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基于OP07的程控放大器的设计

Hello 大家好,这里是飞哥有话聊的第③篇原创文章,这篇文章的篇幅稍长一些哦。更多精彩文章以后会持续更新,也欢迎大家如果有什么有趣的文章来投稿哦!文体等等什么的都不限,当然,稿费是没有的

好了,闲话不多说,今天是2019年的第一天,先祝大家在新的一年里心想事成,万事如意,学业进步,财运亨通,春风得意,猪年大吉。那啥勿相忘

言归正传,今天给大家介绍的是一款基于OP07芯片的程控放大器。听起来很高大上,但是它的原理并不是很复杂,开关输入不同的控制信号,利用CD4051芯片选通不同的电阻接入到运放当中,从而实现对放大倍数的调节。

一、概述

本文介绍了一种可数字程序控制增益的放大器。该电路由两片OP07CP芯片组成两级反相放大器,采用CD4051芯片作为增益切换开关,通过控制开关改变反馈电阻来达到改变电路的增益的目的,可适应大范围变化的模拟信号电平。文章首先对两种系统方案进行详细介绍与优劣对比, 接着概述了电路的设计过程及思路,然后又介绍了系统的调试过程与过程中遇到的问题的解决。该系统可以很好的完成目标要求,即增益范围为10DB—60DB,在40dB处有40KHZ的带宽。

二、指标要求

设计和实现一程控放大器,增益在10~60dB之间,以10dB步进可调;当增益为40dB时,-3dB带宽≥40kHz.电压增益误差≤10%,最大输出电压≤10V。

三、总体方案设计

方案一:

图3.1

图3.2

该方案是通过将信号输入由三运放构成的仪表放大器(如图3.2)中,该电路的增益公式为

第一级为由两对称同相放大器构成的差分放大器,通过调整两运放间公用的反馈网络电阻Rg的大小,从而达到改变第一级的增益,而第二级用的是一个减法电路。对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位,从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG(也就无电流流过R1和R2),因此对于公模信号来说放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此,共模信号将以单位增益通过输入缓冲器,而差分电压将按〔1+(2 RF/RG)〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的第一级共模抑制比是〔1+(2 RF/RG)〕。第二级普通减法电路,如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入极高的CMRR.但是由于电阻阻值存在误差,而这一电路要求电阻对R4 /R6和R3 /R5的比值匹配得非常精密,否则,每个输入端的增益会有差异,直接影响共模抑制。

方案二

图3.3 两级反相放大器框图

图3.4

方案选择

方案1具有如下优缺点:

优点:具有极高的共模抑制比,这样可以很好的消除环境噪声,得到更加稳定的波形。通过调节RG也足以完成10DB---60DB的增益范围。电路图也比较清晰整齐。

缺点:在放大倍数很大的时候,带宽可能会达不到要求。

方案2具有如下优缺点:

优点:电路结构较为简单,两个输入端电压相等并等于零,故没有共模输入信号,从而对运放的共模抑制没有要求;且该形式的电路增益调节十分方便,增益可以在0以下,这是同相放大做不到的。而该系统可以完成所有指标要求,甚至超过。

缺点:深度负反馈条件下,输入电阻为R1,输入电阻不能达到理想情况。该电路在调试时容易产生很大的噪声,影响观察实验结果,所以必须加上电路来消除噪声,从而导致电路结构变得更加复杂。

在本文中,将会选择电路结构更加简单,噪声更小的方案一。

单元模块设计

总体电路图

电路使用了三片OP07芯片构成两级放大,前一级为差分放大器,可以有很高的共模抑制比,能够有效的抑制噪声,后面一级为普通减法电路,对第一级放大后的信号进行第二次放大。该电路第一级为同相放大器,放大倍数必须是1以上,而课程设计的放大倍数必须是3.1到1000倍,因此第二级放大倍数不可能超过3.1,实验中第二级放大倍数选择为2倍。通过调节电阻值的大小,就可以调节放大倍数,电路结构比较简单。

程控部分

图4.1.1 程控部分

通过控制拨码开关输入三位的二进制代码,可以使模拟开关选择不同的档位,来选择不同的电阻连接到电路中

运放部分

图4.1.2 运放部分

4.2电路参数计算

4.2.1放大参数计算

放大倍数计算表达式:,选定R7=R10=150,R9/R8=R12/R11=20/10=2;第二级放大2倍,则根据计算式可得如下表格:

Au

3.162

10

31.62

100

316.2

1000

10dB

20dB

30dB

40dB

50dB

60dB

Rg

516.35K

75K

20.26K

6.12K

1.91K

0.601K

4.2.2元器件的选择

运放

OP07CP

3个

模拟开关

CD4051BE

1个

拨码开关

六脚

1个

电位器(Rg)

504

1个

503

1个

501

1个

104

1个

103

1个

202

1个

电阻

20K

2个

10K

4个

100K

3个

4.3各单元模块连接

图4.3 单元模块连接

第一级放大与程控部分相结合,便为可控增益的差分放大器,其放大倍数可通过程控电阻选择电路,第二级放大倍数定为2倍左右。

4.4电路实物图

5.1硬件调试

5.1.1 调试内容

(1)调节第二级放大倍数为2倍;

(2)调第一级各个档次放大倍数使总的放大倍数达到预期目标。

5.2.2 调试方法

(1)首先对运放部分进行调试,确定运放部分能够正常工作。方法为:将程控部分断开,并且用一个4K(或者其他阻值也行)电阻代替,从差分放大器的两个输入端输入10KHZ,100mv交流小信号,从输出端观察波形,是否能达到预期倍数,如果可以,则继续往下实验,如果不行,说明运放部分电路有问题,需要仔细检查,找出问题。

当运放没有问题后,去掉刚刚调试的电阻,连上原来的程控部分。

(1)将拨码开关拨到2档(=001),输入10KHZ 400mv正弦信号调整选通电阻大小,使得输出VPP为4000mv;//10倍

(2)将拨码开关拨到3档(=010),输入10KHZ 400mv正弦信号调整选通电阻,使得使得输出VPP为12.64v;//31.6倍

(3)将拨码开关拨到4档(=011),输入10KHZ 50mv正弦信号调整第一级选通电阻使得输出VPP为5v;//100倍

(4)将拨码开关拨到5档(=100),输入10KHZ 10mv正弦信号调整选通电阻,使得使得输出VPP为3.16v且不失真;//316倍

(5)拨码关拨到第6档(=110),输入10KHZ 2mv正弦信号调整第一级放大选通电阻,输出应为VPP=2v;//1000倍

调试完毕。

备注:第一档(000)放大3倍的时候由于接入电阻值不够,导致调不出来。第六档为110,因为接电位器时为了减少跳线所以跳了一档。

每次的输入信号有所不同,因为当放大倍数过大时容易导致失真,不得不将输入信号减小一些。

6.系统功能和指标参数

6.1 功能

系统可通过数字信号输入控制放大器的增益大小,实现从20dB到60dB的增益,以10dB步进可调,总共五档切换(预期目标为六档),且在40DB的增益处有40KHZ以上的带宽。

6.2 指标参数测试

6.2.1测试方法

将交流小信号输入到放大器第一级的两个输入端,然后将输出接到示波器,拨动微动开关调到对应档位(1~5档,即=000~101),观察示波器的波形峰峰值。

6.3波形记录

6.4调试中的问题及解决办法

①电路跳线过多,导致接触不良。

解决办法:优化电路结构,将同一种电位的连接在一起。

②在草稿纸上画电路图时没有注意芯片管脚,导致外围电路与芯片管脚没办法对应。

解决办法:修正错误,重新画电路图,重新焊电路板。

③用万用表检测发现电路有短路的地方

解决办法:用电烙铁将短路的地方断开。

④不小心将4051芯片的15脚当作了16脚。

解决办法:15脚与16脚断开。

⑤波形不太稳定,有噪声

解决办法:VEE应该要接负电压,并且尽量使用电压稳定的电源。电路板下面不要与金属接触,最好用一张纸垫起来。

7.设计总结和心得体会

通过本次模电课程设计,也让我有了很多的收获。

第一,是我查找文献资料寻找设计思路,包括芯片的使用手册,功能表等有了很大的提高。最开始的时候对程控放大器是丝毫没有概念的,虽然老师讲过一个大概的思路,但是在脑海中的概念依然很模糊,不知道从哪里下手。于是我先从老师发给我们的元件入手。我上网仔细查找了每一个元件的作用,重点是查找CD4051和OP07这两块芯片的使用手册。看完手册后,我对设计思路已经有了一个大概的把握。

第二,就是我的排查问题的能力有了一个巨大的提升。在整个实验过程中,我一共焊了4块板子。每次都是因为一些细节等问题导致调试不出来,然后在不好对原电路修改的时候就不得不重新焊一块电路。在调试过程中一定要一部分一部分调试,找出问题究竟是出在了哪里。比如在本实验中,程控部分和运放部分就一定要分开来调试,否则如果出不来波形你将不知道问题是出在哪一部分。在排查完运放确实没有问题之后,就可以不用去管他了。如果有问题,需要仔细去检查以下几个方面:电路原理是否有误,是否严格按照画的的电路图来连线,焊接时有没有虚焊或者短路(重点用万用表去检查),每一个元件包括电阻阻值、电位器阻值、开关等是否有误,最后还可以对芯片进行检查,比如OP07芯片可以做一个电压跟随器来检查是否烧掉。每一处都仔细排查没问题之后就可以调出理想波形了。

第三,是学会了对电路设计的优化。同样的电路原理,通过电路优化可以减少跳线,因为调线越多,越容易导致接触不良。所以,在设计时应尽量将所有VCC放在一起,所有GND放在一起,所有VEE放在一起,这样可以减少排针使用。

第四,是整个调试过程要有耐心,也要多与同学交流,吸取他人的经验教训。

附一: 0P07芯片介绍功能概述:

Op07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。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方面。

特点:

超低偏移: 150μ V最大。低输入偏置 电流: 1. 8nA。低失调电压漂移: 0.5μ V/C。超稳定,时间: 2μ V/month最大高电源电压范围:±3V至±22V。

附二: CC4051 芯片介绍功能概述

CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如,若VDD=+5V, VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。当INH 输入端=“1”;时,所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道,可连接该输入端至输出。

CD4051管脚图

好了,本期的分享就到这里了,文章内容有点长,需要一点点耐心哦!

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本文分享自微信公众号 - 电子技术研习社(zjf18770701843),作者:小飞

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原始发表时间:2019-01-02

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