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设计一个测量放大器及其所用的直流稳压电源.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 一、设计一个测量放大器及其所用的直流稳压电源； 二、设计内容及要求 1、测量放大器 1 差模电压放大倍数 Ad=500。 2 最大输出电压为 10v，非线性误差<0.5%。 3 在输入差模电压+7.5v～－7.5v 范围内，共 模抑制比 Kcmr>10 5 4 在 Ad=500 时，输入噪声电压的峰值小于 1v。 5 通频带 0～10Hz。 6 直流放大器差模输入电阻≥2MΩ。 2、直流稳压电源 由单相 220v 交流电供电，交流电压变化范围为 +10～－15%，输出电压±15v，最大输出电流 1A，电压调整率≤0.02%，纹波电压（峰－峰） 小于 5mV。 3、如有上机条件，用 P-Spice 程序做电路仿真， 并分析其频率特性。 4、画出放大电路原理图及直流稳压电路接线图 （A4）。 三 总体设计方案 1 测量放大器 共 12页，第 1页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 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。 应课程设计要求故采用直流差分放大器，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。 由于 AVD=500,所以采用三级放大电路，最大输入电 压为 20mA. 为满足通频 0~10Hz,在第三极放大电路中加入低通电 源路. 共 12页，第 2页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 为满足 Rid≥2ＭΩ，在两个输入端到地之间分别串联 两个较大的电阻 方案一 线路前极为同相差分放大结构,要求两运放的性 能完全相同,这样,线路除具差模,共模输入电阻大的特 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,因而不需精密匹配电阻.后极的作用是抑制共 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,后极的电阻精度则要求匹配.增益分配 已搬前极取高值,后极取低值.该方案易于定位和控制. 方案二 电路结构与方案一基本相同,只是为了达到增益 调节的要求,考虑用两片 R-2R 的 D/A 代替图中的 R1, 结合单片机通过改革 D/A 的电阻网络来改变公式中 的 R1 值,从而改变增益.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,而且精度也不满足要求. 故选择方案一为主方案. 三．设计方案及其原理 1．测量放大器基本原理 在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的 多路信号惊醒测量，由于信号运放两者地电位不统一， 共 12页，第 3页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 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的差动输入方式。 对测量电路的基本要求是： ①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 ②共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差 ③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。 抑制共模信号传递的最简单方法是在进本的同相 并联电路之后，再接一级差运算放大器，它不仅能割 断共模信号的传递，还将双端变单端，适应接地负载 的需要电路如图 1 所示。它具有输入阻抗高，增益调 节方便，漂移相互补偿，以及输出不包含共模信号等 优点，其代价是所用组件数目较多，共模抑制能力略 有下降。要想提高差分电路的共模抑制比，关键在于 两边电路要对称（尤其是两只放大管的特性要一致） 和尽可能加大 Re.下面我们可以采用两种共模抑制比 的两个具体措施。 共 12页，第 4页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 a.使用“对管”构成差分电路 解决差分电路完全对称这一问题遇到的最大 困难就是难于得到一对特性完全相同的三极管，即使 有这样的三极管，它们的工作环境也难于完全相同。 比较理想的办法是采用双三极管，这种三极管是在同 一块基片上制作出来的，由于制造条件相同，又封装 在同一管壳之内，两管温度极为接近，两管参数趋于 完全相同，所以能大大抑制由于温度变化引起的漂移 电压。 b.采用三极管“恒流源”来代替电阻 Re 加大 Re 可以提高共模抑制比，但是 Re 的增大又 受其他条件的限制，可以从公式得出： Ic1 = Ic2≈（Ec+Ee-Uce）/(2Re+Rc) 当发射电源 Ee 一定时，Re 越大则 Ic1 越小，这就限 制了动态工作范围，降低了放大倍数。如果要维持一 定的集电极电流 Ic1，就要加大 Ee，但把 Ee 加的很大 又不是经济的，为此 Re 一般不超过几十千欧。 要解决这个矛盾最好能够用一个直流电阻较小而 交流电阻很大的元件来替代 Re，这样，它即可以在 较低的电源电压 Ee 的条件下保证一定的动态范围， 又能对共模信号产生深度的负反馈。- 2．直流稳压电源 共 12页，第 5页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 采用变压——整流——滤波——稳压电路，用四 个二极管和适当的电阻，电容构成整流滤波电路，用 LM317 组件和适当的电阻，电容构成反馈式稳压电 路。 变压，两个并联时，整流，滤波部分有 R，C 和 4 个 Dbreak 二极管构成，为桥式整流滤波电路，稳压 部分为串联稳压电路，由 D5，C1，C2，C3，两个电 阻，运行 LM317 构成。 为满足 KCMR>105，测量放大器的前置级采用了仪 用放大器，，此放大器的优点是 Avd 较大，Avc 较小， 从而使得 KCMR 较大，测量放大器的后置级为一低通滤 波器。选取适当的电阻，电容，使上限频率为 10Hz。 从而达到设计要求。 故此我们选择“对管”构成设计电路。 为减小非线性失真，因为对于理想的放大电路， 其输出信号与输入信号应完全呈线性关系。但是，由 于组成放大电路的晶体管均有非线性特性，当输入信 号为幅值较大的正弦波时，输出信号却往往不是正弦 波。经谐波分析，输出信号中除含有与输入信号频率 相同的基波外，还含有其他谐波，因而产生失真。 综上所述，可以得到如下结论： 1 只有信号源有足够的潜力，能使电路闭环 共 12页，第 6页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 2 后基本放大电路的净输入电压与开环是 相等，即输出量在闭环前、后保持基波成 分不变，非线性失真才能减少到基本放大 电路的（1+AF）分之一。 非线性失真产生于电路内部，引入负反馈 后才能被抑制。换言之，当线性信号混入 输入量或干扰来源于外界时，引入负反馈 将无济于事，必须采用信号处理（如有源 滤波）或屏蔽等方法才能解决。 零点漂移的原因及解决方法 当环境温度变化时，三极管的参数 Icbo、Ube 和β 都将跟着变化，结果引起静态工作点发生变化，这就 产生了零点漂移。此外，电源电压的变化也会产生零 点漂移。 电源电压变化引起的零点漂移问题可借助稳压电 源和去耦电路来解决。因为直流放大器中各级产生的 零点漂移都会被送到下一级去，逐级进行放大，其中 输入级产生的零点漂移放大倍数最大，后果最严重， 所以减小零点漂移应着重在输入级解决，方法如下： 1 选用温度特性好、噪声系数小的放大管。 为了减少零点漂移，应选用受温度影响较小的三 极管，这点对输入尤为重要。在信号源内阻较大 共 12页，第 7页
    兰州理工大学技术工程学院模拟电子技术基础课程设计 的情况下，用场效应管作为输入级的放大器其效 果更好。此外还应选用噪声系数小的管子，并在 耦合所允许的范围内，尽量减小集电极电流，以 降低管子噪声的影响。 2 采用温度补偿电路 温度补偿就是在电路中接入另一个对温度敏感的 元件，利用这个元件的温度特性来抵消温度对三 极管的影响，从而使输出电压的漂移减小。 上述两种温度补偿电路比较简单、经济。但只能 用在对抑制零点漂移要求不高的放大器中，对于抑制 零点漂移有很高的直流放大器，则采用差分放大电路。 测量放大器的缺点在于电阻和运放的精度要求 较高，在精度较高的前提下，才能保证 Avc 较小， KCMR>105，且输出电压不太稳定，输出电流较小。 该电路的缺点在于输出电阻较大，为此可在输出端 再加一级电压跟随器，降低输出电阻，减小负载变动 对电压增益的影响，或可采用带隙基准电压源电路， 提高输出电压的稳定性。KCMR = |Ad/Ac| Ad = -[Rc∥(Rl/2)]/(R b+rbe) Ac = △uoc/△u lc 由计算得 KCMR = Avd/Avc ≈ 1.6*106 Vo = -15V Imax ≈ 1A .四、系统框图及硬件电路图 共 12页，第 8页
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