三运放仪表放大器
摘要
本系统采用三个OP07双电源单集成运放芯片构成仪表放大器，此放大器能调节将输入差模信号放大100至200倍，同时具有高输入电阻和高共模抑制比，对不同幅值信号具有稳定的放大倍数；电源部分由变压器、整流桥、7812、7912、7805等线性电源芯片组成，可输出+5V、+12V、-12V三路电压。

一、方案论证与比较
1.放大器电源的制作方法
方案一：本三运放仪表放大器系统采用集成运放OP07，由于OP07是双电源放大器，典型电源电压为，可方便采用市售开关电源或者开关电源芯片制作电源作为OP07的电源
输入，开关电源具有的效率高，体积小，散热小，可靠性高等特点，但是因为其内部构造特性，使输出电压带有一定的噪声干扰，不能输出纯净稳定的电压。

方案二：采用线性电源稳压芯片78系列和79系列制作线性电源，使用多输出抽头变压器接入整流桥再接入稳压芯片，输出纯净的线性电源。

2.电源方案论证
本系统是一个测量放大系统，其信号要求纯净无噪声干扰，在系统中加入滤波器消除干扰的同时，我们应该考虑系统本身的干扰源并尽量降低干扰。

考虑到开关电源的输出电压不是十分纯净的，带有许多噪声干扰，而线性电源可以稳定输出电压值，虽然线性电源体积较大，效率较低，但是作为测量系统中，我们采用方案二来提高测量的精准度。

3.放大器制作方法
方案一：题目要求使输入信号放大100至200倍，可使用单运放构成比例运算放大电路，按负反馈电阻比例运算进行放大，输出电压，此放大电路可以达到预定的放大
倍数，但是其对共模信号抑制较差，容易出现波形失真等问题。

方案二：采用三运放构成仪表放大器，这是一种对弱信号放大的一种常用放大器，输出电压。

4.放大器方案论证
在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大，因此，传感器的输出是放大器的信号源。

然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，他们随所测物理量的变化而变。

这样，对于放大器而言信号源内阻是变量，放大器的放大能力将随信号的大小而变。

为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器输入电阻加大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。

此外，传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模部分，期数值有时远大于差模信号。

因此，要求放大器具有较强的共模信号抑制能力。

综上所述，采用方案二仪表放大器方案，仪表放大器除了具有足够的放大倍数外，还具有高输入电阻和高共模抑制比。

二、系统设计
1.总体设计
(1)系统框图 如图 1-1-1所示。

图1-1-1
(2)模块说明
◆ 电源模块：由7812、7912、7805三个线性电源稳压芯片组成的三路输出直流电源，其中+12V 和-12V 为双电源集成运放
OP07供电。

+5V 可为单片机、
A/D 芯片或其他外部设备供电。

◆ 放大器模块：由三个OP07构成的三运放仪表放大器，其特点是具有较强的抑制共模信号的能力，并且能够调节放大输入信号至100到200倍。

2.各模块设计及参数运算
(1)由于电源需要向放大器提供
电压，并且为放大器供电的电源需低噪声干扰，放
大器对输入电压的纯净度要求严格。

所以综合考虑取：
电源滤波电路如图1-1-2所示
(2) 三运放构成仪表放大器的主要原理如图1-1-3所示，第一级电路由U1和U2组成，第二级运放由U3构成，其放大倍数为1。

根据运算电路的基本算法分析：
即
所输出的电压：
设
-,则
当时，由于=，中的电流为零，，输出
电压。

可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。

差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高。

当输入信号中含有共模噪声，也讲被抑制。

图1-1-3
3.系统设计图（如图1-1-4所示）
T1
T2
T3 TRANS
图1-1-4
三、调试
根据方案设计的要求，调试过程共分三大部分：电源调试、放大器调试、电源和放大器联调。

各模块分别调试，将电源和放大器分别调试正常工作后再进行联调。

1.电源调试
(1)接通电源间隔3—4秒后断电，然后检查7805、7812、7912及个电熔是否有过热的(实践证明若7805、7812或7812连接有错误将在短时间内发热)，如没有明显过热现象说明电路连接正常。

(2)测得电路无连接从错误后，接通电源，用万用表分别测量三路输出端得电压是否为+12V、-12V、+5V。

2.放大器调试
(1)用标准稳定的直流电源给放大器供电，稳定的电源能减小电源对放大电路的影响，信号发生器输出频率设置成100，幅值为15mV的正弦波。

观察示波器的波形，计算放大倍数。

(2)改变信号发生器的输出频率（）观察示波器的波形计算出放大倍数。

3.电源放大器联调
(1)将电源模块的输出与放大器相连，测试过程与放大器调试过程相同，首先信号发生器输出频率设置成100，幅值为15mV的正弦波。

然后改变信号发生器的输出频率，观察波形，计算放大倍数。

四、指标测试
(1)测试仪表示波器信号发生器
(2)指标测试
电路电压放大倍数公式
上限频率：将①式中的用低频电压放大倍数的表达式带入并去摸，得出多级放大电路低频段的电压放大倍数为
根据的定义，当时
即
等式两边取平方，得
展开上式，得
由于小于1，，可将高次项忽略，得出
如加上修正系数，则
下限频率：将①式中的用高频电压放大倍数的表达式带入并去摸，得出多级放大电路低频段的电压放大倍数为
根据的定义，当时
即
等式两边取平方，得
展开上式，得
由于小于1，，可将高次项忽略，得出
如加上修正系数，则
根据以上分析可知，若两级放大电路是由具有两个相同频率的单管放大电路组成，则其上、下限频率分别为
对各级具有相同频率特性的三级放大电路，其上、下限频率分别为
五、结论
本系统完成了题目的基本功能、基本指标。

现将题目要求指标及系统实际性能列表如下：。