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Multisim仿真-仪表放大器仿真电路

时间：2024-05-01 06:14:34

一、仪表放大器的实现原理

仪表放大器在电路图中是一个运算放大器，但实际上由三个运算放大器组成，根据功能分为两部分。第一部分是右方的运算放大器以及R2R_{2}R2和R3R_{3}R3是作为输出级的差动放大器，其增益是R3/R2R_{3} / R_{2}R3/R2，这部分的输入电阻是2∗R22 * R_{2}2∗R2；第二部分是左方的上下两个运算放大器以及R1R_{1}R1则是输入级的电压跟随器，用来提升仪表放大器的输入阻抗；RgR_{g}Rg则是决定仪表放大器的增益电阻，整个电路的增益为VoutV2−V1=(1+2R1Rgain)R3R2\frac{V_{\text {out }}}{V_{2}-V_{1}}=\left(1+\frac{2 R_{1}}{R_{\text {gain }}}\right) \frac{R_{3}}{R_{2}}V2−V1Vout=(1+Rgain2R1)R2R3。当RgR_{g}Rg移除时（断路），就是单位增益的跟随器，此时整个电路的增益是R3/R2R_{3} / R_{2}R3/R2。

二、Multisim实现仪表放大器

2.1、运放的选择

运放选择双电源运放（电源正接VCC，电源负接-VCC）。如果选择单电源运放（电源正接VCC，电源负接地），则必须在Ref（图中的GND处）提供一个参考电压（通常是12∗VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}21∗VCC），当做是输出电压的中间值。比如运放供电是+5V和0V，则Ref应该接一个2.5V的参考电压，这样可以保证输出电压最大化可以在0V~5V之间。

2.2、双电源仿真

双电源仿真时，运放的供电采用±5V供电，Ref处接地即可。此处设置的仿真是R1=RGainR_{1}=R_{\text {Gain}}R1=RGain，R2=R3R_{2}=R_{3}R2=R3，此时仪表放大器的增益为3，因为输入的Vrms=0.3VV_{r m s}=0.3 \mathrm{V}Vrms=0.3V，所以输出的Vrms=0.9VV_{r m s}=0.9 \mathrm{V}Vrms=0.9V，Vp−p=22Vrms=2.5452V\mathrm{V}_{p-p}=2 \sqrt{2} \mathrm{V}_{r m s}=2.5452 \mathrm{V}Vp−p=22Vrms=2.5452V。使用探针测量的输出结果如图，有效值为3倍，频率依旧是3KHz。

对于双电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（GND-0V），也是0V，因为运放本身存在输入失调电压等原因，输出是-400uV，接近于0V。

2.3、单电源仿真

单电源仿真时，运放的供电采用5V和GND供电，Ref处接12∗VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}21∗VCC。增益和双电源电路一样都是3倍，只不过输出的信号是以Ref为基准的，所以以GND为基准时，整个信号是有2.5V的DC偏置，所以可以看到VDC=2.5VV_{DC}=2.5VVDC=2.5V，Vp−p=2.5452V\mathrm{V}_{p-p}=2.5452 \mathrm{V}Vp−p=2.5452V是不会变化的，因为DC偏置不会改变峰峰值，但是有效值不再是3倍的关系。所以Vrms≠0.9VV_{\text {rms}} \neq 0.9VVrms=0.9V。

对于单电源供电时，当输入为0V时，输出为Ref处的电压（VDD-2.5V），是12∗VCC\frac{1}{2} * V_{\mathrm{CC}}21∗VCC即直流，这是与双电源供电不同的地方，所以单电源电路的增益公式变为Vout−VRefV2−V1=(1+2R1RGain)R3R2\frac{V_{\text {out }}-V_{R e f}}{V_{2}-V_{1}}=\left(1+\frac{2 R_{1}}{R_{\text {Gain }}}\right) \frac{R_{3}}{R_{2}}V2−V1Vout−VRef=(1+RGain2R1)R2R3，因为双电源的VRef=0VV_{Ref}=0VVRef=0V，所以这个公式也适用于双电源。