用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计课设

用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计课设 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 目录 第一章 摘要………………………………………………………………………………2 第二章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计原理……………………………2 2.1 设计意义 …………………………………………………………………………2 2.2 理论分析与设计 …………………………………………………………………3 2.2.1 精密整流电路 ………………………………………………………………3 2.2.2 单位增益KRC滤波器 ……………………………………………………5 2.2.3 加偏置电压电路 ……………………………………………………………6 2.3 参数计算 …………………………………………………………………………7 第三章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路仿真 ………………………………9 3.1 multisim 仿真原理图 …………………………………………………………9 3.2 multisim 仿真结果 ……………………………………………………………10 第四章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计结论……………………………12 第五章 …………………………………………………………………………12 参考文献 …………………………………………………………………………………13 1 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 第一章 摘要 本说明书介绍了一种用于微弱交流电压信号的精密整流电路的设计与仿真过程。简要地介绍了全波整流器、四阶低通滤波器和偏置电压电路的设计意义和设计原理，设计采用从整体到部分的方法，先画出总体框图，再对每一个部分进行详细的分析与设计。然后，该说明书详细地介绍了该整流放大电路的参数计算，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该整流放大电路的工作特性，论证了该电路的可行性。 关键字:运算放大器;全波整流;低通滤波;仿真 第二章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计原理 2.1 设计意义 当代，由于各类传感器输出的信号多为微弱的电压信号，而测量仪器需要将这些微弱的电压信号经放入A/D转换器供计算机处理。因此该仪器中微弱信号放大器的精度、稳定度的高低直接关系到仪器性能的好坏。 因此有必要对微弱交流电信号进行精密整流。本文介绍的用于微弱交流电压信号的精密整流电路能对这种微弱信号进行放大、全波整流和滤波成直流信号的电路，灵敏度较高，基本满足了要求。 2.2 理论分析与设计 电路设计采用三个部分，其理论设计框图如图1.1所示: 2 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 交流信直流信 精密整流电路四阶低通滤波器加偏置电压电路号输入号输出 图1 理论设计框图 2.2.1 精密整流电路 作用:将交流信号进行整流 原理分析:运算放大器配上二极管可组成精密的非线性电路。普通非线性二级管电路受二极管正向压降、非线性伏安特性和温度的影响，误差很大。把二极管置于运算放大器的反馈回路中，就能大大削弱这种影响，提高非线性电路的精度。精密全波整流电路是基于半波整流器的工作原理设计出来的，具体工作原理如下: 1.半波整流器 V>0iD1(1) : 正的输入使导通，因此在环运算放大器产生一个负反馈。利用虚 V=-VOAD1on()vND1D2地原理可得=0。这表明将运算放大器的输出箝位在。另外，截止， V0o,R2因此没有电流流过， V<0iD2D2(2) :负的输入使运算放大器的输出为正，导通。这样得到另一条经过 V=0NR2D1和的负反馈通路，它仍能确保。显然，此时截止，因此从运算放大器流出， R2V00Vo1,,oiVV,,,1RR2流向的电流等于v1从R1处吸收的电流，或。由此可得。21RR VVVOAoD2on,，()另外， 3 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 Vo R2R1 ViD2 D1 - 图 2 半波整流器 + 可将电路的特性成: vovI =0， >0 (1) vovIvI = -(R2/R1) <0 (2) vovOAvovovOA当>v时，运算放大器输出比高了一个二极管的压降;然而，当=0时， 被箝制在-0.7V，即在线性区。因此，与饱和相关延迟的消除和输出电压摆动的降低大大 改善了动态特性。 2.全波整流器 一种产生信号绝对值的方法是将信号本身和它的反相半波整流信号以1比2的比例 OA1OA2vI组合在一起，如图1所示。这里进行反向半波整流，以1比2的比率对和HWR R5R5R3vHWvovIvHWvIvHWR4输出求和，可获得= - (/) -(/)。由于>0时，= - vIvIvHWR2R1(/)和<0时=0，所以 Ap=， >0V (3) vovIvI A= -， <0V (4) vovIvIn 式中: R5nA,RR254R (5) A,,APnRR13 4 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 R4 R3R5R2R1ViD2 D1Vo 图 3 精密全波整流器 AAApn,,V0i,V=AVoi对输入波形的两个部分以相同的增益放大。因此时，;V<0iVAVoi,,时，。 简记为: VAVo,1 (6) 2(2(2单位增益KRC滤波器 作用:对整流的交流信号进行滤波处理，滤去交流信号，通过直流信号。 原理:用傅里叶级数对全波整流后的信号波形进行分解后可得: 2444v=Ucoswtcoswtcoswtp(-2-4-6…) (7) π3π15π35π v=2U/Pπ式中恒定分量极为v的平均值，因此有。所以滤波器滤波原理就是将交流信号的交流分量滤去，得到直流信号。 5 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 nC - Vo+ RmR ViC 图 4 单位增益KRC电路 1mnHVVwOLPo,,,1/,,Q，m1mnRC， (8) 2.2.3加偏置电压电路 作用:加偏置电压，满足设计要求 原理:如下图所示，偏置电压为V，输入为Vi V R2R2 - VoR1+Vi 图 5 放大兼加偏置电压电路 6 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 易得: R2 B,，1 (9) VBVV,，oiRR//12 2.3 参数计算 设计技术参数:将幅值为10mV-100mV，频率为50Hz的交流信号放大并整流为0-2.5V 的直流信号。其中输出的0V对应交流10mV，输出2.5对应交流100mV。 (1) 精密全波整流电路的参数计算: 令R1=R2=R4=10kΩ;R3=5kΩ;R5=AR1=100kΩ。 (2) 四阶巴特沃兹低通滤波器的参数计算: 查归一化表可得: f,1,,Q,0.541011 f,1,,Q,1.306022 所以巴特沃兹滤波器参数分别是: Q1=1.306 f,1f,100,,Q,0.54101c1 Q2=0.541 f,1f,100,,02c 故采用两个单位增益的KRC低通滤波器: 故采用两个单位增益的KRC低通滤波器: 7 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2Q1.306,46.822,,2Q2对于， 取n=10， n22k=-1=2mk13.584,，,,Q2k ，， 则2 1R= 令C=1uf，，求得 R=2.658k，选取R=2.67k; mn2f C，π 2Q0.541,41.171,,1Q1对于， 取n=4， n,,22k=15.833mk111.584,，,,Qk则 ，， 12 1R, 令C=1uf，，求得 R=2.338k，选取R=2.32k。 mn2f C，π (3) 加偏置电压电路的参数计算: 10mV输入电压经全波整流并放大10倍，得到幅值为 2; ,，，,VmVmV101063.6621, 100mV输入电压经全波整流并放大10倍，得到幅值为 2; ,，，,VmVmV10010636.622, 据课题设计要求可得方程: VBV0V1，，, (10) VBV2.5V2，，, (11) 解得: 8 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 放大倍数B=4.36 偏置电压V=0.28V 又 : R2B1,，R//R12， 取 R=1k,R=2.36k12 第三章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路仿真 3.1 multisim 仿真原理图 经过第二章的分析与设计，采用multisim仿真的原理图如图6。 图6 multisim 仿真原理图 9 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 3.2 multisim 仿真结果 1.输入交流信号: 2.经全波整流后输出: 经四阶低通滤波器后输出波形:3. 10 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 4.经加偏置电压并放大后，最终输出电压Vo波形: 第四章 用于微弱交流电压信号的精密整流电路设计结论 当输入电压为10mV时，电路稳定后输出结果为330.234uV~460.453uV; 11 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 误差为微伏级别，满足设计要求; 当输入电压为100mV时，电路稳定后输出结果为2.519V~2.527V。 计算(2.519-2.5)/2.5=0.76%，(2.527-2.5)/2.5=1.08%。误差在0.76%~1.08.% 之间，满足设计要求。 第五章 心得体会 为期一周的课程设计在不知不觉中结束了，通过这一个星期的课程设计，使我熟悉了一些测控电路课程设计的基本思想和基础知识，对放大器有了进一步的了解，初步掌握了应用仿真软件multisim的使用，通过简单的电路设计，提高了我的独立思考能力，并拓展了我在课堂上学到的知识，让我真切地体会到了理论和实际是有出入的，在学习的过程中，要扎实地掌握理论知识并在实践中不断地运用和巩固知识。我通过查阅相关书籍和资料，按时准确地将系统原理弄清楚，这一过程不光增长了自己的知识，而且提高了自己学习知识、处理问题的能力。 总之，此次课程设计不光增长了我的知识，锻炼了我的动手能力，而且让我养成了查找资料、发现并解决问题的能力。 参考文献 1.刘树棠 朱茂林 荣玫 译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计. 西安交通 大学出版社，2009年 12 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2.邱关源. 电路原理. 高等教育出版社，2008年 3.康华光. 模拟电子技术. 高等教育出版社，2008年 4.阎石. 数字电子技术基础. 2009年 13