测量放大器报告.docx

测量放大器
摘要
本设计由三个模块电路构成：前级高共模抑制比仪器放大器ina118、10位DAC7811
衰减器、和单片机键盘显示处理模块。前级模拟放大器部分具有高共模抑制比、
高输入电阻、可调电压放大倍数；DAC衰减器将模拟放大器的输出信号进行相
应的衰减；键盘输入信号放大倍数，并同时选取适当模拟放大倍数，通过单片机
整体控制，实现信号放大的功能。

一、方案设计与论证
1、输入电路
方案一：如下图所示。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，失调及其漂移产生的误差也要相等。

方案二：选择TI公司的仪表放大器ina118(内部集成三运放)，具有搞的共模抑制比CMRR可以轻易超过100dB,甚至达到120dB，同时也有很高的输入阻抗，电路比较方案一简单，容易实现。

综合考虑，选择方案二比较合适。
2、程控增益部分
方案一：根据增益1~1000倍范围内变化的要求，可用继电器或模拟开关切换档位，再用DAC程控步进衰减实现。考虑到分挡较多，没档的放大倍数不同，出现的输出失调也不同。如果每挡都要加偏置，电路就会很复杂。

方案二：如图
选择TI公司的数字程控芯片PGA202，可实现1、10、100、1000倍增益档位变换。可用单片机的I/O口控制芯片的A0、A1引脚，即可改变放大倍数，电路连接简单。然后通过dac7811与op07构成的步进程控衰减器，实现1-1000倍不进可调。

综合考虑，方案二较合适。

二、系统总体设计方案
1、总体设计思路
根据题目的要求，我们认真分析，充分利用了模拟和数字系统各自的优点，
发挥其优势，采用单片机控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度；采用
仪表放大器输入，大大提高了测量放大器的品质。由片运放构成的前级高共模输入的仪表差动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。每种信号都将在单片机的算法控制下得到最合理的前级放大和后级衰减，以使信号放大的质量最佳。
如图所示即为本系统原理方框图：

2原理分析和说明
（1）测量放大器原理
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：
①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。
②高共模抑制比，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基本的同相并联电路之后，再接一级差动运算放大器，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。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。
为了提高整个电路的共模抑制能力，除了设法提高前置级和输出级的共模抑制比外，使整个电路的增益主要由前置级来承担，也是十分有利的，但是这样做又会限制差动输入电压范围，必须权衡利弊，全面考虑。一般应用中，差动运算放大器的主要问题是提高共模抑制比，所以往往使输出级的增益取低值（这对差分输入运放的共模抑制比CMRR不利，必须相应提高电阻匹配的精度，才能保证CMRR不下降），前置级的增益取高值，把输入电压的工作范围放在第二位考虑。
（2）控制原理设计
本系统的控制由单片机完成，任一输入信号都将在前级放大的基础上再经后
级数控衰减器才得到最终的放大倍数，因此其控制特色主要也体现在这两个方
面。
首先是在前级放大器的控制上。在仔细考虑题目要求的基础上，我们将前级
放大器的可变电阻按要求分为四个控制段，分别对0~0.02、0.02~0.2、0.2~2、2~20V 四个不同电压等级的信号输入进行控制，用开关切换以实现不同的放大倍数。 由于要求最后放大电压的输出峰峰值不超过20V，所以对大信号的放大倍数是很小的。前级仪用放大器的放大倍数的适当选取是在单片机的算法控制下实现的，在用户预置的放大倍数，选择最小的前级放大倍数和相应最小的后级衰减方式。这样的选择可使由放大器和衰减器引起的误差最小。根据输入电压的大小判断档位选择，并由单片机的编程进行正确的电压放大。
在衰减器电路中，由一片D/A构成的控制器在单片机的控制下对用户预置的放大倍数作出响应。DAC7811 10位数据输入则相当于对该网络的输出电阻进行编
程，对于输入不同的数字量，得到不同的输出输入电压比。由于前级放大器已经
对输入信号有了一定放大，在D/A中只要做相应的衰减即可满足题目要求。
具体放大倍数情况如下图所示：
输入电压(峰峰值)
前级放大倍数
最终可放大倍数
2v ~20v
1
1
0.2v ~2v
10
1 ~10
0.02v ~0.2v
100
1 ~100
0 ~0.02v
1000
1 ~1000

（3）理论分析计算：
差模放大倍数计算
控制分析计算
Cmrr分析计算
噪声分析计算

信号变换放大器分析
温度测量电桥分析

测试、方案、条件、结果分析、完整性

1．放大倍数
测试条件：输人直流信号:
输入差模电压/V
设定放大倍数
输出差模电压/V
实测放大倍数
放大倍数相对误差
0.00361
300
1.081
299.45
－0.002
0.32
20
6.42
20.06
0.003
0.34
5
1.71
5.03
0.006
0.5
4
2.01
4.02
0.005
1.61
7
11.26
6.99
－0.001
1.64
6
9.83
5.99
－0.002

六、测试方案与测试结果
1．使用仪器及型号
直流稳压电源：型号DF1731SLL3A
100M数字存储示波器：型号RIGOL DS1102E-E
数字信号源：型号RIGOL 1022

万用表：四位半数字万用表 型号HYelec
2．测试条件：
温度：室温27度
3.测试方案与数据
（1）放大器带宽及通带内起伏测试
测试方案：输入不同正弦波信号峰峰值，对输入信号频率进行扫描，依次测输出信号峰峰值
测试数据：按表1测试并记录数据。
表1 放大器带宽及通带内起伏测试
f /Hz
5
100
5
100
5
100
输入差模电压 /mVp-p
20.
20
20
20
20
20
设定放大倍数
1000
1000
100
100
10
10
输出差模电压 /Vp-p
19.2

20
2.00
2.04
200mv
206mv
实测放大倍数
960
1000
100
102
10
10.3
放大倍数相对误差
4%
0
0
2%
0
3%

表2 放大器带宽及通带内起伏测试
f /Hz
5
100
5
100
5
100
输入差模电压 /mVp-p
200
200
200
200
200
200
设定放大倍数
100
100
10
10
1
1
输出差模电压 /Vp-p
19.0
20
2.06
2.02
206mv
204mv
实测放大倍数
95
100
10.3
10.1
1.03
1.02
通过此表，在100hz内增益稳定。
（2）输出噪声测试
增益设为60dB，将输入端对地短接，由示波器测试得输出噪声电压峰峰值Vp-p为472mVp-p。
4.测试数据分析
由测试数据可知，宽带放大器能达到输入峰峰值为10mV时输出最大峰峰值可达20Vpp，增益设为60dB时输出噪声电压为峰峰值为472mV。从频率特性测试结果看出测量放大器存在少许误差，主要由于使用的电容等元器件误差比较大。