仪用放大器硬件课设模版.docx
- 文档编号:26591907
- 上传时间:2023-06-20
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:6.51MB
仪用放大器硬件课设模版.docx
《仪用放大器硬件课设模版.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《仪用放大器硬件课设模版.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
仪用放大器硬件课设模版
课程设计任务书
分院(系)
信息科学与工程
专业
测控技术与仪器
学生姓名
学号
设计题目
仪用放大器的设计
----硬件部分设计
课程设计内容及要求:
1.了解仪表放大器与运算放大器的性能区别
2.掌握仪表放大器的电路结构及设计方法
3.掌握仪表放大器的测试方法
4.学习仪表放大器在电子设计中的应用
进度安排:
(20天)
1、查找资料(2天)
2、系统硬件电路设计(6天)
3、软件编程与调试(6天)
4、系统联调(3天)
5、撰写报告(3天)
指导教师(签字):
年月日
学院院长(签字):
年月日
目录
引言1
1.设计背景2
1.1设计内容2
2.仪用放大器系统简介3
2.1仪用放大器简介3
2.2方案选择3
3.系统硬件设计及原理图4
3.1方案一设计及原理图4
3.2方案二设计及原理图5
4.电路仿真6
4.1差模共模信号仿真6
4.2单运放仪用放大器仿真7
4.3单片集成芯片仪用放大器仿真................................................................................11
6.总结15
参考文献16
引言
仪用放大器与很多放大电路一样,都是用来放大信号的用的,但仪用放大电路的特点是,它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。
而噪声通常都是公共模噪声,所以在电路设计要求上,电路有很高的共模抑制比,利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。
因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度,在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。
信号源的输出阻抗常常达几kΩ或更大,因此,仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ,它工作在DC到约1MHz之间。
在更高频率处,输入容抗的问题比输入阻抗更大。
高速应用通常采用差分放大器,差分放大器速度更快,但输入阻抗要低。
当前在数据采集、医疗仪器、信号处理等电子系统设计中普遍采用仪表放大器对微弱信号进行高精度处理。
常用的仪表放大器可采用由三个运算放大器构成,也可直接选用单片仪表放大器。
单片仪表放大器具有高精度、低噪声、设计简单等特点以成为优选器件
1.设计背景
1.1设计内容
仪表放大器时一种高增益放大器,其具有差分输入、单端输出、高输入阻抗及高共模抑制比等特点。
仪表放大器采用运算放大器构成,但在性能上与运算放大器有很大的差异。
标准运算放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络,因此具有很高的共模抑制比
,在有共模信号的情况下也能放大很微弱的差分信号。
当前在数据采集、医疗仪器、信号处理等电子系统设计中普遍采用仪表放大器对微弱信号进行高精度处理。
常用的仪表放大器可采用由三个运算放大器构成,也可直接选用单片仪表放大器。
单片仪表放大器具有高精度、低噪声、设计简单等特点以成为优选器件。
本实验过程中主要利用设计出的两种仪表放大器测量仪表放大器的如下性能:
电压增益测量:
从信号源
输入正弦波,改变输入信号幅度或频率。
2.仪用放大器系统的简介
2.1仪用放大器的简介:
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。
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。
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入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预置。
2.2方案选择
仪表放大器电路的实现放大主要分为两大类:
一类由单运算放大器(例如集成运放LM424)组合而成,另一类仪表放大器的实现方法的实现由单片集成芯片(例如:
INA128)为核心.
方案一:
第一类由单运算放大器(例如集成运放LM424)组合而成.三运算放大器构成的仪表放大器.
方案二:
第二类仪表放大器的实现方法的实现由单片集成芯片(例如:
INA128)为核心.本实验过程中主要利用以上设计出的两种仪表放大器测量仪表放大器的如下性能:
电压增益测量:
从信号源
输入正弦波,改变输入信号幅度或频率.
3.系统硬件设计
3.2系统设计及原理图
方案一:
第一类由单运算放大器(例如集成运放LM424)组合而成,设计出不同的仪表放大器电路,方案之一如下:
由三运算放大器构成的仪表放大器具有以下特点:
输入缓冲电路增加了输入阻抗,差分电压按
的增益系数被放大,而共模信号讲义单位增益通过输入缓冲器,即不增加共模增益和误差;改变滑动变阻器的阻值即可调整差分增益;用实现了输出级点则比率匹配方式调节共模抑制比
。
因为调节电阻的比率比调整电阻的绝对值要容易;另外,由于仪表放大器在结构上的对称性,输入放大器的共模误差将被输出级的减法器消除。
因此,仪表放大器常被用来放大桥接传感器的差分输出以及维系哦啊的桥接器输出信号,并同时抑制较大的共模电压。
利用右图简化图推导仪用放大器的差模电压放大倍数为
,所以实验过程中调节
,即滑动变阻器的大小即可调整差模放大倍数
方案二:
另一类仪表放大器的实现方法的实现由单片集成芯片(例如:
INA128)为核心,设计出不同的仪表放大器电路如下:
INA128采用单个外部电阻可实现从1~10000的任一增益选择。
INA128提供工业标准的增益等式与AD620兼容。
具有最大为50μV的低偏置电压、0.5μV/℃的低温度漂移、5nA的低输入偏置电流,最小为120dB的高共模抑制比CMR,±2.25~±18V的宽电源电压范围,700μA的低静态电流等特点。
该电路增益计算公式为
。
INA128仪表放大器可广泛地应用于桥式放大器、热电偶放大器、RTD传感放大器、医疗仪器、数据获得等
本实验过程中主要利用以上设计出的两种仪表放大器测量仪表放大器的如下性能:
电压增益测量:
从信号源
输入正弦波,改变输入信号幅度或频率.
4.电路仿真
4.1【差模共模信号】
实验仿真:
(1)电桥输入电路:
由电路图可知,改变滑动变阻器的阻值即可改变A点的电压。
左图中A与B点的共模电压为,差模电压为。
同理右图中共模电压为,差模电压为。
(2)信号源输入电路
将信号源输出信号转化为差分信号的电路如下所示:
共模电压峰峰值为,差模为。
4.2【单运放仪用放大器】
实验仿真(电压增益)
仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类:
第一类由单运算放大器(例如:
集成四运放LM324)组合而成,设计出不同的仪表放大器电路,方案之一的仿真如下所示(波形反向):
由电路可得理论电路增益G1=-(1+2R1/Rg)×(Rf/R3)=-15.3倍。
而由仿真可得电路增益G2=-782.3/50.53=-15.48倍
实验记录
(由于在做实验时发现若输入的电压过大,则在测量该电路通频带时输出电压会出现严重的失真,所以为了得到较好的输出波形,在仿真与实验时都用了较小的电压值)
实验电路如仿真电路,由此得到示波器波形如下:
由实验记录可得电压增益G3=780mV/46.9Mv=16.63倍。
绘制成表格如下:
电路理论值
仿真值
实验值
电压增益
-15.3
-15.48
-16.63
实验仿真(通频带)
而当保持输入电压大小不变而改变其频率时,记录下输出电压减小到原来0.707时的频率即可得该电路的通频带。
先仿真如下,则可得其带宽为220kHz。
实验记录如下:
由此可得该电路的通频带为294kHz。
(实验时虽然保持了输入电压大小不变,但实际上随着频率的增大,输入电压的值会由此而改变,由下图中的输入电压值与先前不同变可得知。
)与仿真值相比,结果比较接近。
实验仿真(最大不失真电压)
当set=0.5,即滑动变阻器的阻值为5kΩ时的最大不失真:
当输入电压最大值Vampl=330mV350mV时输出为标准正弦波,当Vampl=370mV时输出电压已表现出一定的非线性失真,当Vampl=390mV时输出电压明显失真;所以最大不失真输入电压最大值为350mV~370mV,最大不失真输出电压最大值为11V左右
实验记录(最大不失真输出电压)
将滑动变阻器调至正中间使
,增大信号源电压,当输出电压恰好不失真时,用示波器双踪差模输入电压与输出电压(通道一为输入电压,通道二为输出电压)
频率
差模输入电压(通道一)
输出电压(通道二)
有效值RMS
482.8mV
7.294V
最大值max
720mV
10.9V
在达到最大不失真输出电压后,当输入电压进一步增大时,输出波形会出现非线性失真,用示波器双踪波形如下:
4.3【单片集成芯片仪用放大器】
实验仿真(电压增益)
仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类:
第二类由单片集成芯片(例如:
INA128)为核心,设计出不同的仪表放大器电路,INA128基本连接方案的仿真如下:
由仿真可得电压增益G1=2.514V/12.494mV=201倍(电压幅值)。
根据仿真做出实验如下所示,则可得电压增益G2=4.242V/53.9mV=78.7倍(峰峰值)。
很显然,实验值与仿真值差距较大,究其原因,主要还是对小信号的测量有较大的偏差。
由实验记录可知小信号的波形存在较多的毛刺,就算取平均也不能将其变得平整。
因此,仿真与实验存在较大的差距。
通频带实验仿真如下:
所以可得仿真的通频带宽为223.7kHz。
而实验时测得输出电压降为原来的0.707时的频率为234.7kHz,所以可知该电路的通频带为234.7kHz。
实验仿真(最大不失真电压)
放大倍数为100倍时最大不失真电压的仿真测量:
当输入电压最大值Vampl=130mV时,输出标准正弦波,当vampl=140mV时,输出波形恰好不失真,当vampl=150mv、160mv时,输出波形明显失真;所以当电压放大倍数为100倍时最大不失真输入电压为140mV,最大不失真输出电压最大值为12V左右
实验记录(最大不失真输出电压)
将滑动变阻器调至正中间使
,增大信号源电压,当输出电压恰好不失真时,用示波器双踪差模输入电压与输出电压(通道一为输入电压,通道二为输出电压)
频率
差模输入电压(通道一)
输出电压(通道二)
有效值RMS
482.8mV
7.294V
最大值max
720mV
10.9V
5.总结
本文介绍了仪用放大器的设计原理及方法,刚确定仪用放大器课程设计任务时,自己真的是什么也不懂也不知道从哪下手,经过进图书馆、上网查资料自己了解到了许多,现在经过一个星期的努力自己的仪用放大器已经基本成型。
但由于自己水平的有限,此设计任务仍有许多不足之处。
这次课程设计只是知识的综合性比较强,但实际上并不是很难。
这次课程设计让我深入了解了智能仪用放大器的一些功能,同时使我认识到,设计一个复杂的系统时,首先要建立一个大的框架,然后将这个大框架分成一些小模块进行分别设计,最后将这些模块组装起来进行调试,解决存在的问题,最终使得电路能够正常工作。
通过这次课程设计,让我充分认识到自己的实践经验太欠缺,这是在以后的学习当中值得注意的,同时要养成一个好的习惯。
通过此次设计,发现自己仍然还有许多不足之处,发现自己的知识是非常欠缺的,自己的动手能力也不强。
自己清醒的认识到该怎么办,自己应该好好的反省一下,该好好的投入学习中,多一点时间用在学习中,把所学知识都好好的掌握,并很好的利用。
在以后的学习和生活中,自己多找机会锻炼一下,使自己的动手能力得以很大的提高。
从而是自己各方面的能力得到很好的发展,为自己以后很好的工作打下坚实的基础。
总之,这次课程设计对于我们有很大的帮助,通过课程设计,我更加深入地理解了仪用放大器的功能,以及引脚的作用,最后衷心的感谢老师的悉心指导。
参考文献
[1]赵新民.《智能仪器原理与设计》.哈尔滨工业大学出版社
[2]赵茂泰.《智能仪器原理与应用》.电子工业出版社
[3]季建华.《智能仪器原理,设计与调试》.华东理工大学出版社
[4]曹建平.《智能仪器原理与应用》.西安电子科技大学出版社
[5]李建中.《单片机原理与应用》.西安电子科技大学出版社
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 放大器 硬件 模版
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)