术课程设计.docx
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模拟电子技术课程设计
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
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:
1.电路的理论设计。
2.按照要求焊接实物,并调试电路功能。
3.根据理论知识书写课程设计报告
参考书:
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.《通信电子线路》第二版,刘泉主编,武汉理工大学出版社
3.《高频电子线路》第三版张肃文主编高教出版社
时间安排:
第18周(1、2节):
理论讲解;地点:
新二404。
第19周:
(1)确定技术方案、电路,并进行分析计算,时间1天;
(2)选择元器件、安装与调试,或仿真设计与分析,时间2天;
地点:
鉴主15通信工程实验室
(1),鉴主13通信工程专业实验室;
(3)总结结果,撰写设计报告及答辩,时间2天。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要3
Abstract4
1测量放大器的设计5
1.1基本要求5
1.2方案设计与论证5
2直流稳压源的设计10
2.1基本要求10
2.2电路设计及原理10
2.2.1选稳压器11
2.2.2选电源变压器11
2.2.3选整流二极管及滤波电容11
2.2.4选稳压器13
3信号变换转换器的设计13
3.1基本要求13
3.2电路设计14
4主要电路的参数计算15
4.1前端放大电路的计算15
4.2电源参数的计算16
4.3通频带的计算17
5仿真图18
6实物20
7设计心得21
8参考文献22
9元器件清单23
摘要
本设计主要由测量放大器,信号变换器,稳压电源三部分组成,测量放大器主要是实现对信号的测量,主要通过运用集成放组成测量放大电路实现对微弱电压信号的放大,要求有较高的共模仰制能力及较高的输入电阻.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的转换,最终经比例放大器进行放大,比例放大器的反馈电阻可以由D/A组成的电阻网络代替,通过单片机对其组值进行控制,从而实现对放大倍数的控制,放大倍数可以由单片机控制键盘进行输入,控制液晶或数码管进行显示。
信号变换电路主要实现一端信号输出到两端输出的转变,主要采用的是经过改进的差分式放大电路,信号变换在设计中的用途主要是用于对测量放大电路的频率响应进行测试。
稳压电源电路主要用于为运放及电桥供电,包括测量放大电路及信号变换器中的运放。
Abstract
Thedesignismainlymadeofthreepartsofmeasuringamplifiers,signalconverters,powersupply.Measuringamplifierismainlytoachievemicro-signalmeasurements,primarilythroughtheuseofintegratedoperationalamplifiercircuittoenlargethecompositionofmeasurementofweakvoltagesignalamplification,requiringahighercommonmoderejectioncapabilityandhighinputresistance,therebyreducingerrorofmeasurementandtheimpactofthecircuitundertestanditrequiresmagnificationadjustableamplifierinordertoachievegreatercontrasttothescopeofthemeasuredsignalmeasurement.Sodifferentialinputisthemeasurementofpre-amplifierI,andthenafteratwo-terminalsignaltothesignal-endedsignalconversion,andultimatebytheratioofamplifieramplification,theratioofamplifierfeedbackresistorfromD/Aresistornetworkinplaceofthecomposition,throughSinglechipitsresistancetocontrol,inordertocontrolmagnification.Magnificationcanbecontrolledbyasignal-chipkeyboardinput,controlofliquidcrystalordigitaltubedisplay.Signaltransformcircuitchangesoneendofthemainsignaloutputtotwoendsofoutput,mainlyusinganimproveddifferentialamplifiercircuit,themainpurposeofthesignaltransformationinthedesignidusedformeasuringthefrequencyresponseofamplifierfortesting.Regulatedpowersupplycircuitismainlyusedfortheoperationalamplifierandpowersupplybridge,includingthemeasurementandsingalamplifierOPAMPConverter.
1测量放大器的设计
1.1基本要求
测量放大器
a、差模电压放大倍数 AVD=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KCMR>105;
d、在AVD=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)。
1.2方案设计与论证
(1)方案一:
低噪声前置放大电路的设计,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,所以不选本方案。
图1低噪音前置放大电路最初方案
(2)方案二:
如图2,直接采用高精度OP放大器接成悬置电桥差动放大器:
利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出,然后通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合,放大主要通过后一级的比例放大器获得,此电路的特点是简单,实现起来对结构工艺要求不高,但是其输入阻抗低,共模抑制比小。
失调电压和失调电流等参数也受到放大器本身性能限制不易进一步提高,且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生,虽然电路十分简单,元器件比较少,但也不选该方案。
图2低噪音前置放大电路最初方案
(3)如图3。
该电路是由运放A1A2按同相输入法组成第一级差分放大电路。
运放A3组成第二级差分放大电路。
在第一级电路中,V1V2分别加到A1和A2的同相端,R1和两个R2组成的反馈网络,引入了负反馈,两运放A1,A2的输入端形成虚短和虚断,通过计算可以得到电路的电压增益。
适当的选择电阻的阻值即可实现放大倍数的改变,并且可以将R1用一个适当值的电位器代替,通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制。
该电路的优点是,电路简单,原件较少,A1和A1两个放大器组成差分放大电路,可以有效地抑资共模信号,并且为双端输出,其共模放大倍数理论为0,因而可也大大的提高共模抑制比,并且由于输入信号V1和V2都是A1,A2的同相端输入,根据虚短和虚断,流入放大器的电流为0所以输入电阻Ri,并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有差摸,共模输入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,但由于本实验要求放大倍数可以调节,通过电位器调节放大倍数,电位器的阻值无法准确获得,因而放大数无法准确得到,因而,本方案不能完全满足实验要求,故不选本方案。
图3低噪音前置放大电路最初方案
(4)如图四。
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4低噪音前置放大电路
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4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4比的抑制共模能力强,故采取方案4.
方案4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
2直流稳压源的设计
2.1基本要求
直流稳压电源
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+10%~-15%。
2.2电路设计及原理
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输出的变压器即满足要求,对于该稳压电源的基本原理如下其电路如图所示。
图5直流稳压电源电路
2.2.1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。
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。
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。
图6整流电压波形
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。
图7滤波后波形
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。
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信号变换转换器的设计
3.1基本要求
信号变换放大器
设计并制作一个信号变换放大器.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。
图8各器件连接方框图
3.2电路设计
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9。
图9改进前的信号放大器
我们在调试图9所示的电路中,发现此电路输入阻抗太低,约为20kΩ,所以我们进行了改进,改进后的电路见图10。
此电路从同相端输入,因此输入阻抗高,为保证电路进度,两个运放都引入了调零电路,防止因放大器的温度漂移而产生影响,并且为防止波形的幅度失真,引入了电位器R6对Vout2的输出幅度进行调节。
能够满足实验的要求。
图10改进后的信号放大器
4主要电路的参数计算
4.1前端放大电路的计算
第一级差模放大倍数Av1计算如下:
Vi(+)=VA=VC,Vi(-)=VB=VD
(VC-VD)/R10=(V01-Vi(+))/R1=(Vi(-)-V02)
解得
V02-V01=(1+2R1/R10)(VC-VD)(式1-1)
=(1+200/22)(VC-VD)
=(1+200/22)(Vi(+)-Vi(-))
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(式1-2)
4.2电源参数的计算
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的最小压降Ud。
①输出±15V时,设计输出电流至少达到500mA。
在0.01s内电压变化为
(式1-3)
(式1-4)
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C=3300μF,足以满足需要。
②输出+5v,设计输出电流可达1A。
同理可得
(式1-5)
其中,U=9.7V(变压器输出交流电压),1V为二极管压降。
设计取C=4700μF,实际所需电流为几百毫安,足以满足要求。
③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。
4.3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(式1-6)
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(式1-7)
由于加了低通滤波,通频带为
f=1/(2πRC)=1/(2π×200×0.002×10-3)≈398Hz(式1-8)
所以系统的理论通频带为0~398H
5仿真图
图11放大器仿真图
图12转换器仿真图
图13信号变换放大器波形
图14稳压源波
6实物
图15(正面)
图16(反面)
7设计心得
第一次做课程设计,不知道该从何下手,一开始毫无头绪,所以上网查了很多资料,也向一些学长学姐请教,才大概知道课程设计是做什么的,大约要怎样做,可是还是给初次做课设的我带来很大的困扰。
最终,经过我的努力和同学的帮助,终于完成了我的第一份课程设计报告,也许做的不好,但是毕竟是第一次,只要有收获就可以。
通过本次课程设计,我学到了很多东西,对于模拟电子技术基础课中学的差动放大器以及模拟集成运算放大器有了更深一步的理解,并且学会了将理论知识向实际应用的转变。
本次课程设计中,我还学会了去查阅各种资料,包括各种没有使用过的芯片以及软件。
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。
由于课本上的理论知识学的不够扎实,导致一些问题不知从何下手,于是把对课本知识进行了系统全面的整理,也向其他同学进行了请教,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。
由于本次课设要用到multisim这个软件,所以对这个软件进行了一些基础性的学习,但是运用的还很不熟练,只能解决一些基本的问题,还有很多需要去学习。
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。
8参考文献
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:
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
8.《全国大学电子设计竞赛获奖作品精选》(1994~1999)北京理工大学出版社,2002.
9.《模拟电子技术基础》第四版华成英[M].北京:
高等教育出版社,2005.
10.《全国大学生电子设计竞赛训练教程》黄智伟[M].北京:
电子工业出版社,2003.
9元器件清单
表一
序号
元件代号
元件名称
元件参数
元件数量
1
T
变压器
220V~±12V
1个
2
CW1
稳压器
7815
1个
3
CW2
稳压器
7915
1个
4
D
整流桥
20W/2A
2个
5
A
运算放大器
OP07
5个
6
RL1
滑线变阻器
100KΩ
1个
7
RL2
滑线变阻器
10KΩ
6个
8
R1
电阻
5.1KΩ
1个
9
R2
电阻
10KΩ
2个
10
R3
电阻
22KΩ
1个
11
R4
电阻
33KΩ
1个
12
R5
电阻
39KΩ
1个
13
R6
电阻
51KΩ
1个
14
R7
电阻
100KΩ
2个
15
R8
电阻
150KΩ
1个
16
R9
电阻
200KΩ
2个
17
C1
电容
0.001μF
1个
18
C2
电解电容
2000μF
1个
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
- 配套讲稿:
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