测量放大器的设计与实现的毕业设计论文.docx
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测量放大器的设计与实现的毕业设计论文
测量放大器的设计与实现的毕业设计论文
测量放大器的设计
姓名院系专业年级学号2
指导教师
年月日
独创声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文(设计),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
此声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
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(保密论文在解密后遵守此规定)
论文作者(签名):
年月日
毕业论文结题报告
毕业论文成绩评定表
学院:
学号:
注:
总成绩=指导教师评定成绩(50%)+评阅人评定成绩(20%)+答辩成绩(30%),将总成绩由百分制转换为五级制,填入本表相应位置。
1摘要..........................................................................................................................................2测量放大器的设计..................................................................................................................
2.1放大器...............................................................................................................................
2.2信号转换器.......................................................................................................................
2.3电源电路的设计...............................................................................................................3主要参数的计算......................................................................................................................
3.1放大器参数计算...............................................................................................................
3.2电源参数计算...................................................................................................................4仿真分析..................................................................................................................................
4.1调试仪器...........................................................................................................................
4.2电源的仿真测试...............................................................................................................
4.3信号转换器的仿真测试...................................................................................................
4.4放大器的仿真测试...........................................................................................................5小结.............................................................................................................................................................元件清单......................................................................................................................................原理图..........................................................................................................................................参考文献......................................................................................................................................
本科毕业设计
测量放大器的设计
孙永杰
(信息与电气工程学院,电气自动化专业,2009级3班,20093615594)
摘要:
本设计主要由测量放大器、信号转换器、稳压电源三部分组成。
测量放大器是源于运算放大器,专门精密差分的放大器,通过集成电路对微电信号放大,实现对微信号的测量,所以需要较高的输入电阻来减少测量的误差以及对被测电路的影响。
并要求可调放大器的倍数以实现对较大范围信号的测量。
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,再经过放大器进行放大。
信号变换电路主要是是将一端信号输出转变成两端信号输出,主要采用的是经过改进的差分放大电路,在本设计中主要用以实现对测量放大电路频率的测试。
稳压电源电路主要为测量放大器及信号变化器的运放供电。
关键词:
测量放大器、信号转换器、稳压电源
MeasuringAmplifierDesignSunyongjie
CollegeofInformationandElectricalEngineering,electricalautomation,20093classes,
20093615594
Abstract:
Primarilybythedesignofthreepartsmeasuringamplifiers,signalconverters,powersupply.Measuringamplifierisderivedfromtheoperationalamplifier,specificallyprecisiondifferentialamplifierintegratedcircuitmicro-electricalsignalamplification,microsignalmeasurement,highinputresistancetoreducemeasurementerrorandthecircuitundertest.Andrequiremultiplesofadjustableamplifierinordertoachievealargerrangeofsignalmeasurements.Measurementofthedifferentialinputofthepre-amplifierstagewithdouble-endedsignaltoasingle-endedsignalconversion,andthenamplifiedthroughtheamplifier.Thesignalconvertingcircuitisoneendofthesignaloutputisconvertedintoasignaloutputatbothends,ismainlyusedintheimproveddifferentialamplifiercircuit,theamplifyingcircuitfrequencymeasurementtestisprimarilyusedinthisdesign.Thepowersupplycircuitformeasuringamplifierandsignalchangesoftheop-amppowersupply.
Keywords:
Measuringamplifier,signalconverters,powersupply
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本科毕业设计
测量放大器的设计
2.1低噪声前置放大器
方案一:
直接采用高精度op放大器结成置悬电桥差动放大器。
利用放大器实现双端输入信号到单端输出的转变,放大主要通过电阻与下一级反向比例放大器进行耦合获得。
这个电路主要特点是设计简单,但其对结构工艺要求不高,输入阻抗低,失调电压和失调电流等参数也会因为放大器本身性能的限制无法达到实验要求,并且该方案无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生,严重影响实验的准确性,虽然设计及操作简单,但仍然放弃该方案。
方案二:
采用实验室常用放大器。
第一级差分放大电路是由运放A1、A2按同相输入法组成。
再将运放A3组成第二级差分放大电路。
在第一级差分放大电路中,通过将V1加到A1输入端形成虚短,V1V2加到A2形成虚断,通过计算可以得到电路的电压增益,可以适当的变换电阻的阻值以可实放大倍数的改变,可以用一个可调节阻值的电位器代替R1来实现对放大倍数的控制。
这个方案的优点是,电路设计简单,所需要的元器件较少,A1和A2
两个放大器
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本科毕业设计
所形成的第一级差分放大电路为双端输出,共模放大倍数理论为0,可以大大的提高共模抑制比,有效地抑制共模信号,并且A1、A2的同相端输入信号V1V1形成虚短和虚断,可以得到流入放大器的电流为0,所以输入电阻Ri为无穷大。
设计需要两运放的性能完全相同,该方案除输入电阻无穷大的特点外,A1、A2的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。
由于本设计要求放大的倍数可以调节,但是调节后电位器的阻值无法准确获得,因而该方案不能满足实验要求,舍弃该方案。
方案三:
方案三是基于方案二上进行的优化改造,电路前级放大仍采用两运放相同输入法组成,采用双端输出双端输入,能有效地控制共模抑制比。
第一级放大采用差分输入,减少了电路零漂的影响,能够有效地提高电路的共模抑制能力。
然后再通过A3信号实现双端输入信号到单端输出的转变。
为了在节约成本同时提高电路的共模抑制能力,A3仍采用OP07
。
同时加入了凋零电路来提高其共模抑制能力以及精准度,用可
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变电阻R7与固定电阻R6串联后与R5进行匹配,保证了电路的对称性,从而减少温度漂移对实验的影响,然后再接一级比例放大,通过对电阻R12的的调节实现对整个电路的放大倍数的改变。
经过实验仿真,基本符合要求。
对于扩展部分,可以将用一个电阻网络替换电阻R12,用单片机控制其阻值即可大道放大倍数的调节,经过理论研究分析,该方案基本可以满足步进为1的要求,将采用本电路。
2.2信号转换器
设计要求将单端输入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。
一般采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。
为了保证电路的精度,必须保证电路的对称性,所以仍采用高精度低漂移的OP07作为运放。
将同相放大器接成射随器,把前端输入分压,使Vo(+)=(1/2)Vin,反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2,使得Vo(-)=-(1/2)Vin,实现信号不失真转换。
经过反复研究设计确定如下电路图,此电路从同相端入,满足输入高阻抗的要求。
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2.3电源电路的设计
电源电路主要由变压部分、整流部分、滤波部分和稳压部分组成,这里直接采用比较常用的稳压电源电路,既能简化电路,又能满足实验要求。
主要利用稳压芯片LM7915及LM7815产生所需要的±15V的电压输出。
运放需要双电源供电,所以采用双输出的变压器实现,18V输出的变压器就能满足要求,电源各部分组成如图。
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2.3.1降压部分
降压部分主要由变压器组成,直接采用三抽头的变压器为双电源运放供电,可以得到相位相反的两个18V的交流源,输入到下一级的整流桥,变压器为18V的型号输出,功率大于10W。
2.3.2整流部分
整流部分主要由二极管组成的整流桥组成,利用二极管的单向导电性将四个二极管分为两组,与变压器副边极性分别导通,将
变压器负极性端与负载电阻的下端相连,副边
电压的正极性端与负载电阻的上端相连,以便
负载上始终有一个单方向的脉动电压。
桥式整
流电路的优点是波形平稳,电源利用率高。
整
流后电路电流电压波形如图。
整流部分采用的
是耐压值高于45V的成品整流堆。
2.3.3滤波电路
整流后的直流输出电压不稳定,通常在整流电路后有滤波电路,减少整流后的单向脉动直流电压中脉动性,过滤掉整流后的波纹使其成为平滑的直流电。
一般电路中电容滤波电路,滤波电容C直接并联在负载RL两端,形成电容滤波电路。
利用电容
储能的作用,使输出直流电脉动成分降低,电压波形更加平滑,输出直流电压的平均
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值增大。
2.3.4稳压电路
稳压部分主要由稳压芯片组成。
为了防止产生自激,在稳压芯片两端各加频率补偿的电容,这样输出的直流基本就稳定了,足以满足实验设计的要求。
稳压芯片通常选用输出为正15V的LM7815和输出是负15v的LM7915。
为了滤除电路中可能存在的高频影响,尾端通常加上470μF的电容。
稳压芯片LM7815的主要参数:
输出电流可以按照要求达到1A
输出晶体管SOA保护
输出电压有:
15V
7815极限值(Ta=25℃)
VI--输入电压(VO=24V)40V
(V0=5~18V)35V
引脚
1--输入INPUT
2--地GND
3--输出OUTPUT
7915系列为三端负稳压电路,有不同的固定输出电压,应用范围广。
LM7815和LM7915接法如下图:
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78,79系列经典接法
3设计原理及主要电路的参数计算
3.1前端放大电路
集成运算放大器放大信号的优点:
(1)电路设计、组装调试简单方便,适当的接入元件便可放大输入输出
(2)由于放大电路一般处于深度负反馈闭环状态,满足高增益的开环运放,性能比较稳定,失真小。
(3)运放有很高的共模抑制比,对外界的干扰有很强的抑制能力。
运放输入阻抗高,几乎没有失调和漂移,很适合各种微弱信号的放大。
第一级差模放大的电压放大倍数计算:
运放A1、A2均满足虚短和虚断,流入A1、A2的电流可视为零,所以
VA=Vi1VB=Vi2
VR10=Vi1-Vi2
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VR10Vo1?
Vo2?
R10R8?
R9?
R10
运算可以得出:
Vo1?
Vo2?
R8?
R9?
R10R8?
R9VR10?
(1?
)(Vi1?
Vi2)R10R10
A3运放构成求差电路满足关系式:
VO3?
R5(VO1?
VO2)R3
带入得
Vo3?
?
R5R5R8?
R9?
R10(Vo1?
Vo2)?
?
()(Vi1?
Vi2)R3R3R10
R12Vo3R11A4运放构建反向比例放大器,满足关系式:
Vout?
?
最后得到运算放大器倍数为:
AV?
R12R5R8?
R9?
R10()R11R3R10
由以上结果可以得出通过调节R12的值就可以实现对测量放大器放大倍数的调节,放大器的前级只起到了抑制共模信号和提高输入电阻的作用,,放大任务主要由最后一级比例放大器来完成,考虑到这些因素,本设计前级放大器放大倍数
AV1?
?
R5R8?
R9?
R10100k?
100k?
?
50k?
?
100k?
()?
?
?
?
?
50R3R1010k?
50k?
R12R11最后一级放大倍数AV2?
?
电阻R12是一个100k?
的电位器,R11阻值为10k?
的常用电阻,所以最后一级的最小增益可以小于1,最高增益可调至500倍,基本上可以满足实验要求,但考虑到发挥部分的问题,在实际设计实验中将R12改为200k?
或者更高阻值的电位器,就可以实现手调放大倍数1~1000倍的要求。
3.3电源参数的计算
设计要求直流稳压电源为单相220V交流电压供电,交流电压变化范围为+10%~
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-15%,输出基本不变,能够继续正常工作,计算滤波电容值时,特别注意整流二极管、LM7815、LM7915最小压降。
(二极管为0.7V,LM7815及LM7915为Ud)
在交流电压输出±15V时,输出电流应该达到500mA以上,
在单向220v交流电运作下0.01s内的电压变化为
△Umax=U×2(1-15%)-Ud-15=3.38V
C=△Q/△U=I.t/△U=0.5×0.01/3.38=1478μF
实际实验设计中C=2000μF(在实物上直接焊接4700μF)就能够满足要求。
4仿真分析
在设计好方案后,按照方案在仿真软件MULTISIM中进行仿真,得到相关数据。
4.1电源的仿真测试
对电源仿真测试结果数据如下:
电源仿真图
表一电源仿真测试参数
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经过分析,虽然有误差,但仍在实验允许范围内,能够较好的为后续实验提供电源。
4.2信号转换器的仿真测试
将电路中信号变换器单独拿出接上函数发生器,设定输出电压峰峰值VP-P=1mV,频
率F=2Hz。
用示波器观察两端输出的波形,记录并测量其大小。
分别调整R6、R7的阻值直到输出端1与输出端2的输出电压值大小都为1mV。
仿真结果如图所示:
信号变换电路仿真结果
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分析上图可知,设计的信号变换电路符合实验要求,能够较好的为下级电路将单端输出转变双端输出,为后续实验提供了较好的输入方式。
4.3前端放大电路的仿真测试
仿真电路如下图,通过改变电桥阻值进行不同参数的测量,可以选择放大倍数为1、100、1000和1~1000倍。
前端放大电路测试仿真图
用万用表分别测量测量放大器放大后的电压及电桥的输出电压。
再根据表达式
R12R5R8?
R9?
R10AV?
()当放大倍数为1~1000倍R12调至50kΩ时,放大倍数R11R3R10
Av=250。
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前端放大器仿真
分析上图可以得到,当R19=5kΩ时,Vi=5V,Vout=1.25kV,放大倍数:
AV?
Vout1.25kV?
?
250Vin5V
经实验仿真得出的结果与之前测量估算值一致,可以得到测量放大器电路的设计是满足要求的。
4.3测量放大器的频率响应测试
测量放大器的频率响应的仿真电路图:
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测量放大器仿真电路图
首先要调零信号变换电路,按设计进行接入端连接。
调节函数信号发生器产生信号源,将输出信号由单端输出转变成双端输出,再将输出信号接到测量放大器的输入端,根据需要设置测量放大器的放大倍数及输出电压,然后再用交流毫伏表测量信号变换电路和测量放大器的输出电压,记下不同信号发生器输出频率下的放大倍数,
首先要对信号变换电路进行调零,同样是将输入短接,及输入端直接接地,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,合理的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,计算不同频率下的放大倍数,得出测量放大器的频率响应。
设置输出电压峰峰值VP-P=1mV,频率F=1Hz,用示波器观察输入输出端的波形,然后
计算比较。
把R12调至50kΩ,仿真结果如下图:
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电路仿真结果
示波器两端分别接信号变换器和电路的输出端。
测量放大电路的放大倍数。
由公
当R12=50kΩ时,Av=250。
设计的仿真结果为Av?
VoutR12R5R8?
R9式AV?
?
(1?
)ViR11R3R10Vout510.527mV?
?
249.41Vin2.047mV
下表为频率响应记录:
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本科毕业设计频率响应记录表格
用仿真软件软件的ACAnalysis对电路进行响应测试,结果如图:
由上表与图可以看出此测量放大电路的通频带展宽为0~100Hz以上,能够完成实验要求。
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5小结
这一次的毕业设计确实让我学到了很多。
刚开始一知半解的时候感觉这个课题和简单,直接打算上手就做,可是越发进行越是发现并不是想象中的那么简单,在老师的不懈讲解以及不断查阅资料后才对设计慢慢的有了更深的认知,才能将实验顺利完成。
通过本次设计,让我深刻认识到搞懂设计原理是多么的重要,否则整个实验将无法进行下去,把理论与实际应用结合不是轻易就能完成的。
设计开始时有很多没有使用过的芯片,还有不常用到的仿真软件以及淡忘的模电知识都成了设计顺利进行的绊脚石,所以就不断的查阅以前的书籍,包括到图书阅览室还有网上不断丰富自己这些方面的知识,必须要详细的知道每个元件的用途及使用方法后进行电路组建,不断的更换元件直到达到最佳效果,还有差分放大器,一定要理解各项指标以及应用。
在仿真调试过程中,不断从图书馆还有网上学
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- 测量 放大器 设计 实现 毕业设计 论文