【摘 要】基于以运算放大器（OP07、OP37）为主要芯片，设计并制作一个低频放大器。通过三级耦合放大，基本达到2000倍的增益。电路利用仪用放大电路作为输入级抑制噪声，增大输入电阻。在二级电路利用四阶有源带通滤波器实现了3KHz到5KHz的通频带，抑制干扰信号。由各单个元器件的漂移特性，巧妙采用放大级正向、反向输入端，有效的抑制了零漂。另外以电压跟随器作为末级输出，减小了输出电阻。各级间以阻容耦合的方式，有效地抑制了直流信号。
【关键词】低频放大器；滤波器；零点漂移；增益步进
0.引言
在很多电子线路中，对于一个非常微弱的低频电压信号，需要放到很大的倍数来使用和使其他的仪器识别、测量。本次设计一个低频放大器来实现对低频信号的放大。本次设计的低频放大器要满足以下基本要求：(1).电压放大倍数200－2000倍，最大不失真输出幅度不小于10V。放大倍数可预置（步进≯200倍）；(2)．通频带3kHz－5kHz；(3)．放大倍数为2000倍时，测得输出噪声电压峰—峰值等效到输入端小于1mV；(4)．输入电阻不小于100kΩ，输出电阻不大于50Ω。
系统的设计框图如图1所示。
图1 系统框图
1.方案设计
1.1设计思路
为了达到设计的要求，放大器必须采用多级耦合的连接方式进行逐级放大。至于通频带，我们选择了八阶有源带通滤波器。因此本设计的关键在对于通频带的控制和抑制级间自激振荡。
1.2方案比较与选择
通过以上分析我们拟定如下方案。
方案一：输入级由差分放大电路组成，滤波电路由四阶高通滤波器和四阶低通滤波器直接耦合构成带通滤波器，其中低通滤波电路的截止频率为5KHz，高通滤波电路的截止频率为3KHz。通过测试其频率特性曲线如附录1所示。在中间级放大采用采用同向比例放大电路，末级放大电路采用反向比例放大电路。电路模块框图如图2所示。
图2
方案二：在输入级采用仪用放大带电路，滤波电路采用八阶有源带通滤波电路，其上限截止频率为5KHz，下限截止频率为3KHz。经过测试其频率特性曲线如附录2所示。中间级放大电路采用同向放大电路和方向放大电路耦合组成，末级电路由射级跟随器组成。电路模块框图如图3所示。
图3
由于放大电路要求输入电阻高、输出电阻低、带负载能力强、抗干扰能力强、输出噪声小。因此对电路的输出级和滤波模块要求高。而仪用放大器的输入电阻高，抗干扰能力强，共模抑制比高。放大电路采用同向比例放大电路与反向比例放大电路耦合能够很好的抑制零点漂移。滤波电路对电路抑制噪声干扰的能力有至关重要的作用。低通滤波高通滤波电路耦合构成的带通滤波器滤波效果不是很明显，相比较带通滤波电路对通带频率以外的频率的抑制效果明显。电压跟随器能有效的隔离负载和前级电路，能提高电路的带负载能力，且输出电阻小。通过比较我们选用方案二。
1.3硬件模块设计
1.3.1前置放大电路
前置放大电路对提高整个电路的输入电阻，抗干扰能力很重要。而仪用放大电路的前级采用同向放大电路，后级采用差分放大电路。因此其输入电阻大，抗干扰能力强，而且还具有很高的共模抑制比。因此前置放大电路选用由三个运算放大器够成的仪用放大电路。原理图如图4所示。
图4
1.3.2通频带选择网络
应题目要求，放大器的放大频率范围为3KHz到5KHz。所以通频带的选择网络由带通滤波电路构成，原理图如图5所示。
图5
1.3.3中间级放大模块
在本级设计中我们采用输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，最终可达到抑制漂移的目的。在增益调节电阻中我们选用拨位开关来选择不同阻值的电阻用于实现200倍的步进。原理图如图6所示:
图6
1.3.4输出级模块
本模块由运放射极电压跟随器组成，跟随器起到了隔离负载的作用增加了电路的带负载能力。并且可以减小输出电阻。如图7所示：
图7
1.3.5信号源模块
本模块是以专用信号发生芯片ICL8038为核心的信号发生器，可提供正弦波、方波、三角波等，来对低频放大器进行测试。其原理图附录三所示。
1.3.6电源模块
设计的电源需提供单片机、显示器、前置放大器、中间级放大器和末级放大器所需的不同电压。设计的电源原理图如附录四所示，三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用，4700uf电解电容、100uf和0.33uf瓷片电容起滤除纹波作用，输出分别为±５Ｖ、±１５Ｖ给各单元电路供电。
1.4软件模块设计
1.4.1基于STC89C52RC单片机的频率显示模块
本模块是以51单片机和LCD1602液晶显示屏构成的等精度的频率计。在使用放大期间的时候可以通过频率计观察通带频率范围内信号原理图以及protues仿真如图8所示：
图8
软件流程图：
2.设计实现
2.1抑制直流零点漂移
实际放大电路设计时候，解决零点漂移问题是只要至关重要的事情。在设计电路时我们抑制漂移的方法是，输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，最终可达到抑制漂移的目的。
2.2步进的实现
为了达到200倍步进的要求。我们以中间级放大电路配合前置放大电路实现电压放大200倍，再在中间放大电路用拨码开关选择是个档位的不同的增益调节电阻，来实现200倍的步进。
3.系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统的关键部分进行了实际测试。
3.1测试条件和测试仪器设备
由于本系统是围绕低频信号逐次放大的，很容易受到外界的干扰。测试过程尽量的避免干扰。另外该系统对供电电源的稳定性要求也很高。
测试过程中使用到设备如表1
表1 测试使用的仪器设备
3.2各类指标的测试
3.2.1放大倍数的测试
放大倍数测量：使用信号发生器接入输入端，将示波器的两个探头分别接输入和输出端。测试数据如表2。
表2 放大倍数的测定
4.结论
经过四天三夜的奋斗，我们成功的完成了低频放大器的制作。从方案的论证、选择，到原理电路的设计，再到电板元器件的焊接，电路的调试，我们循序渐进，各个击破。
在这过程中我们快乐过，也郁闷过。郁闷的是，感到自己掌握的知识太少，作品中的发挥部分不能完全做出来。快乐的是，虽然有些知识我们还没学到，但通过现炒现卖，我们还是成功地应用到了作品中去。
四天三夜，我们并不是单单只做出了一个低频放大器，重要的是在这比赛的日子里，锻炼了自学能力、动手实践能力，还有队员之间的相互沟通合作的能力。
5.附录：
附录一：低通、高通滤波器频率曲线
低通滤波器
高通滤波器
附录二：带通滤波器频率曲线
附录三：信号源原理图
附录四：电源模块原理图
附录五：低频放大器总体电路图
附录六：频率显示模块程序代码：
主程序代码：
#include
#include "lcd.h"
unsigned long Tsum;
long double Psum,Fresult,Fage;
unsigned char testcnt,i;
double temp[3];
testinit()
{
TMOD=0X15;
EX1=1;
IT1=1;
ET1=1;
TR0=0;
TR1=0;
EA=1;
}
void int1() interrupt 2
{
if(testcnt)
{
TR0=0;
TR1=0;
Tsum=(TH1<<8)|TH0; //过了一个循环后余下的时间
Tsum=Tsum+65536*testcnt; //时间总长
Psum=(double)(TH0<<8)+(double)TL0; //脉冲数的总和
Fresult=Psum/Tsum*1000000.00; //频率计算结果
temp[i++]=Fresult; //把结果放进数组里
Fresult=0;
if(i>2) //有3个采样数值就进行取平均值计算
{
for(i=0;i<3;i++)
{Fresult=Fresult+temp[i];}
Fage=Fresult/3.0;
i=0;
}
}
testcnt=0;
TH1=0;
TL1=0;
TH0=0;
TL0=0;
TR1=1;
TR0=1;
EX1=0;
}
void t1() interrupt 3 //定时中断1 每65536个机器周期相应一次
{
testcnt++;
EX1=1;
}
main()
{
LCD_Initial();
GotoXY(0,0);
Print("The frequecy is");
GotoXY(0,1);
Print("000000.00HZ");
testinit();
while(1)
{
GotoXY(0,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage/100000+0x30);
GotoXY(1,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage/10000%10+0x30);
GotoXY(2,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage/1000%10+0x30);
GotoXY(3,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage/100%1’’kkkk’"0+0x30);
GotoXY(4,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage/10%10+0x30);
GotoXY(5,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)Fage%10+0x30);
GotoXY(7,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)(Fage*10)%10+0x30);
GotoXY(8,1);
LCD_Write(LCD_DATA,(long)(Fage*100)%10+0x30);
}
}
【参考文献】
［１］康华光．电子技术基础模拟部分.武汉:高等教育出版社,2005.
［２］周亦武．运算放大器电路实践.福建:福建科学技术出版社,1998.
［３］王昊．集成运放应用电路设计360例.北京:电子工业出版社,2007．