测控电路
课程设计
题目名称：测量放大器的设计
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学号：
指导教师：
测控电路
课程设计
课程设计名称：测量放大器的设计
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目录
摘要： (2)
一、测量放大器的设计 (2)
1.1设计的任务 (2)
1.2设计的初始条件 (2)
1.3设计的要求 (3)
1.4设计的基本原理 (3)
二、方案的设计与论证 (3)
2.1放大电路的设计与论证 (3)
2.2信号变换电路的设计与改进 (6)
2.3直流稳压电源电路的设计 (7)
2.3.1降压部分 (8)
2.3.2整流部分 (8)
2.3.3滤波电路 (9)
2.3.4稳压电路 (9)
三、设计原理及主要电路的参数计算 (10)
3.1前端放大电路 (10)
3.2电源参数的计算 (11)
四、仿真分析 (12)
4.1各部分电路的仿真测试 (12)
4.1.1电源的仿真测试 (12)
4.1.2信号转换器的仿真测试 (13)
4.1.3前端放大电路的仿真测试 (13)
4.2测量放大器的频率响应测试 (15)
4.3仿真结果中遇到的问题 (17)
五、设计体会 (17)
六、参考文献 (18)
附件一 (19)
附件二 (20)
测量放大器的设计
摘要：
测量放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。本次课程设计就是围绕测量放大器展开的，同时还设计了放大器的一些外围电路，如电源电路和信号变换电路。测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，并不对所测量的电路产生影响，这就需要测量放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。
一、测量放大器的设计
1.1设计的任务
设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。如下图1-1所示，输入信号VI取自桥式测量电路的输出。当R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。R2改变时，产生VI0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。
图1-1设计要求简
1.2设计的初始条件
（1）功率为20W的变压器220V--+18V~—18V；
（2）OP07的运算放大器；
（3）稳流二极管1N4007
（4）三端集成稳压器7815，7915
（5）电阻、电容若干
1.3设计的要求
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）。
1.4设计的基本原理
本设计主要由测量放大器、信号变换器、直流稳压电源三部分组成。
测量放大器主要是实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电信号的放大，要求有较高的输入电阻，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信号的转换，最后经比较放大器进行放大。
信号变换电路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，主要采用的是经过改进的差分式放大电路，信号变换在本设计中的用途主要是用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。
直流稳压电源电路主要用于为运放供电，包括测量放大电路及信号变化器中的运放。
二、方案的设计与论证
2.1放大电路的设计与论证
方案一：如图2-1所示，直接采用高精度OP放大器结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，工模拟之比、失调电压和失调电流等参数亦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，元器件较少，但仍将其舍弃。
图2-1方案一电路图
方案二：采用比较通用的仪用放大器，如图2-2所示，它是由运放A1、A2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，V1和V2分别加到A1、A2的两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用一个适当阻值的电位器代替，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，元件较少，A1和A2两个放大器组成差分放大电路，可以有效地抑制共模信号，并且为双端输出，其共模放大倍数理论为0，因而可以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为无穷大。并且要求两运放的性能完全相同,这样,线路除具有输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及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，因而放大倍数无法准确得到，因而，本方案并不能完全满足实验要求，故舍弃本方案。
图2-2方案二电路图
方案三：主要是对第二种方案的合理改造，如图2-3所示，电路前级放大仍然采用差分式输入的方式，采用双端输出，能有效地提高抑制共模抑制比，并且由于电路的零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制能力。然后再通过A3进行信号变化，将双端输入信号转变成为单端输出。为提高电路的共模抑制能力，A3为节约成本仍采用OP07，为提高其共模抑制能力以及精准度，为其加入了调零电路，并且为保证电路对称，用固定电阻R6与可变电阻R7串联后与R5进行匹配，从而提高电路的对称性，减少温度漂移的影响，然后再接一级比例放大，通过调节R12的阻值可改变整个电路的放大倍数。经过仿真测试，基本能满足实验要求，并且对于扩展部分，可以将R12用一个电阻网络代替，用单片机对其阻值进行控制即可满足放大倍数的调节，并且经过理论分析基本可以满足步进为1的要求，鉴于以上原因，将采用本电路。由于时间的关系，将不完成发挥不部分的内容。
图2-3方案三电路图
2.2信号变换电路的设计与改进
信号变换电路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，主要采用的是经过改进的差分式放大电路，信号变换在本设计中的用途主要是用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号，如图2-4所示。
图2-4信号变换电路
为了使信号不失真，就须保证电路的对称性。所以采用单端输入双端输出的差动放大器进行信号的变化。同时用高精度、低漂移的运放来代替警惕三极管。本电路采用的运放是OP07，如图2-5所示。
图2-5信号变换电路
同相放大器接成跟随器，前端输入进行分压，从而使Vo(+)=(1/2)Vin，反向放大器的AV=-R6/R2=-50/100=-1/2，使得Vo(-)=-(1/2)Vin，从而实现不失真变换。在图2-5所示的电路中，电路输入阻抗太低，约为20kΩ，所以选择了改进后的电路见图2-6 。此电路从同相端入，因此输入阻抗高，满足题目提出的要求。
图2-6改进后的信号变换电路
2.3直流稳压电源电路的设计
直流稳压电源一般由电源变压器，整流、滤波电路以及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要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的电压输出，如图2-7所示。
（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
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18V输出的变压器足以满足要求。
图2-7直流稳压电路
2.3.1降压部分
降压部分主要由变压器组成，由于要为双电源运放供电，因此要采用三抽头的变压器从而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，变压器的型号为18V的输出，功率要大于10W。
2.3.2整流部分
整流部分主要由四个二极管组成的整流桥组成，依据二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。经过整流后的电流及电压的波形变化如图2-8所示。整流部分使用4个1N4007搭建的整流桥。
图2-8整流部分波形图
2.3.3滤波电路
经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。为了减少其交流成分，通常在整流电路后皆有滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。在小功率电路中采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。实验电路中使用4700μF的电解电容足以满足电路的要求。
2.3.4稳压电路
稳压部分主要由稳压芯片组成，在稳压芯片两端各加一个用于频率补偿的电容，防止产生自激，经过稳压芯片稳压后，输出基本为稳定的直流，能够满足设计电路的宫殿要求。稳压芯片选用的是常用的LM7815和LM7915。其中，LM7815输出的是正的15V，而LM7915输出的是负的15V。尾端加上470μF的电容主要是用于滤除电路中可能存在的高频影响。
稳压芯片LM7815的主要参数：
输出电流可达1A ，输出电压有：15V
输出晶体管SOA保护，7815极限值（Ta=25℃）
VI--输入电压(V0=5~18V)35V (VO=24V)40V
相关引脚：
1--输入INPUT
2--地GND
3--输出OUTPUT
稳压芯片LM7815引脚图如下图2-9所示：
图2-9稳压芯片引脚图
7915系列为三端负稳压电路，TO-220封装，有不同的固定输出电压，应用范围广。如图2-10，78系列和79系列的经典接法如下：
图2-10 78系列和79系列的经典接法
稳压器的最大允许功耗取决于芯片的最高结温TjM，当T< TjM时稳压器才能正常工作。因此，稳压器的散热能力愈强, 结温就愈低，它所能承受的功率也愈大。因此，选取了较大的散热片，以达到较好的散热效果。
三、设计原理及主要电路的参数计算
3.1前端放大电路
用集成运算放大器放大信号的主要优点:
(1)电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输
出的各种放大关系..
(2)由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。
(3)运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。
第一级差模放大的电压放大倍数计算：由于运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有
得到：
运放A3实际构成求差电路,满足关系式：
带入该关系式得到：
运放A4结成的是反向比例放大器,满足关系式：
因而最终测量放大器的放大倍数为:
从式子中可以看到通过调节R12的值即可实现对测量放大器放大倍数的调节,其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路的输入电阻,并不承担主要的放大任务,放大主要由最后一级比例放大器来完成,因而在电阻选择上考虑到这方面因素,本设计前级放大器的放大倍数：
最后一级放大倍数：
而R12是一个100k的电位器，R11阻值为10k，故最后一级的增益最高可达500倍，最小增益可以小于1，完全可以满足实验的基本要求，但满足不了发挥部分的要求，因而在实际制作中将R12改为200k甚至更高阻值的电位器，即可满足放大倍数1~1000且手动可调的要求。
3.2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最小压降Ud。输出±15V时，设计输出电流至少达到500 mA，在0.01 s内电压变化为△Umax=U×√2(1-15%)-Ud-15=3.38V
C=△Q/△U=I*t/△U=0.5×0.01/3.38=1478μF
其中U=18V（变压器输出的交流电压），Ud为7815和7915的最小压降，设计取C=2000μF（在实物上直接焊接4700μF），在电源电压比正常值小15％或大10％时，电路仍能满足三端稳压器的最小压降，没有超出三端稳压器的耐压范围。
四、仿真分析
在确定好实验方案后，我依据设计的方案在仿真软件MULTISIM中进行仿真，并测量相关数据。
4.1各部分电路的仿真测试
4.1.1电源的仿真测试
对电源的测试，仿真结果如图4-1所示，具体数据如表一所示。
图4-1电源电路的仿真结果
表4-1电源部分测试参数
经数据分析，误差在范围内，达到题目要求，能很好的为后面电路提供电源及测试需要。
4.1.2信号转换器的仿真测试
把信号变换器的电路部分单独拿出，接上函数发生器输出，函数发生器输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=2Hz 。用示波器观察两端输出的波形，并测量其大小。
分别调整R6、R7的阻值来改变输出端1与输出端2的输出电压值，直至输出电压的大小都为1mV。
仿真结果如图4-2所示，看到两个个方向相反，幅值相等（V=1mV）的波形。
图4-2信号转换电路仿真结果
由上图可知，此信号变换电路的设计符合题目要求，能很好的把函数发生器的单端输出转变为双端输出，为下一级电路提供了测试的输入方式。
4.1.3前端放大电路的仿真测试
仿真电路如图4-3，可选择放大倍数为1、100、1000和1~1000倍。改变电桥阻值即可改变输入电压进行不同参数的测量。
图4-3前端放大电路的仿真电路图
用万用表测电桥的输出电压及测量放大器放大后的电压。
有表达式：A_V=(R_5 R_12)/(R_3 R_11 ) ((R_8+R_9+〖R 〗_10)/R_10 )，选择放大倍数为1~1000倍时，当R12调至50KΩ，放大倍数AV =250，仿真结果如下图4-4所示。
图4-4前端放大电路的仿真结果
由上图可知，当R19=5kΩ时，Vi=5V ，Vout=1.25kV ，放大倍数：
仿真得出的结果与测量值完全一样，由此证明了测量放大电路的设计是正确的。
4.2测量放大器的频率响应测试
首先要对信号变换电路进行调零，接入端接，及输入端直接接地。用函数发生器产生信号源，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，合理的设置电压及测量放大器的放大倍数，然后示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端，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相应。仿真电路如图4-5所示。
图4-5测量放大器的频率响应的仿真电路图
函数发生器输出电压峰峰值VP-P=1mV，频率F=1Hz 。用示波器观察输入端与输出端的波形，并进行比较计算。把R12调至50kΩ，仿真结果见图4-6所示。
图4-6整体电路的仿真结果
示波器1端接信号变换器的输出端，另一端接电路的输出端。测量放大电路的放大倍数。
当R12=50kΩ时，Av=250，由仿真结果计算出:
误差为0.26%。
表4-2频率响应记录表格
并使用软件的AC Analysis对电路进行响应测试，如图4-7所示。
图4-7
由上表与上图可知，此测量放大电路的通频带展宽为0～100Hz以上，很好的完成了题目的要求。
4.3仿真结果中遇到的问题
在放大器仿真中,当输入电压比较大时,输出电压仍然按原有的倍数进行放大。如输入为5V时，在放大倍数为250倍时，输出电压可达1.25V。在实际应用中，输出电压由于受到运放的电轨影响，它只能输出比运放电压少。例如运放运行电压为±15V时，在比较好的运放中，输出电压可达14.8V。但OP07运放在效果上稍差，大概输出电压为13.8V。所以这种不受限制的放大只能在仿真软件的理想状况下出。
五、设计体会
通过本次课程设计，我确实学习到了很多东西，让我懂得首先要对设计原理搞懂，才能在设计内容方面游刃有如。对于测控电路所学的差动放大器，以及模拟集成运算放大器有了更深一步的理解，并学会了将理论知识向实际应用的转变。加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如它的共模抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系。
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，都可以通过互联网查阅到相关的使用手册，十分方便，也加速了课程设计的速度，少走了好多弯路，避免了将时间花在空洞的想象中。在仿真调试过程中，我进一步学习了MULTISIM仿真软件的使用，为电路设计提供了一个很好的仿真平台。同时，也加深了模电课中所学到的有关于电路的频率相应特性的相关知识，同时，看到自己设计的电路在经过反复调试后终于达到预期的效果而感到十分的新会与自豪。
最重要的是我能不断尝试，由不了解该软件的用法而变得了解，并且还不断换元件、改参数，如OP07、ina128、UA741等等,以及对电源的设置来验证自己的猜想。其次，在实验前要作好充分的预习与实验要求的数据记录，在实验时遇
到问题要保持冷静，要注重联系书本知识积极思考，例如我在对电路的MULTISIM 仿真过程中，开始时波形一直不符合理论上期望，连静态工作点都不对,后来才发现原来我没有给运算放大器提供直流偏置，即没有提供直流电源。另外，对各种实验数据也能做出评估正确与否，对实验结果进行预估，看得到的实验结果是否正确。当然，实验有时候并不是与实际结果相符合，很多时候得到的结果与理论值有很大的差距，这时就需要自己耐心地去找到错误的地方来修改，找出原因，从理论上进行分析，过程虽然很累很繁琐，但是收获却很大的。除了对课本知识的有效应用外，也学会了与同学之间的相互交流，相互合作，遇到不懂的地方向同学请教或者上网查资料，使自己知识的薄弱面得到了加强，丰富了自己的知识面，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。
这过程中曲折可谓一语难尽。从开始时满腹激情到最后汗流浃背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。
六、参考文献
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[3].《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
[4].《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
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[6].《模拟电子电路基础》，王卫东、江晓安，西安电子科技大学出版社，2003
[7].《电路与电子简明教程》，王槐斌、吴建国、周国平，华中科技大学出版社，2006
[8].《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社