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在生活中我们经常会遇到一些微弱的微伏级信号,我们要研究它,就必须进行放大,放大的方法就必须用到测量放大器。测量放大器系统主要由测量放大器、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来减少测量的误差以及对被测电路的影响,并要求放大器的放大倍数可调,实现对较大倍数的放大,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。信号变换电路主要实现一信号输出到两端信号输出的转变;信号变换器主要是用于对测量放大电路的频率相应进行测试。稳压电源电路主要用于为运放供电,以及电阻电桥的电压。电子技术课程设计是在我们学生掌握了电子技术基础知识与电路的设计能力的基础,为了让学生综合运用模拟电子技术知识以及电路知识,从而进行实际模拟电子系统的设计、安装和调试,利用multisim软件进行电路设计、仿真进一步提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和电子技术实践能力,让学生了解模拟电子技术在工业生产领域的应用现状和发展趋势,为今后从事电子技术领域的工程设计奠定良好的基础。
二、设计的有关基本知识
基本概念和工作原理
(1)设计任务
题目要求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。
设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。。输入信号V取自桥式测量电路的输出。当R=R=R=R时,V=0。R改变时,产生
I 1 2 3 4 I 2
VH0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。
I
(2)设计要求
①基本要求
第1部分:测量放大器
差模电压放大倍数A=1〜500,可手动调节;
VD
最大输出电压为土10V,非线性误差<%;在输入共模电压+〜,共模抑制比K>105;
CMR
在A=500时,输出端噪声电压的峰一峰值小于1V;
VD
通频带0〜10Hz;
直流电压放大器的差模输入电阻22MQ(可不测试,由电路设计予以保证)。第2部分: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%〜一15%。
第3部分: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。
②发挥部分
提高差模电压放大倍数至A=1000,同时减小输出端噪声电压。
VD
在满足基本要求(1)中对输出端噪声电压和共模抑制比要求的条件下,将通频带展宽为0〜100Hz以上。
提高电路的共模抑制比。
差模电压放大倍数A可预置并显示,预置范围1〜1000,步距为1,同时
VD
应满足基本要求中对共模抑制比和噪声电压的要求。
其它(例如改善放大器性能的其它措施等)。
桥式电路:提供差动电压用来测试直流电压放大器的主要性能指标。信号变换放大器:把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大器的双端输入信号。
直流电压放大器:要求差动输入的直流电压放大器,具有高的差模电压增益,并具有低漂移,低噪声输出及高共模抑制比等特性。测试其差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。
直流稳压电源:该电源由单相220V交流电压供电,输出±15V直流电压,作为整个系统的电源。
测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件,具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点,测量放大器能够将微弱的电信号进行放大,在检测微弱信号的系统中,被广泛用作前置放大器。
直流稳压电源能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源,当交流供电电源的电压或负载电阻变化时,稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源的设计主要通过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成直流稳压电源电路。
信号变换电路,,这样通过简单、基本的运算放大电路就将单端输入信号变换成双端输出。
总体结构方案
直流稳压电源是一种将电压为220V,频率50Hz交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它主要是需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成直流稳压电源电路。变压部分主要由采用三抽头的降压变压器,主要作用是将交流220V转化为所需要的交流电压。整流电路,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。主要由整流二极管桥把交流电变化为直流电。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,整流电路输出电压中的交流成分大部分都可以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。稳压电路,用两个稳压芯片LM7815CT及LM7915CT产生所需要的±15V的电压输出,使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负载的变化而变化。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。为了滤除电路中可能存在的高频影响,。
信号变换电路,将单线输人信号分别经过两个运算放大器,一个接成跟随器,另一个接成反相比例放大器,这样通过简单、基本的运算放大电路就将单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号。信号变换电路主要完成单端信号输入双端信号输出的功能,用做测量放大电路频率特性的输入信号,为保证信号不失真,必须保证电路的对称性,防止因的温度漂移而产生的影响,信号变换放大器可由同相放大器和反相放大器组成,它们取自于同一信号,只要同相放人器的增益为1,反相放大器的增益为T,则同相放大器和反相放大器输出电压大小相等,相位相反,从而实现将单端输入变为双端输出的功能直流电压放大器。由于是从同相输入端输入因此电路的输入阻抗很高,能够满足试验的要求。
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。
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。U1和U2两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V8和V16都是U1、U2
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。为实现低失调与低漂移,一般选用同一型号且性能参数十分接近的芯片配对,构成并联差值比例放大电路,使放大器U1、U2的电路参数在工作时能相互补偿这样,放大器的失调与漂移相互抵消与补偿,从而使整个放大器的失调与漂移很小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R18调节放大倍数,因而放大倍数无法准确得到线路前级所以为同相差动放大结构,两运放的性能结构完全相同,前级运放U1、运放U2之间接可变电阻器R1&主要作用是实现差模放大倍数avd=1〜500,然后再通过运放U3,是为了提高其共模抑制能力以及精准度,以及保证电路对称,用固定电阻R9与R6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R13的阻值可以实现差模电压放大倍数AVD=1〜1000。经过理论分析基本同时满足发挥部分的要求。
图3放大器设计电路图
参数计算及主要公式
变压器部分:主要选取三抽头输入为220V,输出为双15V降压变压器。
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,管子所承受的最大反向电压较低,型号:RS510,耐压值:1000V/5A,工作温度范围:
1500C
滤波部分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。经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。后面用大小两个电容大电容用来稳定输出,电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑,小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净。、C二1mF。
mm max
稳压部分主要用两个稳压芯片LM7815CT及LM7915CT产生所需要的土15V的电压输出组成,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,。交流电压变化范围为+10%〜一15%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值。
信号变换电路主要完成单端信号输入双端信号输出的功能,用做测量放大电路频率特性的输入信号,为保证信号不失真,必须保证电路的对称性,防止因的温度漂移而产生的影响,信号变换放大器可由同相放大器和反相放大器组成,它们取自于同一信号。
对于同相放大器U1的电压增益Vo2/Vil=l,反相放大器U2,取R3=R4=50kQ的电压增益Vo5/Vil=-1,总增益为2的信号变换,则同相放大器和反相放大器输出电压大小相等,相位相反,从而实现将单端输入变为双端输出的功能直流电压放大器。
第一级差模放大的电压放大倍数的计算:
差模电压增益
R+R+R+RRR+R
A=—2 318 17X6X—131
w R+R RR
18 17 4 7
若取R7=R6=R4=R1=10kQ,R2=R3=25k0,R18=R13=0Q,R17=100Q
R+R+R+RRR+R
A=—2 3 18 17X6X-^3 1=501
w R+R RR
18 17 4 7
若取R18=500k0最大时,R13=0o
R+R+R+RRR+R
A=—2 3 18 17X6X—13 1=1・1
w R+R RR
18 17 4 7
从上式子中可以看到通过调节R18的值即可实现对测量放大倍数的调节,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。在R18调节最小时,放大倍数501,如果要满足发挥部分,则可以通过调节R13进一步增大放大倍数,故总的增益最高可达1500多倍,所以完全可以满足设计的基本要求。
具体实现的功能
对直流稳压电源进行测试,如下图
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测试数据如下表:
+15V输出端电压
-15V输出端电压
理论值
+
-
测量值
+
-
相对误差
%
%
在允许误差范围内,所设计的值符合要求。并且可以为电阻电桥提供双土15V电压,以及运放提供电源电压。
输入电压为220V,频率为50Hz的交流电,经过信号变换放大器后,单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号,设计要求达到。
(1)桥式电路四臂由三个电阻和一个电位器构成,并有±15V供电。改变电位器R16就可以改变输出电压Vi,差模放大倍数的测量,AVD=1〜500,可手动调节,调节电位器R13、R18可以实现对测量放大器放大倍数的测量。当调节电位器R16,,调节电位器R13=0。、R18=500kQ时,输出为
149831
,实测的放大倍数为A= =,如图可知理论放大器的放大
倍数为A二R2+R3+R18+R17XRX ,仿真结果如下图:说明设计
vd R+R RR
18 17 4 7
结果符合要求。