EEPW论坛

大家好，今天我们将用ADI所推出的电路仿真工具LTSPICE来搭建同相比例运放电路，并实现电路的仿真，所用的主要元器件为AD8237差分运算放大器。

1. 项目要求

要求搭建一个弱信号放大电路，所实现的功能为：使用电阻搭建惠斯通电桥，当桥臂上的可变电阻发生变化时，惠斯通电桥的输出电压差发生变化，AD8237差分运放把差分信号放大。

2. AD8237运算放大器的认识

AD8237 是ADI推出的一款高精度的差分仪表运算放大器，具有低功耗、零漂移、轨到轨输入输出等优点，在工业自动化、通信、消费电子、便携式仪表、低压信号处理、医疗电子等领域应用广泛，AD8237的基本参数如下：

l  超低功耗：静态电流典型值115μA，适用于电池供电的低功耗产品。

l  轨到轨输入和输出：能够在整个电源电压范围内提供输入和输出信号，最大限度地利用了电源电压范围，提高了信号的动态范围。

l  增益设置灵活：通过两个外置电阻即可实现1到1000之间的增益设置。

l  封装形式：采用 8 引脚 MSOP 封装，小型封装节省电路板空间，适合高密度布局的电路设计。

MSOP8封装的AD8237，其原理图符号和PCB封装如下图所示。

3.AD8237惠斯通电桥电路的搭建

惠斯通电桥是一个可以精确测量电阻变化的电路，由四个电阻组成，可搭配可变电压所实现应变、温度、压力等物理量的测量，在仪表行业有着广泛的应用。

3.1 惠斯通电桥的基本知识

惠斯通电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4 组成，这四个电阻称为电桥的四个臂。AC之间是惠斯通电桥的供电，BD之间是惠斯通电桥的信号输出，如下图所示。

当电桥处于平衡状态，此时四个臂的阻值满足关系：R1×R2 = R3× R4。用可变电阻替换其中一个电阻，如用PTC热敏电阻替换电阻R1后，当环境温度发生变化后，R1阻值发生变化，桥臂的平衡状态被打破，通过采集BD之间的电压差即可计算出可变电阻的变化，从而计算出对应的温度。

3.2 AD8237仪表运放电路

运放电路是模拟电路里最为经典的电路之一，可以实现信号的调理和放大，会用到运算放大器。AD8237被称之为仪表放大器，可以通过外置电阻来设置放大倍数，在单电源供电的情况下，通常会设置一个直流偏置电压，AD8237典型的电路如下图所示。

其中，R1和R2是用于设置增益的电阻，电阻和增益的关系如下图所示。

这里我们会用到5倍的增益，所以把R1设置为20KΩ，R2设置为80.6KΩ。

3.3 新建LTSPICE电路原理图

需要提前安装好LTSPICE电路仿真软件，双击软件图标，打开软件。接下来，需要新建一个原理图，在菜单栏→File→New Schematic，或者快捷键Ctrl+N，选择Schematic，可以建立新的原理图，如下图所示。

注意，所有用到快捷键的操作都是在英文输入法的前提下，请将输入切换到英文输入法模式。

3.4 搭建惠斯通电桥电路

       AD8237运算放大器的位置：菜单栏→Component，或者快捷键“P”，在弹出的对话框里搜索“8237”，会出现AD8237，如下图所示。

点击“Place”后，即可把运算放大器AD8237拖到原理图中，如下图所示。

3.5 放置电阻并设置电阻参数

在原理图中，按下快捷键R，可以快速放置电阻，放置惠斯通电桥电阻和增益设置，标号自动生成，惠斯通电阻分别为R1、 R2、R3、R4，增益设置电阻分别为R5和R6，R7为运放输出引脚上的电阻。在电阻未放置的情况下，按下快捷键Ctrl+R可以调节电阻的方向。在电阻R1上右键，会弹出参数设置界面，电阻的参数设置如下：

l  Resistor[Ω]：1K

l  Tolerance[%]：1

l  Power Rating[W]: 1

或者点击“Select Resistor”在弹出的电阻列表中选择1KΩ的电阻，如下图所示。

以同样的方式将电阻R2的电阻值改为1.2K，将R3和R4的阻值设置为1K，R5设置为80.6KΩ，R2设置为20KΩ，R7设置为100Ω。

3.6 添加直流电源

元器件要工作，必须要电源，在菜单栏中点击“Voltage Source”符号，或者快捷键W，则可以调出电压源，在电压源上右键，即可弹出对话框设置参数，将电压设置为2.5V给惠斯通电桥供电，如下图所示。

       这里会用到三个电流源，2.5V、3.3V和1.65V。

3.7 导线连接元器件

元器件放置好后，需要用导线将引脚实现电气连接，在英文输入法下按下快捷键W，或者在菜单栏点击“wire”符号，可以切换为画线模式， 此时鼠标会变为十字虚线，点击元器件的引脚即可画线，所画的线具有电气连接属性，最终，连接好的电路图如下图所示。

3.8 设置网络标签

       在原理图中，网络标签是带有电气连接属性的，如果两个网络标签相同，那么代表这两个网络标签所在的引脚相当于是用导线连接到一起的。下面给需要观测波形的地方设置网络标签。

       点击菜单栏的”Net”，或者英文输入法模式下按下快捷键N，即可设置网络标签，此时会弹出对话框，在对话框中输入标签名字，再点击“OK”即可把标签放置到想要设置的导线或者引脚上，如下图所示。

我们把网络标签起名为“VOUT”，并放置在AD8237的输出引脚上，设置完成的效果如下图所示。

3.9 .tran语句

下面就要开始仿真了，在仿真之前，需要设置运行时长和波形观测点，需要用到.tran语句。

.tran 语句用于配置瞬态分析（Transient Analysis），即模拟电路在随时间变化的输入信号下的动态响应。该语句控制仿真的时间范围、步长和精度，是时域分析的核心配置指令。

. tran的基本语法

. tran <stop-time> [start-time] [step- time] [UIC] [options]

· 必选参数：

o  <stop-time>：仿真的总时间，需要带单位，如s、ms、us、ns。

· 可选参数：

o  [start-time]：仿真开始记录数据的时间（默认从 0 开始）。

o  [step- time]：数据采样步长（控制仿真精度，默认自动计算）。

o  [UIC]: 全称“Use Initial Conditions”，表示使用元件初始条件，需要 提前在元件属性中设置IC参数，如电容电压、电感电流等。

o  [options]：其他选项。

.tran举例：

.tran 10m  ： 仿真 10 毫秒

.tran 10m 0 1u  ： 从0开始运行10ms，最大步长为 1us

我们将仿真时长设置为5ms，语句为：.tran 5m。点击菜单栏的.ac图标可以设置参数，如下图所示。

3.10 仿真结果

运行仿真结果的操作方法如下：

1)     点击菜单栏上绿色三角形的仿真按钮；

2)     右键→点击绿色三角形的仿真按钮；

不管哪种途径，点击绿色的按钮后就可以开始仿真了。

仿真后的结果如下图所示，可以看到左边的波形窗口是空的没有波形，如下图所示。

需要往波形窗口中添加信号，在右侧的原理图窗口中将鼠标放到所要观测的导线、引脚或者标签上，等待鼠标变成红色的笔后，点击一下，即可把信号添加到左侧的观察窗口了，AD8237的OUT引脚输出的波形如下图所示。

       绿色波形为AD8237的正相输入端，幅值为1.36V；蓝色波形为AD8237的反相输入端，幅值为1.25V；红色波形为AD8237的输出端，幅值为2.22V，如下图所示。

通过计算，仿真结果与手动计算所得到的结果一致，如下所示。

至此，通过基于AD8237所搭建的惠斯通电桥电路就完成了，通过该仿真，我们就初步掌握了LTSPICE的使用方法。