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斩波放大器毕业设计论文

摘要

在电子电路设计中，经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。

普通的集成运算放大器在放大信号的同时由于受温度变化、电源电压不稳等因素的影响，将出现电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象，即零点漂移，该现象随放大器的放大倍数的增大会更加明显。

因此，提高放大倍数、降低零点漂移是工程实践中需要解决的主要矛盾。

而运用斩波稳零放大电路即能很好的解决以上问题。

文章将重点研究如何使用“斩波稳零技术”设计一基本斩波放大器，来解决抑制温漂和放大微弱信号的问题。

并且，文章还将运用单片机、数电知识实现多路放大信数的任意选择的功能以及放大倍数的显示功能。

该设计主要由两大部分组成，第一部分为斩波放大电路，由多谐振荡器、电子开关、主放大器、有源滤波器构成:

第二部分由单片机系统、按键电路、液晶显示电路实现对放大倍数的选择和显示。

关键字:

零点漂移，斩波稳零技术，斩波放大器，单片机

ABSTRACT

Inelectroniccircuitdesigning，weoftenneedtoenlargetheweakDCsignalsorSlowlychangingsignals.WhenComrnanIntegratedOperationalAmplifierAmplifiessignals,Duetotemperaturechanges,powersupplyvoltageinstabilityandotherfactors,wi11appearthephenomenonflfthecircuitoutputvoltagedeviatingfromtheoriginalfixedvalucitandMovingupanddown,thatis,zerodrift，thephenomenonwillbemoreobviouswithincreasingmagnificationoftheamplifier.Therefore,improvingthemagnificationandreduceofthezerodriftistheprintchopper-stabilizedamplifieriscontradictioninEngineeringpractice.problemswell.Theusetosolvetheabove

Inresponsetotheseproblems,Thisarticlewillfocusonhowtousethe"chopper-stabilizedtechnology"todesignabasicchopperamplifier，acingittosalveproblemsininhibitingtheDriftphenomenonandamplifmgweaksignals.Also,thisstudywilluseSCMandseveralelectricalknowledgetochooseanyMagnificationandDisplaymagnification.Thedesignmainlyconsistsoftwoparts,Thefirstpartischopperamplifier,whichconsistsofmufti-harmonicoscillator,electronicswitch,mainamplifierandactivefilter;thesecondpartconsistsofSCMsystem,keycircuitsandliquidcrystaldisplaycircuit,whichcanselectanddisplayMagnification.

Keywords:

aerodrift,chopper-stabilisedamplifier，chopperamplifier,MCU

第一章绪论

1.1斩波放大器的发展史和现状

早在1954年，美国专利“稳定直流放大器”就已经拥有了斩波放大器的雏形，但当时很多产品还只是分立器件。

所谓“斩波”来源于英文chopper，是“断跻”的意思，其本质就是开关。

斩波放大器的发明主要是用来满足对超低偏置和低漂移运算放大器的需求，在那时，斩波放大器的性能比双极型运放优越。

传统斩波放大器的输入和输出由开关控制（或斩波），对输入信号实行调制，校正失调误差，然后在输出时解调。

该技能可确保失调电压和漂移很低，但也有其局限。

由于要对放大器的输入实行采样，因此输入信号的频率必须低于斩波频率的一半，以防止混叠。

除了带宽限定外，斩波操作还会导致出现显著毛刺，须要在输出端实行滤波，以滤除所造成的纹波。

诚然，该传统斩波运算放大器提高了性能和温漂稳定性，但在频率上会产生奇次谐波的干扰。

继而发展的斩波运算放大器脱离了传统放大器结构，将放大器数目增加到了4个，同时在其内部有一个模拟开关，是两相时钟，在放大器输入端针对不同时钟进行切换，这样就消除了正端和负端的不匹配性，可以降低温漂。

从整个输入端和输出端来看，整体性能得到很大提高。

后来，对斩波放大器进行改进，透过自校准形成了一种稳定斩波的运算放大器。

作为下一代自校正放大器代表的斩波稳态运放使斩波放大器的性能取得了极大改良。

该架构运用了两个放大器:

“主”放大器和“调零”放大器。

调零放大器议决将输入端短路并对其自身的调零引脚施加校正信号来校正其自身的失调误差，随后监视并校正主放大器的失调。

因为主放大器始终连接到IC的输入和输出，因此输入信号的带宽由主放大器的带宽决定，而不再取决于斩波频率。

这一特征使该架构相对一J几早期的斩波放大器有很大的优势。

开关操作造成的电荷注入仍是个问题，这可能导致信号瞬变，并且注入的电荷会与输入信号藕合，造成互调失真。

如今随着生产要求的逐渐苛刻，市而上出现了各类斩波稳零式高精度放大器。

具有偷入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定等众多优点。

1.2斩波放大器的理论和现实意义

在直接祸合放大电路中，当输入信号为零时，受温度变化、电源电压不稳等因素的影响，静态工作点发生了变化，并被逐级放大并传输，一导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动，即零点漂移或温漂，该现象随放大器的放大倍数的增大会更加明显。

因此，提高放大倍数、降低零点漂移是工程实践中需要解决的主要矛盾。

而运用斩波稳零放大电路，即将直流信号（或缓慢变化的信号）转换成交流信号（,..的幅值与直流信号的幅值成正比），然后用交流放大电路放大，再把它复原为直流信号，便可以较好地解决抑制温漂和放大倍数之间的矛盾，很好的放大微弱直流信号或微弱信缓慢变化的信号

在电子电路设计中，经常需要放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。

而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接祸合或者阻容祸合放大器，它们的初始失调参数并不等于零，而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。

因此使得直接藕合放大器在放大信号的同时也放大了温漂，而阻容祸合放大器虽然能够抑制温漂，但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号，它会把这种信号作为温漂给抑制掉。

使用斩波稳零技术就能很好解决抑制温漂和放大微弱直流信号这个问题。

即如果要求极低的失调电压和漂移特性，那么斩波稳零型运放可能是唯一的选择

目前市场上已经广泛运用斩波稳零技术开发了一系列芯片，以此解决在实际生产中出现的零点漂移问题，斩波技术越来越其有广泛的商业价值。

如:

ICL7650，利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚。

TLC2652和TLC2E52A型斩波稳零式高精度放大器能放大微伏级的电信号。

TC9XX系列是第二代斩波自动稳零运算放大器，其高增益、低失调等优越性能尤其适用一]’’电子测量系统。

ZF241型斩波稳零运算放大器，其极高的增益（14dB），极低的失调和漂移特性决定了它在低电平直流或缓变信号的处理方而有着广泛的用途,如低漂移前置放大器，精密积分器，精密基准电压源等。

1.3文章研究内容、完成工作及章节安排

1.3.1文章研究内容

文章通过设计一典型的斩波放大器实现其信号的理想放大，及验证加入斩波技术的放大器较之普通的运算放大器，在稳定零点漂移上的突出优势;以及利用单片机、数电相关电路实现对放大电路放大倍数的任意选择及显示。

1.3.2主要工作

文章主要完成内容:

①基本斩波放大器原理图、放大倍数的选择原理图及显示原理图的设计;

②对单片机控制系统的程序编写;

③原理图从局部到整体的仿真及调试:

④电跻的焊接与调试;

⑤斩波放大器放大倍数的测试;

⑥验证并一记录斩波放大器抑制零点漂移的特性;

⑦实现对斩波放大器任意放大倍数的选择与显示功能;

⑧电路的分析与改进。

1.3.3章节安排

第一章介绍斩波技术的相关概念、斩波放大器的发展、现状、理论和现实意义以及文章的研究内容

第二章介绍实现斩波放大电路中相关的理论基础知识

第三章介绍斩波放大器硬件系统设计方案

第四章介绍其软件设计方案

第五章对文章内容进行概括总结，对斩波放大器技术提出改进意见，并对其今后发展进行展望

文章主要完成工作:

原理图设计，程序的编写，原理图仿真与调试，元器件的采购，电路的焊接与调试，电路的分析与改进。

第二章基础知识介绍

2.1集成运算放大器概述

按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类:

1、通用型运算放大器;2、高阻型运算放大器;3、低温漂型运算放大器;4.高速型运算放大器;5、低功耗型运算放大器;6、高压大功率型运算放大器。

下面简要介绍通用型、高阻型运算放大器。

（1）通用型运算放大器简介

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。

这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大而广，其性能指标能适合f一般性使用。

例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。

它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

（2）高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，。

实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。

用FFT作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。

常见的集成器件有LF356,LF355,LF347（四运放）及更高输入阻抗的}A3130,CA3140等。

2.1.1集成运放的电源供给方式

集成运放有两个电源接线端+VCC和一VEE，但有不同的电源供给方式。

对一于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。

（1）对称双电源供电方式

运算放大器多采用这种方式供电。

相对于公共端（地）的正电源（+}）与负电源分别接一于运放的++VCC和一VEE管脚上。

在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。

（2）单电源供电方式

单电源供电是将运放的一VEE管脚连接到地上。

此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位。

此时运放的偷出是在某一直流电位基础上随输入信号变化.交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为VCC/2，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。

2.1.2集成运放的调零问题

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等一于零。

为了提高电跻的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。

常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。

调零:

为提高运算精度，在运算前，应首先对输出直流电位进行调零，即保证输

入为零时，输出也为零。

当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，细心调节RW，用直流电压表测量输出电压Uo，使Uo为零。

如运放没有调零端子，若要调零，一个运放如不能调零，大致有如下原因:

①组件正常，接线有错误。

②组件正常，但负反馈不够强。

③组件正常，但由一于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。

为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。

④织件正常，调零电位器有问题。

⑤组件内部损坏，应更换好的集成块。

2.1.3自激与消振

一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。

在实验中，可用示波器监视输出波形。

为消除运放的自激，常采用如下措施进行消振:

①若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。

②电路布线、元、器件布局应尽量减少分布电容。

③在正、负电源进线与地之间接上几十网的电解电容和0.01~0.1uF的陶瓷电容相并联，以减小电源引线的影响。

2.1.4集成运放的自激震荡问题

运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件卜，很容易产生自激振荡。

为使放大器能稳定的土作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。

另外，防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容（10uF）和一高频滤波电容

2.2斩波放大器概述

斩波放大器是由2.1.1介绍的通用型运算放大器作为其主放大器和有源滤波器。

2.2.1斩波技术基本原理

如果将直流信号（或缓慢变化的信号）转换成交流信号（它的幅值与直流信号的幅值成正比），然后用交流放大电跻放大，再把它复原成直流信号，便可以较好地解决抑制温漂和放大直流信号（或微弱信号）的矛盾。

输入的直流信号经过调制电路（或斩波电跻）、放大电路、解调电路后，又恢复为直流输出。

当然，这种电路由一于调制型放大器的输入频带很窄，并且模拟开关换向还产生调制信号噪声。

所以这种电路不适用放大频率较高的输入信号。

2.2.2斩波（稳零）放大器基本原理

如果能把运放两个输入端短路时或加共模输入信号时的输出电压（误差电压）先用电容器寄存起来（将此过程简称为采样），再与运放正常工作时的输出电压相减（将此过程简称为校零），则可有效地减小失调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移，也可有效地抑制共模信号。

2.2.3斩波放大器工作原理

如图2.1中的SW1和SW2按照斩波输入信号同时反复通断。

现设SW1和SW2为接通状态，因同相输入端接地，同相与反相输入端间漂移电压E0f从A点输出放大AV倍。

这时B点也是接地，因此，电容C1以Eof*Av电压进行充电，接着SW1,SW2断开，A点输出电压为Av倍输入电压Ei和漂移电压Cof的代数和，而B点与地分开，因此，B点电压是C1两端与A点电压相串联的电压。

这时,A点与地之间输出电压（Ei+Eof）*Av中的电压Eof的分量与C1充电电压Eof*Av相互抵消的方向相串联。

因此，B点电压为Ei*Av。

则B点电压是与斩波波形同步，振幅为Ei*Av的连续方波。

如果此电压经C2与R2构成的有源低通滤波器，可得到与方波占空比成比例的平均电压（即直流电压）。

若设方波占空比为50%，则图2.1中直流输出电压Eo=Ei*Av/2.斩波放大电路能自动地对输入漂移电压进行补偿，但输出电压中混有斩波频率的噪声电压，因此，S/N（信噪比）变低，如果用低通滤波器消除噪声电压，则使用频带变窄，为几赫兹以上。

2.3多谐振荡器

2.3.1多谐振荡器简介

多谐振荡器，又叫矩形振荡器，是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。

“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。

在工作时，电跻的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电跻中的时钟信号。

多谐振荡器分为对称式、分对称式、环形等振荡器，我们可以用施密特触发器或石英晶体体或555系列构成多谐振荡器。

2.3.2NE555多谐振荡器

NE555简介:

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同;而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。

NE555的特点:

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广,可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL,CMDS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格使六。

5.静态电流最大值VCC=5V,RL=6mAVCC=15V,RL=15mA

参数功能特性:

·供应电压4.5-18V

·供应电流3-6mA

·输出电流225mA（max）

。

上升/一卜降时间1oons

封装形式、内部结构:

NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。

输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1,复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。

输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS，它们控制的优先权是R,T,TH。

NF555引脚图功能配置介绍:

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（触发点）这个脚位是触发!

0555使其启动‘白的时间周期。

触发信号上缘电压须大2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

Pin3（输出）----当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到0伏左右的低电位。

一于高电位时的最大输出电流大约200mA。

Pin4（重置）------一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

‘己通常被接到正电源或忽略不用。

Pin5（控制）------一这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin6（重置锁定）——Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3vcc电压以下移至2/3vcc以上时启动这个动作。

Pin7（放电）——这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin8（V+）——这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+6伏特（最大值）。

NE555的典型电路:

其工作原理是:

当电跻刚接通电源时，由于C来不及充电，555电路的2脚处于零电平，导致其输出3脚为高电平。

当电源通过RA,RB向C充电到Vc>=Vcc时，输出端2脚由高电路平变为低电平，电容C经RB和内部电路的放电开关管放电。

当放电到Vc=

此时电容再次充电，这种过程可周而复始地进行卜去，形成自激振荡。

图2.4（b）中，U0为输出的方波，Vc为图（a）中2脚的输出波形。

由图2.4（b）中Vc的波形可求得电容C的充电时间爱你T1和放电时间T2各为

T1=（R1+R2）Cin（VCC-V-t）=（R1+R2）*C*In2

T2=R2*C*In（0-Vt+）/（0-Vt-）=R2*C*In2

故电路的震荡周期为

T=T1+T2=（R1+R2）*C*In2

震荡频率为

f=1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）

通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。

由式（2.4）和式（Z.fi）求出输出脉冲的占空比为

q=T1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）

2.4低通滤波器基础知识

低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

对一于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。

当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。

低通滤波器在信号处理中的作用等同一J几其它领域如金融领域中移动平均数所起的作用;低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

低通滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。

无源滤波器为RC调谐式滤波器，仅由电阻、电容等无源元件构成，占有很多的缺点。

其中的电感L本身具有电阻与电容，使得输出结果会偏离理想值，而且会消耗电能。

若只利用R,C再附加放大器则形成

有源滤波器，有很多的优点，例如:

不使用电感使得输出值趋近理想值;在带通范围能提高增益，减少损失;用放大器隔离输出、入端，使之可以使用多级串联。

2.4.1有源低通滤波器的主要技术指标

（1）通带增益Avp

通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。

性能良好的滤波器通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。

（2）通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同。

通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。

2.4.2反相输入一阶低通滤波器

反相输入一阶低通滤波器〔司，令信号频率为零，可得出通带放大倍数Aup=-R2lR1

电路的传递函数Au（s）=（R2/（1/sC））/R1=-R2/R1/（1+sR2C）

用jw取代s，令.f0=11（2rrR2G}，得出电压放大倍数

Au=Aup/（1+j/f/f0）

通带截止频率f0=fP

2.5单片机结构及原理

2.5.1单片机基础

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPLr），随机存取数据存储器sRAM）,只读程序存储器（RCM）,输入输出电路（I/O），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电（LCD或LRD驱动电路），脉宽调制电（PWM）,模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小但是完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

单片机主要应用于测控领域，用于实现各种测试和控制功能。

为了强调其控制属性，在国际上，多把单片机称为微控制器MCUo

单片机与通用微机相比较，在结构、指令设置上均有其独特之处，其特点如下:

1，单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。

ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。

RAM为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。

2，采用而向控制的指令系统。

为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

3，单片机的I/O引脚通常是多功能的。

由一于单片机上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。

引脚处一于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

4.单片机的外部扩展能力强。

在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM,RAM，I/O接口、定