基于運(yùn)放的傳感器信號采集電路設(shè)計

基于集成運(yùn)放設(shè)計一傳感器信號采集電路。傳感器輸出信號為交流形式，峰峰值在100mV以內(nèi)，頻率為1000Hz以內(nèi)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓在0 ~ 3V，要求設(shè)計傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的信號采集電路，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號與ADC范圍的匹配（峰峰值在100mV與0~3V的線性映射）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電阻為1K，可使用1K電阻作為信號采集電路負(fù)載。

實(shí)驗(yàn)具體要求如下：

（1）確定電路形式，說明電路輸入輸出的關(guān)系式。

（2）確定電路中運(yùn)放的型號，說明能夠滿足電路帶寬要求的依據(jù)。

（3）利用Altium Designer或Multisim繪制原理圖，并進(jìn)行仿真。

（4）選做：進(jìn)行實(shí)際電路制作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）在下方列出所設(shè)計電路的原理圖

圖1 所設(shè)計電路的原理圖

結(jié)合所設(shè)計的電路圖說明該電路的工作原理。

工作原理：該電路由電壓抬升電路和同相比例放大電路兩部分構(gòu)成。

輸入信號v2 -50 ~ 50mv經(jīng)過電壓電路抬升后Ui為0~100mv

Ui進(jìn)入同相比例放大電路放大Uo=(1+R6/R5) Ui=30Ui

因?yàn)閁i為0 ~ 100mv放大30倍后為0~3v輸入adc芯片。

（3）說明集成運(yùn)放的選型依據(jù)，參考集成運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊，給出相關(guān)指標(biāo)，說明能夠滿足帶寬要求的依據(jù)。

功放選擇：AD827

參數(shù)及優(yōu)點(diǎn)：

高速

單位增益穩(wěn)定工作帶寬：50 MHz

壓擺率：300 V/μs

建立時間：120 ns

驅(qū)動無限大容性負(fù)載

出色的視頻性能

差分增益誤差：0.04% (4.4 MHz)

差分相位誤差：0.19° (4.4 MHz)

良好的直流性能

輸入失調(diào)電壓：最大2 mV

輸入失調(diào)電壓漂移：15 mV/°C

依據(jù)EIA-481A標(biāo)準(zhǔn)提供卷帶和卷盤形式

低功耗

內(nèi)部兩個放大器的總電源電流僅10 mA(±5 V至±15 V電源)

單位增益帶寬為50mhz，滿足帶寬要求。

（4）對電路輸入輸出關(guān)系進(jìn)行仿真，給出與理論表達(dá)式的對比結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)果分析。

理論計算：輸入vpp100mv，峰值vpk=50mv有效值vrms=vpk/√2=35.36mv

即Ui=35.36mv，同相比例放大Uo=(1+R6/R5) Ui=30Ui后Uo=70.72*15=1.06v。

仿真結(jié)果

Ui=0.035v,Uo=1.052與理論值基本一致。

Ui經(jīng)抬升后峰峰值為0 ~ 100mv，經(jīng)同相比例放大30倍后峰峰值為0 ~ 3v，符合題目所給模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許輸入電壓在0~3V的要求。

（5）給出當(dāng)輸入信號幅度為50mV，頻率為1000Hz時的輸出波形，并在圖中標(biāo)注輸出波形的峰峰值、最大值和最小值，與輸入波形進(jìn)行對比，進(jìn)行結(jié)果分析。

（抬升電路波形）

圖2 輸出信號波形圖（放大電路）

實(shí)驗(yàn)思考題

1、電壓放大電路的帶寬主要取決于集成運(yùn)放的哪個參數(shù)？

答：主要取決于集成運(yùn)放的帶寬增益。

2、是否存在開環(huán)增益不受信號頻率影響的集成運(yùn)放？如果存在請說明該運(yùn)放的類型。

答：不存在開環(huán)增益不受信號頻率影響的集成運(yùn)放。