测量放大器实验报告

目录摘 要1Abstract 21. 设计准备31.1引言31.2Multisim 简单介绍 32. 测量放大器原理图设计52.1 设计任务及要求52.2 设计原理52.3 设计方案及实现72.3.1 方案 1 及电路图72.3.2 方案 2 及电路图82.3.3 方案 3 及电路图92.3.4 方案 4 及电路图92.4 比较后选择的方案及合适器件132.5 部分功能电路.103. 电路的仿真、测量波形及实物图133.1 电路的仿真133.2 测量波形153.2.1 输入差模信号.193.2.1 输入共模信号.203.3 实物图和调试波形图.203.3.1 实物图.203.3.1 调试波形图.214. 设计过程的问题和解决办法.194.1 元器件的选择194.2 实验发现的问题和解决方法195. 元器件清单216. 小结227. 参考文献23摘要测量 放大 器又称为 数据放 大器 或仪表放 大器，常用于 热电 偶，应变 电桥.流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信 号的 检测 。测量放 大器是一 种高增益、直流耦合放大器，它具 有差分 输入、单 端输出、 高输入阻 抗和高共模 抑制 比等特点，因此 得到广泛 的应用 。在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测 量，由于 信号远离运放，两者 地电位不统一，不可 避免地存在长线干扰 和传输网 络阻抗不 对称引入的误差。为了 抑制 干扰，运放 通常采用 差动 输入方式 。对测量电路的基本 要求是：高输入阻抗 , 高共模抑制比, 高 增益及宽 的增益调 节范围。本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器 ,并满足其高 输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求。关键词：测量放大器，集成运算放大器，数据放大器，高共模抑制比，高通 频带，低噪声AbstractAmplifier is an important component of electronic systems to understand and master the amplifier for the learning and application of electronic systems of great help. Signal detection amplifier circuit there are many types of real systems are often used in measurement amplifiers and isolation amplifiers.Signal detection amplifier circuit there are many types of real systems are often used in measurement amplifiers and isolation amplifiers.Instrumentation Amplifier is also known as data amplifiers or instrumentation amplifiers, commonly used in thermocouples, strain bridge. Flowmeters, bio-electrical measurements, and other tributaries of a larger common-mode interference in weak signal detection of slow changes.Instrumentation Amplifier is a high-gain, DC-coupled amplifiers, it has a differential input, single-ended output, high input impedance and high common-mode rejection ratio and other characteristics, it is widely used.In the industrial automation and other areas, often far from the op amp need for multi-channel signals are measured, because the signal away from the op amp, the two ground potential are not unified, there is inevitably long-term interference and transmission network impedance asymmetry introduced error. In order to suppress interference, commonly used op amp differential input mode. The basic requirements of the measuring circuit are: high input impedance, high common-mode rejection ratio, high gain and wide gain adjustment range.The design through the use of instrumentation amplifier designed to achieve the transformation of a measuring amplifier and its regulated power supply used, and to meet their high input impedance and high common-mode rejection ratio and high-pass band requirements.Key words: measurement amplifier, integrated operational amplifiers, data amplifier, high common-mode rejection ratio, high-pass band, low-noise1. 设计准备1.1 引言在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测 量，由于 信号远离运放，两者 地电位不统一，不可 避免地存在长线干扰 和传输网 络阻抗不 对称引人的 误差。为了 抑制 干扰，运放 通常 采用 差动 输人方式。对测量电路的基本要求是：高输人阻抗 , 高共模抑制比, 高 增益及宽 的增益调 节范围。本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的 稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求.。1.2 Multisim 简单介绍Multisim 是加拿大图像交互技术公司（ Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司 ）推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟 / 数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述 语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路行为 进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得 深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使 其更适合电子学教育。通过 Multisim 和虚拟仪器技术， PCB 设计工程师和 电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测 试这样一个完整的综合设计流程。Naa-Elacii甜软中园Y2 3V9i77DMLiflsInri Pow.cr 片。EcitionVerslDTi 10.1Multisim 10.1图1 Multisi m登陆画面2. 测量放大器原理图设计2.1 设计任务及要求1. 基本功能：(1) 差模电压放大倍数AVD=1500，可手动调节；(2) 最大输出电压为10V,非线性误差105 ;(4) 在AVD=500时，输出端噪声电压的峰一峰值小于1V；(5) 通频带 010Hz ；(6) 直流电压放大器的差模输入电阻2MW。2. 扩展功能：(1) 提高差模电压放大倍数至AVD=1000,同时减小输出端噪声电压。(2) 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 0100Hz 以上。(3) 提高电路的共模抑制比。(4) 差模电压放大倍数AVD可预置并显示，预置范围11000,步距为1, 同时应满足基本要求(1)中对共模抑制比和噪声电压的要求。2.2 设计原理放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子 系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的 有测量放大器和隔离放大器。测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥，流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、 高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放 大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同，它们在性能上与标准运算放大 器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定； 而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因 而具有很高的共模抑制比。它们通常不需要外部反馈网络。测量放大器的第一级只对差摸信号有一定的放大作用，而对共摸信号几乎没 有抑制作用，对公摸信号几乎没有抑制作用主要由第二级电路来完成 ,而且放大 器的共摸抑制比约为第一级电路的差摸电压增和第二级电路的共摸抑制比的乘 积。在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测 量，由于 信号 远离 运放，两者 地电 位不 统一，不可 避免 地存 在长线 干扰 和传 输网 络阻 抗不 对称引 入的误差。为了 抑制 干扰，运放 通常 采用 差动 输入 方式 。对测 量电 路的 基本 要求是 ： 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。 高共 模抑 制比 ，以 抑制各 种共 模干 扰引 入的误 差。 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， 高共 模抑 制测 量放 大器。用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放 大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。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。运算放大器组成的放大电路，按电路的性质可分为反相放大器，同相放大器 和差分放大器三种。按输入信号性质又可分为直流放大器和交流放大器两类。差分放大器分为（1）单端输入、单端输出（2）双端输入、单端输出（3） 单端输入、双端输出三种，而双端输入、单端输出型差动放大器常用于多级差分 放大电路的中间极或末极。2.3 设计方案及实现以下设计了四种方案，现在通过比较选择出最好的一种。2.3.1 方案 1及电路图同相 关联 式高阻测 量放大 器。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，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。该方 案电 路结构简 单，易 于定 位和控制 。但要调节 增益不能 实现， 不能满足 能连续调 节的要求。FREQ = 1kHz VAMPL = 3mVVOFF= 0VFREQ = 1kHzVAMPL = 5mVVOFF = 0V图 2 方案 1 电路图该测量放大器由运放U1和U2按同相输入接法组成第一级差分放大电路， 运放U3组成第二级差分放大电路，Rw和R3、R4组成反馈网络，因而引入了 负反馈。Ui6-U26=（VV2）（2R3+Rw）/Rw=（1+2R3/Rw）（VV2）（公式 1）又由第二级差分放大电路中的反相比例器的输入输出关系知V0=-R7/R5（U16-U26）（公式 2）综合以上关系可知Av=V0/（V1-V2）=-R7/R5（1+2R3/Rw）（公式 3）Kcmr=V化（公式 4）2.3.2方案2及电路图电路结构与方案一基本相同，只是采用电位器来替代Rw，以实现 增益的连续调节。也可以用电位器来代替r7或者r8,就没能实现更大幅 度的增益的调节，以满足不同的需要。电路图如下（注：此为输入差模 信号时的接法，若需要改为共模信号，只需将A2的引脚2接函数发生 器负极的线改接到正极即可！）：图3方案2电路图2.3.3 方案 3及电路图电路 结构 与方案二 基本相 同，只是为了达 到增 益调节的 要求，考虑用两片R-2R的D/A代替上图中的Rw，结合单片机通过改革D/A的电 阻网络来改变公式中 Rw 值，从而 改变增益。其优 点是 输入电阻大，两 运放的共 模增益、失调及 漂移产生 的误 差也相 互抵 消。其缺点 是由 于电 阻匹配的要求而使用了两片D/A，即增加了控制的工作量，又提高了成 本， 而且精度也不能满足要求。FREQ = 1kHzVAMPL = 5mV500kFREQ = 1kHzVAMPL=3mV00Vo图 4 方案 3 电路图2.3.4 方案 4及电路图简单的测量放大器是由仪器放大器和可变增益放大器级联而成。如 将 R-2R 的 D/A 看成一个可数控的电阻网络来实现增益可变放大，其放 大倍数将由单片机送到 D/A 的数据决定。该种方法的优点是电路简单，单片 机控制也不复杂，易于实现，但 是其电路结构决定了它不能满足发挥部分提出的放大倍数步距为1的要 求， 该电路的 Di 和放大倍数的关系图略， 它的前级零漂会影响后级， 特别是在后级放大倍数很大时，影响更大。2.4比较后选择的方案及合适器件综合以上四种方案分析可知：第一种方案电路结构简单，易于 定位和控制。测量放大器的第一级由 两个同相放大器采用并联方式，组成同相并联差动，该电路具有输入阻抗高的特 点但要调节增益不能实现，不能满足能手动调节的要求。第二种方案基本包含了方案一的优点，在此基础上增加了一电位 器，使得能方便的调节。由于在实际中很难达到电阻的精确匹配，运算 放大器也不可能达到完全一样，而通过电位器调节既方便有节约成本， 总体上能满足设计的需求，也由于其对称性方便调试。第三种方案的优点是输入电阻大，两运放的共模增益、失调及漂移 产生的误差也相互抵消。其缺点是由于电阻匹配的要求而使用了两片 D/A，增加了控制的工作量，又提高了经济成本，而且精度也不能满足 要求。第四种方案的优点是电路简单，单片机控制也不复杂，比较易实现， 但是其电路结构决定了它所需要的技术要求与经济成本要更高，它的前 级零漂会影响后级，特别是在后级放大倍数很大时，影响更大。故经过对比其优缺点后，第二种方案最为合理经济。2.5部分功能电路图6带有同相放大器输入的差放图7带有同相放大器输入的差放输入共模时输入共模时计算公式如下：Vsc=(Vsrl-Vsr2)+ (Vsrl-Vsr2)/Rw)*RFl+ (Vsrl-Vsr2)/Rw)*RF2 (公式 5)当 RF1= RF2= RF 时,Vsc=(Vsr1-Vsr2)*(l+RF/Rw/2)（公式6）（公式7）KCMR=AVDl/AVC0M=(l+RF/Rw/2)/l图8用3只OP07构成的测量放大器的实际电路如需要增益可调，则可将100KQ增益调节电阻用适当阻值的可调电阻实现。此测量放大器所用的主要功能图就是这些，我设计的测量放大器电路中省略 了 OP07的调零电路，因为调零对于这个测量来说，不是必需的。在负极与地之间接有2.2微法旁路电容的作用：改善集成运算放大器的电源 阻抗。增益可调电阻由三只不同阻值的可调电阻串联而成，作用：为达到11000 倍的增益可调，并且是精确调节。3 电路的仿真、波形及实物图31电路的仿真在电路准备好之后，首先按动匹。双击函数信号发生器，调节频率和幅值。如图:图9电路仿真3.2 测量波形调节好频率和幅值后，双击示波器，观察波形，如下图（其中红线为输入,绿线为输出；A通道为输出，B通道为输入）：321输入差模信号rWJar/eranrsI 宀-1 -rn- 1_+jn aorc-Freqjercy:Di*y Cydel-lI-Ampihidc-|JOD1咖ctfrwt厂-诳1Chwrwl AC Kan nd 6TlOT&北 limnyjRvStEdge丁l厂g迓on |oXpMtJMl (0Ypoabcri |oLevelbr|7?F idd 昭 | 砒 |屁Q | DC丨 &o oc | - |T沖三呷 | rjb | Auto | 旳w口 4卫临丸恋 | Et Tnwmv 315.576 ii mv 创a.aDou D.amv12 31i3-n图10输入差模信号幽1Time匚 hannel A匚hannel E1761.229 ms268.938 mV-232.579 n-iVReverse761,229 ms263,933 mV-232,579 mVT2-T10,000 50,000 70,000 VSaveTimebase匚 hannel A匚 hannel BTriggerEdge | jF t | 7 B | Ext |Scale 500 us/DivScale 100 mV/DivScale |100nnV；Div 吕X position 0V pcsition |0Y position 0Level|oV.期讪.|.(AC- 0 | DC |AC DC -Type 5ing. Nor. Auto NoneExt. Trigger图11 差模 960Hz,100mVp放大倍数=268.938/232.579=1.159w.aformsFreqLEncyzomH?Duty CfdEAnvlitudeinnmVpCffisetDVQptKrns謎 RtsejFml Tine |Lommcri30口用 Kei15%C；T2.2|A24W图12差模3KHz,100mVp 放大倍数=1.153WaveFcrms6OJITH Kay=ASig nd Options Frec|jerKy Duty CydE Ampkids OFFsttr-Comm on图13差模lKHz,10Vp放大倍数=0.591失真波形图14差模1KHz,4.9Vp放大倍数=1.122失真波形图15差模lKHz,4.8Vp放大倍数=1.159恰好不失真结论： 观察发现，输入共模信号时，电路有放大功能，正常工作放大倍数约1.6, 非正常工作即失真时放大倍数大大降低。 频率的改变不影响放大倍数。 幅值的改变可以引起失真，测得最大不失真幅值为4.8V。3.2.1输入共模信号Waveforms0Set Risc/Fdl TimeI Options Fr&quancy Duty Cycle ArnpUuck Cffwt蓉 Function!.图16共模1KHz,1Vp放大倍数=0.5结论：输入共模信号时，输出几乎为零3.3 实物图及实物调试波形图331实物图OC -nt,t3ir 二.GhE : r=緒 MrriivT 輕暑芥 ha0cnl叩呼+牛 MF 叮 专= 】- r-o* * */ 富1* F Er 030占*也丄 feageiJH Mll&ao. 002 T、g 合醴昂-皐cCH&eOErF图17电路板3.3.2实物调试波形图图18 开始图形出现失真、噪声较多图19输入共模信号图20输入差模信号放大倍数很小，有微小相位差4 设计过程的问题和解决办法4.1 元器件的选择在本设计中，充分的利用了集成运放 OP07 芯片，选用 74 系列芯片实现的 理由：就选型考虑，应尽可能少地选择集成运算放大器的型号。从理解的电子升级 竞赛试题来看，关于击沉滚算放大器，仅需要高精度集成放大器、高速集成运算 发达区和地电源电压的满幅集成运算放大器即可，即精密运算放大器OP07、告 诉运算放大器 LM318 或其他容易买到的型号、满幅集成运算放大器 OPA333 或 其他容易买到的型号即可。至于最常见的LM741,最好是不予采用的，因为OP07 的一般性能并不比LM741差，可以用OP07替代LM741。差放的输入电阻、反馈电阻和匹配电阻精度应为 0.1%，否则不能获得很好 的放大倍数。元器件的选择是高性能放大的保证，图中运放的参数必须尽可能相 同， 其他的运放也应选共模抑制比高的。 同时，为了提高共模抑制比， 对称的电阻必须精密匹配，可用 电桥测量法找出阻值最接近的电阻。由 于对放大电路的频带也有要求， 所以选运放和调试时还必须注意其频 响。为达 到输 入阻 抗较高 的要求， R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k, 这样 达到 对称，根据增益公式Avd1= (1+R f/Rw/2),选择Rw的最大阻值为1M，最 低增益略大于 1， 且能连续向上增大调节。而第一级的双运算放大器采 用一对 OP07 型， 以达到运放的精确匹配，以实现对差模信号的放大作 用， 后一级差分运放也用 OP07 型， 以实现共摸的抑制的良好效果。4.2 实验发现的问题和解决方法1做实物时不知道OP07的引脚图，后来在网上查后确保了引脚没接错。焊电 路板时一开始没意识到芯片的座子也是有正负的，在他人指导下改正了。接线时， 发现导线用刀片刮后比较容易焊上。做好后检查电路板时，发现有些地方的导线 被电烙铁的温度熔破，有两根线已经接触，造成短路情况，幸好及时发现。通过 这次自己的亲手操作，发现了很多自己不会的问题，通过老师同学和网络的帮助， 这些问题被解决了，我也从中学到了很多。2. 用Multisim仿真时，做电气规则检查，发现不管怎么改正，土 15V的直流 源接运放芯片的引脚总是错误的，导致仿真也做不出来，认真检查了很多遍，最 后发现是15V的直流源用错元件了，不该用DC-Power,而应用VCC和VEE。改 正之后，进行仿真，又发现波形不能放大，我又重新检查了几遍电路图，发现是 第三个O P07处引脚2和3接反，将原本的的负反馈变成了正反馈。3. 在实验室测量波形时，起初因接线错误而没有输出信号，改正后发现输 出信号几乎没有放大，有老师说这个是由于芯片不好的缘故，我自己认为可能是 接线不好。5 元器件清单表1 元器件清单一序号编号名称数量1OP07集成运放3个2RP11M Q电位器1个3RP25.1KQ电位器1个4RP3510 Q电位器1个5C2.2微法电容3个6R10K电阻6只7P排针5个8B电路板1块6、小结通过这次模电课设，我深刻体会到，首先要对设计原理搞懂，才能做好设计 内容及调试方面。我也从中加深了对差分放大器的各项指标的理解与应用，例如 它的共摸抑制比，输入输出阻抗的大小，通频带与增益之间的关系，我掌握了测 量放大器的性能测量方法。在实验前一定要作好充分的预习和思考，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。我在对电路的仿真过程中，开始时波形一直调试不 出来，无法放大，后来才发现原来我把直流电源的符号弄错了，而且还接反了两 根线。通过做这次实验，我学会了 multisim 的用法，发现它是一种比 protel 方便许 多的工具。不管用它来画电路图还是来仿真，都很简单、省时。Protel需要填封 装号，而像我们不太熟悉的那些元件，就必须得一一上网取查，既浪费时间又浪 费精力，然而，用multisim就很好的解决了这个问题。Multisim的仿真过程也非 常简单，打开仿真开关即可。另外，它还提供了示波器、万用表等很多常用的测 量工具，只需接在电路中即可，还可以很方便的加入字符。在画原理图中，通过在元件库中寻找，我熟悉了几项基本的元件类型及关键 字，以及一些类型的运算放大器的符号标志和其参数，还有各种直流和交流电源 的符号区别以及怎样修改其默认的参数值。在连线过程中，我了解到只有连线端口与元器件的引脚准确对接，在电学上 才认为它们是连通的。而且两条连接线十字交叉处或者丁字形交叉处相接时，只 有在交点处出现圆形实心点，才表示电学上相连。这次实验成功之处在于电路板和仿真，以及学会了很多新的知识点，学会了 一种仿真软件；不足之处在于实物的测量波形放大效果并不好，放大倍数接近于 1，这个可能是由运放及电阻等选择不精确所导致。7、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) 电子电路分析与设计(第 3版)模拟电子技术作者(美)尼曼著 出 版社，清华大学出版社 出版时间：2007 年(3) 模拟电子电路设计性实验指导书，大连理工大学自编教材， 2005年(4) 电子技术课程设计指导书，彭介华编著，高等教育出版社， 2000 年(5) 电子技术动手实践，主编：崔瑞雪， 北京航空航天大学出版社 2007 年