仪表放大器的设计
目 录
一、 绪言 ……………………………………………………………7
二、 电路设计 ………………………………………………………8
设计要求 ………………………………………………………8 设计方案 ………………………………………………………8
1、 电路原理 …………………………………………………8
2、 主要器件选择 ……………………………………………9
3、 电路仿真 …………………………………………………10
三、 电路焊接 ………………………………………………………13
四、 电路调试 ………………………………………………………14
1、 仪表放大电路的调试 ……………………………………14
2、 误差分析 …………………………………………………15
五、 心得体会…………………………………………………………18
六、 参考文献…………………………………………………………19
绪 言
智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出仪表放大器电路实现方案，通过分析，为以后进行电子电路实验提供一定的参考。
在同组成员张帅威、张智越的共同努力下，大家集思广益，深入探讨了实验过程中可能出现的各种问题，然后分工负责个部分的工作，我和张帅威负责前期的电路设计和器件的采购，后期的焊接由张智越完成，最后的调试由我们三个人共同完成。本报告在做实验以及其他同学提出的富有建设性意见的基础上由我编写，报告中难免会有不足或疏漏之处，还望大家指正为谢！
第一章 电路设计
一、设计要求
1、电路放大倍数>3000倍
2、输入电阻>3000kΩ
3、输出电阻＜300Ω
二、设计方案
1、电路原理
仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，RF和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2、主要器件选择
（1）运放OP07
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等面。
（2） OP07特点：
A.超低偏移： 150μV最大。
B.低输入偏置电流： 1.8nA 。
C.低失调电压漂移： 0.5μV/℃, 超稳定。
D.时间： 2μV/month。
E.最大高电源电压范围： ±3V至±22V。
（3）OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡(调零端)
，2为反向输入端，3为正向输
入端4接地，5空脚 6为输出，
7接电源“+”，如图2。
图2 OP07管脚图
3、电路仿真
(1)电路图的绘制
根据所查资料用multisim11.0画出如图3所示电路图。
图3
(2)参数确定
A. 所设计的电路满足电路放大倍数>3000倍，如图
4
图4
Av=（220.793/0.1）*1.414>3000 即满足设计要求（1）。
B.所设计的电路满足输入电阻>3兆欧
原理：由二分之一分压法在输入端串联一个3兆欧的电阻，如图
5
图5
由实验结果可知3兆欧的电阻分压为1.995uv，即原先电路输入电阻分的电压比较多，所以满足要求（2）。
C.所设计的电路满足输出电阻
6
图6
(3)元器件的采购
根据上述的仿真结果，所设计的电路满足以上要求，最终确定的元器件见下表
第二章 电路焊接
1、电路板布局
(1)元器件的布局
原则：元器件之间的间距不能太小，另外使元器件的布局尽量美观。另外，应该考虑实际的走线情况。
(2)走线
原则：A.导线最好不要裸漏，以免发生短路。
B.导线走线在安全的前提下，应尽量保证美观。
C.注意OP07的管脚、电解电容的正负极的问题。
2、电路焊接
原则：焊接的过程中，在原先布局的基础上，应能够保证焊接牢固，按照所设计的电路图焊接电路板。特别要注意的地方是不用电络铁的时候不要长时间使其通电，否则会降低电络铁的寿命，此外，也要掌握焊接的技巧。
最终得到的电路板如图7、图8所示
图7 图8
第三章 电路的调试
1、仪表放大电路的调试
图9
根据调试所得的结果，放大倍数和仿真的结果（即理论值）之间存在一定的误差，此外输入电阻和输出电阻的测量就现有的仪器来看，还存在无法解决的问题，比如函数发生器不能够提供很微小的信号，再测量很微小的量实验室的仪器的精度不够高。所以导致实际的误差有点大，最后测出的结果只能作为参考。
为了解决这一问题，特借用了其他实验室的设备，测得的结果如下： 仪用放大器的放大倍数:实际的函数发生器输入信号有0.1mv，用交流毫伏表测得输入信号的有效值为0.038mv，如图9的输出波形基本无失真的情况，由交流毫伏表测得输出信号的有效值为115mv。则放大倍数为3026倍，与理论值3146有较小的偏差，基本满足要求。 输入电阻以及输出电阻的测量：采用之前的二分之一分压法，所测得的结果基本与要求一致，输入电阻远大于3000千欧，输出电阻也比300欧小得多。
2、误差分析
（1）仪器误差
在实验室的仪器年代久远，又没有很好的维护，导致有些仪器的内部产生变化，当我们在不同的时间测量同样的量时，也会有不同的变化，比如实验室里的毫伏表，示波器，函数发生器，实验箱都存在一定的误差，给我们测量带来了很大的干扰，函数发生器输出的最小信号是0.9mv，不满足微小信号的条件，还有毫伏表测量的时候数值不稳定，函数发生器内部也存在很大的内阻，此外，示波器的维护也不够，很多示波器的精确度不够高，并且没有好的参照标准。总之，仪器带给我们调试工作的挑战异常艰巨。
（2）电路误差
A、共模抑制
一个理想的仪表放大器将放大其反相和同相输入端之间的差分电压，而不受同时加在两个输入端的任何直流电压的影响。因而，出现在两
个输入端的任何直流电压将被仪表放大器所抑制。这种直流或共模成分存在于许多应用之中。事实上，消除这种共模成分正是仪表放大器在实际应用中的主要作用。
B、交流和直流共模抑制
直流共模抑制欠佳会在输出端造成直流失调。如果说这个误差还可通过校准解决，那么交流信号共模抑制不良则是个非常棘手的问题。例如，如果输入电路被交流电中50 Hz或60 Hz信号所干扰，那么会在输出端出现交流失调电压。这种电压的存在将导致系统分辨率下降。只有在最高信号频率远低于50 Hz或60 Hz的应用中，才可通过滤波解决此问题。
C、噪声
失调电压和偏置电流最终会在输出端导致失调误差，而噪声源则会降低电路的分辨率。多数放大器中都存在两种噪声源，即电压噪声和电流噪声。正如失调电压和偏置电流一样，这些噪声源对分辨率的影响程度也因应用而异。
D、增益误差
集成仪表放大器的增益误差由两部分组成，即内部增益误差以及因外部增益设置电阻的公差导致的误差。尽管使用高精度外部增益电阻可防止总增益精度下降，但将成本浪费在精度远远高于仪表放大器精度的外部电阻上并无多大意义。同时，使用标准值电阻时，一般很难精确获得所需增益。
第四章 心得体会
通过全组人的努力，我们从最初的茫然到现在的略知一二，这其
中离不开小组成员的不离不弃，仿真、采购、焊接、调试、焊接、调试……,由于一系列因素的干扰，使得我们的进程异常的缓慢，个中原因包括我们的失误、焊接的不仔细、实验室器材的老化……，最终还是在我们的坚持和老师的帮助下，我们的设计结果也只是差强人意。
在做本次的课程设计中，我们也试着总结了以下几点：(1)注意关键元器件的选取，比如对于我们的电路，要注意使运放A1，A2的特性尽可能一致；选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻，以获得尽可能低的漂移；对R3，R4，R5和R6的选择应尽可能匹配。(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信号输入端增加RC低通滤波或在运放A1，A2的反馈回路增加高频消噪电容。(3)在焊接之前，我们应该确定好整个电路板的布局以及走线，不要等焊到半途再来考虑。(4)我们应该高度注意运放的管脚问题、门限电压的大小、电解电容的正负方向的问题。
总之，本次实验的收获还是挺多的，我们学会了怎样正确的去调试电路，怎样去分析问题，怎样的去解决忽然而至的问题，我相信这将是以后我实践的一笔巨大的财富。
第五章 参考文献
1、《仪表放大器电路设计》 崔利平
2、百度百科（OP07的中文资料）
3、《电子线路设计·实验·测试（第三版）》 谢自美
4、《仪表放大器应用中的误差与误差预算分析》 Eamon Nash