测控电子技术第三章(2)

1、作用作用: : 放大传感器输出的信号。放大传感器输出的信号。结构：多种多样结构：多种多样的。分立元件、集成的。分立元件、集成运放组合运放组合和单片和单片集成。集成。3.2 3.2 测量放大器测量放大器性能性能优越、组合灵活优越、组合灵活基本要求：基本要求： 输入阻抗输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配。应与传感器的输出阻抗相匹配。 低低输入失调电压、失调电流及它们的漂移。输入失调电压、失调电流及它们的漂移。 高共模抑制比、高高共模抑制比、高输入共模电压范围。输入共模电压范围。 低噪声低噪声。 高度高度稳定的闭环增益稳定的闭环增益( (且在一定范围内可调且在一定范围内可调).). 足够足够的带宽和

2、转换的带宽和转换速率速率 ( (对对瞬变信号进行无畸变放大瞬变信号进行无畸变放大).). 线性线性好好, ,精度高。精度高。组成及组成及设计设计思想思想： 同相并联差动同相并联差动放大器：放大器： 双端输入双端输出。双端输入双端输出。 放大差放大差模模信号；信号； 不不放大放大共模信号共模信号，1:11:1输出。输出。 基本差动放大器：基本差动放大器： 放大差模信号；放大差模信号； 抑制共模信号。抑制共模信号。图3.2.1仪用仪用放大器放大器3.2.1 仪用放大器仪用放大器1. 基本电路分析基本电路分析同相并联差动同相并联差动放大器放大器三运放差动三运放差动放大器放大器差模电流共模电流=01

3、1）闭环增益）闭环增益图3.2.1仪用仪用放大器放大器3.2.1 仪用放大器仪用放大器1. 基本电路分析基本电路分析第一级的差动增益：总闭环闭环增益第一级对外部电阻无匹配要求对外部电阻无匹配要求, ,增益增益调节简便。调节简便。3.2.1 仪用放大器仪用放大器1. 基本电路分析基本电路分析2)共模抑制比由等效由等效模型模型3.2.1 仪用放大器仪用放大器1. 基本电路分析基本电路分析2)共模抑制比前前级级的共模增益前级共模抑制比前级共模抑制比3.2.1 仪用放大器仪用放大器1. 基本电路分析基本电路分析2)共模抑制比后级电路输入A3的共模输入的共模输入产生的产生的共模输出误差共模输出误差电压：

4、电压：3.2.1 仪用放大器仪用放大器2)共模抑制比共模增益共模抑制比3)3)失调及漂移误差失调及漂移误差依据等效模型依据等效模型3)3)失调及漂移误差失调及漂移误差失调及漂移引入的输出误差：失调及漂移引入的输出误差：（4）总结）总结 可提高前可提高前级运放的级运放的共模抑制比共模抑制比 减少失调减少失调及漂移引入的输出误差及漂移引入的输出误差2. 仪用放大器共模抑制能力的进一步研究仪用放大器共模抑制能力的进一步研究屏蔽层屏蔽层接地。接地。若两输入若两输入端对地之间的端对地之间的电容电容输入电缆的等效电阻输入电缆的等效电阻输入端的对地输入电容输入端的对地输入电容即由即由不相等的屏蔽电容对共模电

5、压的分压引起不相等的屏蔽电容对共模电压的分压引起的。的。等效输入电容：等效输入电容：则由屏蔽电容引起的共模抑制比则由屏蔽电容引起的共模抑制比共模增益：共模增益：（2 2）消除屏蔽电容的影响）消除屏蔽电容的影响解决的解决的办法：使屏蔽办法：使屏蔽电容电容对共模对共模电压不分压。电压不分压。屏蔽层不接地屏蔽层不接地，屏蔽，屏蔽层对层对地电压等于共模电压地电压等于共模电压，不不被电容分压，共模电压不被电容分压，共模电压不能转化为差模电压，故抑能转化为差模电压，故抑制了共模抑制比的下降。制了共模抑制比的下降。图3.2.3共模电压驱动屏蔽层消除屏蔽电容影响平均值获取电路平均值获取电路共模电压：共模电压：

6、电压跟随电压跟随器：器：增强增强共模电压的共模电压的驱动能力驱动能力。3 3）进一步提高差动放大器的共模抑制能力）进一步提高差动放大器的共模抑制能力共模自举技术的设计思想：共模自举技术的设计思想：图图3.2.4 3.2.4 共模自举仪用放大器共模自举仪用放大器采用采用共模共模自举自举技术解决技术解决使电源中性点浮动使电源中性点浮动至共模电压至共模电压，信号，信号地为共模电压，地为共模电压，共模共模电压电压作用忽略；作用忽略；差差模信号正常放大。模信号正常放大。信号地信号地3 3）进一步提高差动放大器的共模抑制能力）进一步提高差动放大器的共模抑制能力第一级输出：第一级共模增益第一级共模抑制比3

7、3）进一步提高差动放大器的共模抑制能力）进一步提高差动放大器的共模抑制能力共模增益共模增益共模抑制比共模抑制比3 3）进一步提高差动放大器的共模抑制能力）进一步提高差动放大器的共模抑制能力 形式上与没有自举前的CMRR完全相同 第一级的共模抑制比是没有自举的共模抑制比的CMRR4倍 共模抑制比大大增加3 3）进一步提高差动放大器的共模抑制能力）进一步提高差动放大器的共模抑制能力第二级的第二级的输入共模输入共模电压：电压：共模电压较高共模电压较高(12(12伏至几百伏伏至几百伏) )时时, ,电路无法电路无法正常正常工作工作, , 采用采用高压跟随器高压跟随器。(4) (4) 第二级共模电压对增

8、益取值的影响第二级共模电压对增益取值的影响3. 单片集成仪用放大器单片集成仪用放大器常用：常用：Analog DeviceAnalog Device公司：公司： AD521AD521、AD524AD524、AD620AD620、AD624AD624 BURR-BROWN BURR-BROWN公司：公司： INA110INA110、INA115INA115等。等。AD620AD620：低成本、低功耗测量：低成本、低功耗测量放大器放大器3. 单片集成仪用放大器单片集成仪用放大器（1 1）基本连接基本）基本连接基本 输出：输出：图3.2.5 AD620的基本连接AD620AD620：（2 2）精密）

9、精密V/IV/I转换转换图3.2.24 精密V/I转换器将两个电压之差转换成对应的电流将两个电压之差转换成对应的电流电压跟随电压跟随基准基准电路的输出负载电流电路的输出负载电流负载电流仅与输入差分电压及取样电阻有关，与负载无关，为恒流输出。（3 3）交流共模抑制）交流共模抑制图3.2.25 输入电缆屏蔽层共模驱动输入电缆分布电容的影响输入电缆分布电容的影响交流共模输入信号会被转换成差动交流共模输入信号会被转换成差动干扰信干扰信号号电荷放大器：输出电压正比于输入电荷放大器。电荷放大器：输出电压正比于输入电荷放大器。特特 点：点：1. 1. 电荷放大器的基本原理电荷放大器的基本原理3.2.23.2

10、.2电荷放大器电荷放大器图3.2.14 压电传感器等效电路V V：电容上的电压：电容上的电压Q Q：电荷量：电荷量CqCq电容电容压电传感器：将被测量转换成电荷输出的传感器。测量力、加速度、振动、冲击等物理量。 与压电晶体传感器连接后不影响所产生的电荷量；与压电晶体传感器连接后不影响所产生的电荷量； 测量测量灵敏度与电缆的长度无关。灵敏度与电缆的长度无关。压电传感器压电传感器等效电路：直流等效电路：直流电源电源和阻和阻容容网络。网络。电荷放大器和压电传感器的连接原理图电荷放大器和压电传感器的连接原理图密勒等效后的电路：密勒等效后的电路：图3.2.16 电荷放大器的密勒等效图3.2.15 电荷放

11、大器的原理图密勒效应密勒效应(Miller Effect)(Miller Effect)（密勒密勒定理）定理）Zin= Zf Zin= Zf * * 1/(1- A) 1/(1- A)Zout=Zf Zout=Zf * * 1/(1- 1/A) 1/(1- 1/A)等效等效桥接阻抗桥接阻抗二端口网络二端口网络增益增益输入阻抗无穷大输入阻抗无穷大输出阻抗输出阻抗为为零零由图得由图得调节调节CFCF可改变可改变VoVo的大小。的大小。CFCF采用高质量电容采用高质量电容, , 积积分电容的要求一致。分电容的要求一致。近似得近似得2. 2. 电荷放大器的特性分析电荷放大器的特性分析电荷放大器的输出电

12、荷放大器的输出: :电荷量电荷量反馈网络参数反馈网络参数 有关。有关。信号频率信号频率当当 时时下限频率下限频率: :电荷放大器的频率特性由运放决定。电荷放大器的频率特性由运放决定。Vo与频率无关与频率无关上限频率上限频率: :利用电荷放大器的原理，测定上千伏直流高压。利用电荷放大器的原理，测定上千伏直流高压。设计思路：用电荷转移电路，对高压进行精确的分压。把高压设计思路：用电荷转移电路，对高压进行精确的分压。把高压小电容器小电容器上的电荷转移上的电荷转移 到低电压到低电压大电容器大电容器上，大电容接在运算放大器的反馈回路中。上，大电容接在运算放大器的反馈回路中。输出电压为输出电压为3.3.高

13、压测量高压测量图3.2.11 10kV高压测量电路原理图测量准确度要求测量准确度要求C1C1和和C2C2的比值稳定，的比值稳定，不要求不要求是是高精度电容。高精度电容。使C2C2放电,进行新的测量减慢电荷转移过程用于用于电桥形式传感器，电桥形式传感器，测量电桥失衡性。测量电桥失衡性。1.1.倒相输入电桥放大器倒相输入电桥放大器3.2.3 3.2.3 电桥放大器电桥放大器图3.2.12 倒相输入电桥放大器由电桥不平衡引起的电桥输出电压由电桥不平衡引起的电桥输出电压当当1R , R , 1时时列方程组列方程组解得解得缺点：缺点：(1)(1)灵敏度和电桥电阻有关。灵敏度和电桥电阻有关。 (2) (2

14、)运放承受共模电压运放承受共模电压, ,对运放的对运放的VicmVicm和和CMRRCMRR要求高。要求高。 共模电压等于共模电压等于V+V+，由于参考电压引起的。，由于参考电压引起的。 (3) (3)失调及漂移会引起误差。失调及漂移会引起误差。3. 3. 差动输入电桥放大器差动输入电桥放大器减少共模电压引入误差的方法：减少共模电压引入误差的方法： 电桥电桥的供电的供电改为平衡供电改为平衡供电 。 正原因：正原因：正正负负电源电源都在同相输入端产生电位都在同相输入端产生电位, ,大小近似大小近似相等，极性相等，极性相反相反, , 因因 而减小了共模而减小了共模输入电压。输入电压。3.2.4 3

15、.2.4 隔离放大器隔离放大器 输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共地。输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共地。电磁电磁( (变压器变压器) )隔离隔离光隔离光隔离电容隔离电容隔离隔离方式隔离方式应用：应用： 便携式便携式测量仪器测量仪器和某些和某些测控测控系统系统 ： 在在噪声环境下以高阻抗、高共模噪声环境下以高阻抗、高共模抑抑 制能力制能力传送传送信号；信号； 生物医学测量：确保人体生物医学测量：确保人体不受超过不受超过10uA10uA以上漏电流和高电压以上漏电流和高电压( (几百伏至数几百伏至数 千伏千伏) )的的危害；

16、危害； 工业：防止工业：防止因故障而使电网电压对低压信号电路因故障而使电网电压对低压信号电路( (如如电子计算机电子计算机) )造成造成损坏；损坏； 电站电站和核电站、自动化试验设备、工业过程控制系统等和核电站、自动化试验设备、工业过程控制系统等。3.2.4 3.2.4 隔离放大器隔离放大器 1. 1. 基本原理基本原理输入输入放大器放大器输出放大器输出放大器隔离器隔离器隔离隔离电源电源组成：组成：特点： 泄漏小，电源浮置无共模电压，有极高的共模抑制能力； 对信号进行安全放大。公共端图图3.2.29 3.2.29 隔离放大器的基本组成及符号隔离放大器的基本组成及符号输出输出电压电压：未未考虑输

17、出级的增益考虑输出级的增益 将输入信号将输入信号放大放大( (或或载波载波调制调制) )，由光电耦合器变换，由光电耦合器变换成电压或电流成电压或电流信号，再由信号，再由输出放输出放大器大器放大输出。放大输出。2. 光隔离放大器光隔离放大器1 1）介绍）介绍 激光激光修正技术保证匹配修正技术保证匹配, ,提提 高高传输精度传输精度, , 采用采用负反馈改善线性。负反馈改善线性。内部结构框图：内部结构框图：2. 光隔离放大器光隔离放大器图3.2.30 ISO100内部结构图工作原理：工作原理：隔离器隔离器一个一个发光二极管发光二极管一对一对光敏二极管光敏二极管 信号传输功能取决于光信号传输功能取决

18、于光匹配。匹配。 两个参考电流源是为实现两个参考电流源是为实现双极性运算设置双极性运算设置的；的； 隔离放大器隔离放大器是同相放大器是同相放大器。相同光强相同光强2 2）单极性工作）单极性工作图3.2.31 ISO100的单极性连接电路2 2）单极性工作）单极性工作图3.2.31 ISO100的单极性连接电路输出电压为输出电压为单极性工作受到一些限制，单极性工作受到一些限制，其输人电流必须为负，才能其输人电流必须为负，才能使使A1A1的输出驱动的输出驱动LEDLED，这时，这时输入电流必须比输入电流必须比-20A-20A更负，更负，否则否则LEDLED不能继续导通，不能继续导通，环路也会不稳定。环路也会不稳定。3）双极性工作图3.2.32 ISO100的双极性连接电路4 4）例：）例：隔离型隔离型420mA420mA变送器变送器输出电流与输入输出电流与输入电压之间的关系电压之间的关系为为图3.2.34 隔离型420mA变送器输出输出满度电流（满度电流（20mA20mA）：）： 调节电位器调节电位器R2 R2 。零点电流（零点电流（4mA4mA）：）： 调节调节