目 录
摘 要.............................................................................................................................. 1 Abstract .......................................................................................................................... 2 1. 设计准备................................................................................................................... 3
1.1 引言................................................................................................................ 3 1.2 Multisim简单介绍 ........................................................................................ 3 2. 测量放大器原理图设计........................................................................................... 5
2.1 设计任务及要求............................................................................................ 5 2.2 设计原理........................................................................................................ 5 2.3 设计方案及实现............................................................................................ 7
2.3.1 方案1及电路图.................................................................................... 7 2.3.2 方案2及电路图.................................................................................... 8 2.3.3 方案3及电路图.................................................................................... 9 2.3.4 方案4及电路图.................................................................................... 9 2.4 比较后选择的方案及合适器件.................................................................. 13 2.5 部分功能电路………………………………..…………………………………….10 3. 电路的仿真、测量波形及实物图......................................................................... 13
3.1 电路的仿真.................................................................................................. 13 3.2 测量波形...................................................................................................... 15
3.2.1输入差模信号…………………………..…………………………….19 3.2.1输入共模信号………………………………………………………..……….20 3.3 实物图和调试波形图……..………..…………………………….……….20
3.3.1实物图………………………………………………………..……….20 3.3.1调试波形图………………………………………………………………...….21
4. 设计过程的问题和解决办法........................................................................ …….19
4.1 元器件的选择............................................................................................... .19 4.2 实验发现的问题和解决方法....................................................................... .19 5. 元器件清单............................................................................................................ .21 6. 小结........................................................................................................................ .22 7. 参考文献................................................................................................................ .23
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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
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Abstract
Amplifier 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-noise
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1. 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。
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图1 Multisim登陆画面
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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=1～500，可手动调节； （2）最大输出电压为± 10V，非线性误差 < 0.5％ ；
（3）在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比 KCMR >105 ； （4）在AVD=500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V； （5）通频带0～10Hz ；
（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0～100Hz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1～1000，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；
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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：
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。
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。
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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 = 1kHzVAMPL = 5mVVOFF = 0VV1V1R1310kU1+7V+OS2561R7500kR510kR610k561R8500kC13100uC22100u-uA741U3+OUT0-V-42uA741OS1R3300kRw20kR4300kU2FREQ = 1kHzVAMPL = 3mVVOFF = 0VV2R2210kuA741-3+7V+OS2561VoOUTV-4OS1V+V-47OS2OUTOS100
图2 方案1电路图
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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。
U16-U26=(V1-V2)(2R3+RW)/RW=(1+2R3/RW)(V1-V2) （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=V0/Vi （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
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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 = 5mVVOFF = 0VV1R1310k2U1+7V+OS256R71500kOUT-V-4OS10uA741R3Rw300kR4300kU2FREQ = 1kHzVAMPL = 3mVVOFF = 0VV23R2210kuA741-+R510kR610kC13100uC22100uuA741U3+7V+OS2561VoOUT-V-4OS17V+OS2561R8500kOUTV-4OS100
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，
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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
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图5 差放（减法器）电路图
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=(Vsr1-Vsr2)+ ((Vsr1-Vsr2)/Rw)*RF1+ ((Vsr1-Vsr2)/Rw)*RF2 （公式5） 当RF1= RF2= RF时，
Vsc=(Vsr1-Vsr2)*（1+RF/Rw/2） （公式6） KCMR=AVD1/AVCOM=(1+RF/Rw/2)/1 （公式7）
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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100KΩ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1～1000倍的增益可调，并且是精确调节。
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3 电路的仿真、波形及实物图
3.1 电路的仿真
在电路准备好之后，首先按动率和幅值。如图：
。双击函数信号发生器，调节频
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）：
3.2.1输入差模信号
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图10 输入差模信号
图11 差模 960Hz,100mVp 放大倍数=268.938/232.579=1.159
图12 差模 3KHz,100mVp 放大倍数=1.153
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图13 差模 1KHz,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
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图15 差模 1KHz,4.8Vp 放大倍数=1.159 恰好不失真
结论：
①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。
②频率的改变不影响放大倍数。
③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
图16 共模 1KHz,1Vp 放大倍数=0.5
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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
3.3.1实物图
图17 电路板
3.3.2实物调试波形图
图18 一开始图形出现失真、噪声较多
图19 输入共模信号
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图20 输入差模信号 放大倍数很小，有微小相位差
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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+RF/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。
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2.用Multisim仿真时，做电气规则检查，发现不管怎么改正，±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OP07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。
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元器件清单
表1 元器件清单 序编号 名称 数量 号 1 OP07 集成运放 3个 2 RP1 1MΩ电位器 1个 3 RP2 5.1KΩ电位器 1个 4 RP3 510Ω电位器 1个 5 C 2.2微法电容 3个 6 R 10K电阻 6只 7 P 排针 5个 8 B 电路板 1块
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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。
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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
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