数据采集与处理技术-4课件

1教学内容第4章测量放大器1教学内容第4章测量放大器

23.1概述3.2工作原理及主要技术指标3.3多路开关集成芯片3.4多路开关的电路特性3.5多路开关的配置第3单元模拟多路开关上一单元主要内容23.1概述3.2工作原理及主要技术

3

数据采集系统的结构形式

图1-1微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关传感器传感器传感器3数据采集系统的结构形式图1-1

44.1概述4.2测量放大器的电路原理4.3测量放大器的主要技术指标4.4测量放大器集成芯片第4章测量放大器本章教学内容44.1概述4.2测量放大器的电路原

5第4章测量放大器4.1

概述5第4章测量放大器4.1概述

64.1概述

了解放大器的类型

了解在数据采集中使用测量放大器的原因

本节教学目标64.1概述了解放大器的类型

74.1概述两种误解：1.凡是测量仪器中使用的放大器，就是测量放大器；2.测量放大器只应用在测量仪器中。测量放大器（InstrumentationAmplifiers）又称仪用放大器、仪表放大器，简称IA74.1概述两种误解：1.凡是测

84.1概述测量放大器的应用非常广泛。除了数据采集和测量仪器领域外，在通信，生物医学工程，电子对抗、电子侦察，电子安防，自动控制，视听设备等多个方面都发挥着重要的作用。84.1概述测量放大器的应用非常

94.1概述问题：在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号（热电偶的输出信号），需要用放大器加以放大。放大器类型通用运算放大器测量放大器94.1概述问题：在数据采集中,

104.1概述那么，选择何种放大器来放大微弱信号？104.1概述那么，选择何种放大

114.1概述通用运算放大器

具有mV级失调电压、数μV/℃的温飘，不能用于放大微弱信号。特点目前市场上的放大器有以下特点。测量放大器114.1概述通用运算放大器

124.1概述

♦

测量放大器的输入阻抗都在109欧姆以上，输出阻抗通常只有几个毫欧。这是普通运放难以达到的。测量放大器的输出可以近似看作理想的单端信号源。♦通过两个对称，并且平衡的差分输入，使其对共模信号的抑制能力远高于通用运放。♦具有低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在微弱信号检测系统中被广泛用于前置放大器。124.1概述♦测量放大器的

13第4章测量放大器4.2

测量放大器的电路原理

13第4章测量放大器4.2测量放大

144.2

测量放大器的电路原理

了解测量放大器的电路原理

了解测量放大器使用中的两个指标

本节教学目标144.2测量放大器的电路原理了解

154.2

测量放大器的电路原理

有两级运放第一级：两个同相放大器A1、A2

输入阻抗高。第二级：普通差分放大器A3Ui1Ui2+-A1-+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6图4-1测量放大器原理电路IG154.2测量放大器的电路原理有两级

16使用测量放大器的两个指标：测量放大器的增益

由上式可知，调节外接电阻的大小，可以改变测量放大器的增益。4.2

测量放大器的电路原理

16使用测量放大器的两个指标：测量放大器

174.2

测量放大器的电路原理

抗共模干扰能力⑴对直流共模信号，其抑制比为无穷大。⑵对交流共模信号。如图4.2所示。174.2测量放大器的电路原理抗共模

184.2

测量放大器的电路原理

输入信号的共模分量传给屏蔽体输入保护电路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′图4-2交流共模干扰影响及抑制方法A4+-A2-+C1C2A1+-

由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、C2。Ri1C1

、Ri2

C2分别对地构成回路。

当Ri1

C1

≠

Ri2

C2时，交流共模信号在两运放输入端产生分压、，，所以

，对输入信号产生干扰。

抑制干扰措施：在其输入端接一个输入保护电路。

当R1′=R2′时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的，故C1

、

C2

的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。184.2测量放大器的电路原理输入信

19第4章测量放大器4.3

测量放大器的主要技术指标

19第4章测量放大器4.3测量放

204.3

测量放大器的主要技术指标

了解测量放大器的主要技术指标

了解技术指标对使用的影响

本节教学目标204.3测量放大器的主要技术指标

214.3

测量放大器的主要技术指标

1.

非线性度

非线性度

—放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。什么是〞非线性度〞

？214.3测量放大器的主要技术指标

22●非线性度通常用满量程的百分比表示，

精密测量放大器的非线性度典型值为0.01%，特殊放大器的非线性度可达0.0001%。4.3

测量放大器的主要技术指标

●非线性度是由芯片内部缺陷造成

的，无法通过外部补偿措施予以消除。

22●非线性度通常用满

23

非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。4.3

测量放大器的主要技术指标

12位A／D

转换器

增益为1，非线性偏差为±0.025%增益为500，非线性偏差为±

0.1%结果：相当于把12位A/D转换器变成10位以下的转换器。结论：一定要选择非线性度偏差小于0.024%的放大器。23非线性度与增益有关，

244.3

测量放大器的主要技术指标

2.

温漂什么是〞温漂〞

？温漂

—测量放大器输出电压随温度变化的程度。244.3测量放大器的主要技术指标

254.3

测量放大器的主要技术指标

例如：一个温漂2V/℃的测量放大器，当增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mV的变化。这个数字相当于12位A／D转换器在满量程为10V的8个LSB值。应尽量选择温漂小的测量放大器。254.3测量放大器的主要技术指标

264.3

测量放大器的主要技术指标

3.

建立时间建立时间

—指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。什么是〞建立时间〞

？264.3测量放大器的主要技术指标

27放大器输出电压tUtU驱动信号建立时间上偏差下偏差

当增益>200时，为达到误差范围±0.01%，往往要求建立时间为50s～100s。4.3

测量放大器的主要技术指标

27放大器输出电压tUtU驱动信号建立时

284.3

测量放大器的主要技术指标

4.

恢复时间什么是〞恢复时间〞

？恢复时间

—指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。284.3测量放大器的主要技术指标

294.3

测量放大器的主要技术指标

5.

失调电压什么是〞失调电压〞

？失调电压

—对于理想放大器，输入为零时，输出也为零。但在实际的放大器中，输入为零时，输出不为零。为使放大器输出为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压。通常在几十微伏。294.3测量放大器的主要技术指标

304.3

测量放大器的主要技术指标

6.

电源引起的失调什么是〞电源引起的失调〞

？电源引起的失调

—电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。304.3测量放大器的主要技术指标

314.3

测量放大器的主要技术指标

7.

共模抑制比(CMRR)

如果测量系统两个差分输入端同时输入一个共模信号Vci，在输出端得到一个输出Vco.因为输入的Vci只有转换成差模信号后，才会有输出信号。假设Vci中有一部分转换成了差模输入Vdi，此时第一种CMRR定义为：共模信号只有转换成差模信号后，才能对测量结果造成影响。关于CMRR有多种不同的定义方式：314.3测量放大器的主要技术指标

324.3

测量放大器的主要技术指标

定义：VCO是Vdi在测量系统产生的输出，若测量系统的差模增益为Gd,则CMRR1：评价系统输入端抑制“共模信号转换成差模信号的能力”324.3测量放大器的主要技术指标

334.3

测量放大器的主要技术指标

定义：Gc=VCO/Vci,为系统的共模增益，则有即共模抑制比是放大器的差模增益与共模增益的比值。334.3测量放大器的主要技术指标

344.3

测量放大器的主要技术指标

CMRR第二种定义:如果测量系统的两个差分输入端同时输入一个共模信号Vci,在输出端得到一个输出Vco,可以得出:344.3测量放大器的主要技术指标

354.3

测量放大器的主要技术指标

共模抑制比用对数表示时：354.3测量放大器的主要技术指标

36第4章测量放大器

4.4

测量放大器集成芯片

36第4章测量放大器4.4测量

37

4.4

测量放大器集成芯片

了解测量放大器集成芯片的外形构造

了解测量放大器集成芯片的使用调整本节教学目标374.4测量放大器集成芯片了

38

4.4

测量放大器集成芯片

1.AD521AD521是集成测量放大器，采用14脚双列直插式封装。图4-3AD521引脚功能384.4测量放大器集成芯片1.

39

4.4

测量放大器集成芯片

引脚4，6用于调整放大器零点，将4，6端接到10KΩ电位器的两个固定端;123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+图4-4AD521基本连接方法

电位器滑动端接负电源U-（脚5）。

引脚10，13用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。

当RS=100kΩ±15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。394.4测量放大器集成芯片

40

4.4

测量放大器集成芯片

测量放大器的放大倍数按如下公式计算：其放大倍数可在1～1000的范围内调整。AD521的技术指标见表4.1。404.4测量放大器集成芯片测量

41

4.4

测量放大器集成芯片

2.AD620AD620是集成测量放大器，采用8脚双列直插式封装。图4-3AD620引脚功能414.4测量放大器集成芯片2.

42

4.4

测量放大器集成芯片

图4-5AD620的压力检测电路AD620的放大倍数按如下公式计算：424.4测量放大器集成芯片图4

43作业:2.

第4章测量放大器43作业:2.第4章测量放大器

44教学内容第4章测量放大器1教学内容第4章测量放大器

453.1概述3.2工作原理及主要技术指标3.3多路开关集成芯片3.4多路开关的电路特性3.5多路开关的配置第3单元模拟多路开关上一单元主要内容23.1概述3.2工作原理及主要技术

46

数据采集系统的结构形式

图1-1微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关传感器传感器传感器3数据采集系统的结构形式图1-1

474.1概述4.2测量放大器的电路原理4.3测量放大器的主要技术指标4.4测量放大器集成芯片第4章测量放大器本章教学内容44.1概述4.2测量放大器的电路原

48第4章测量放大器4.1

概述5第4章测量放大器4.1概述

494.1概述

了解放大器的类型

了解在数据采集中使用测量放大器的原因

本节教学目标64.1概述了解放大器的类型

504.1概述两种误解：1.凡是测量仪器中使用的放大器，就是测量放大器；2.测量放大器只应用在测量仪器中。测量放大器（InstrumentationAmplifiers）又称仪用放大器、仪表放大器，简称IA74.1概述两种误解：1.凡是测

514.1概述测量放大器的应用非常广泛。除了数据采集和测量仪器领域外，在通信，生物医学工程，电子对抗、电子侦察，电子安防，自动控制，视听设备等多个方面都发挥着重要的作用。84.1概述测量放大器的应用非常

524.1概述问题：在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号（热电偶的输出信号），需要用放大器加以放大。放大器类型通用运算放大器测量放大器94.1概述问题：在数据采集中,

534.1概述那么，选择何种放大器来放大微弱信号？104.1概述那么，选择何种放大

544.1概述通用运算放大器

具有mV级失调电压、数μV/℃的温飘，不能用于放大微弱信号。特点目前市场上的放大器有以下特点。测量放大器114.1概述通用运算放大器

554.1概述

♦

测量放大器的输入阻抗都在109欧姆以上，输出阻抗通常只有几个毫欧。这是普通运放难以达到的。测量放大器的输出可以近似看作理想的单端信号源。♦通过两个对称，并且平衡的差分输入，使其对共模信号的抑制能力远高于通用运放。♦具有低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在微弱信号检测系统中被广泛用于前置放大器。124.1概述♦测量放大器的

56第4章测量放大器4.2

测量放大器的电路原理

13第4章测量放大器4.2测量放大

574.2

测量放大器的电路原理

了解测量放大器的电路原理

了解测量放大器使用中的两个指标

本节教学目标144.2测量放大器的电路原理了解

584.2

测量放大器的电路原理

有两级运放第一级：两个同相放大器A1、A2

输入阻抗高。第二级：普通差分放大器A3Ui1Ui2+-A1-+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6图4-1测量放大器原理电路IG154.2测量放大器的电路原理有两级

59使用测量放大器的两个指标：测量放大器的增益

由上式可知，调节外接电阻的大小，可以改变测量放大器的增益。4.2

测量放大器的电路原理

16使用测量放大器的两个指标：测量放大器

604.2

测量放大器的电路原理

抗共模干扰能力⑴对直流共模信号，其抑制比为无穷大。⑵对交流共模信号。如图4.2所示。174.2测量放大器的电路原理抗共模

614.2

测量放大器的电路原理

输入信号的共模分量传给屏蔽体输入保护电路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′图4-2交流共模干扰影响及抑制方法A4+-A2-+C1C2A1+-

由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、C2。Ri1C1

、Ri2

C2分别对地构成回路。

当Ri1

C1

≠

Ri2

C2时，交流共模信号在两运放输入端产生分压、，，所以

，对输入信号产生干扰。

抑制干扰措施：在其输入端接一个输入保护电路。

当R1′=R2′时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的，故C1

、

C2

的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。184.2测量放大器的电路原理输入信

62第4章测量放大器4.3

测量放大器的主要技术指标

19第4章测量放大器4.3测量放

634.3

测量放大器的主要技术指标

了解测量放大器的主要技术指标

了解技术指标对使用的影响

本节教学目标204.3测量放大器的主要技术指标

644.3

测量放大器的主要技术指标

1.

非线性度

非线性度

—放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。什么是〞非线性度〞

？214.3测量放大器的主要技术指标

65●非线性度通常用满量程的百分比表示，

精密测量放大器的非线性度典型值为0.01%，特殊放大器的非线性度可达0.0001%。4.3

测量放大器的主要技术指标

●非线性度是由芯片内部缺陷造成

的，无法通过外部补偿措施予以消除。

22●非线性度通常用满

66

非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。4.3

测量放大器的主要技术指标

12位A／D

转换器

增益为1，非线性偏差为±0.025%增益为500，非线性偏差为±

0.1%结果：相当于把12位A/D转换器变成10位以下的转换器。结论：一定要选择非线性度偏差小于0.024%的放大器。23非线性度与增益有关，

674.3

测量放大器的主要技术指标

2.

温漂什么是〞温漂〞

？温漂

—测量放大器输出电压随温度变化的程度。244.3测量放大器的主要技术指标

684.3

测量放大器的主要技术指标

例如：一个温漂2V/℃的测量放大器，当增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mV的变化。这个数字相当于12位A／D转换器在满量程为10V的8个LSB值。应尽量选择温漂小的测量放大器。254.3测量放大器的主要技术指标

694.3

测量放大器的主要技术指标

3.

建立时间建立时间

—指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。什么是〞建立时间〞

？264.3测量放大器的主要技术指标

70放大器输出电压tUtU驱动信号建立时间上偏差下偏差

当增益>200时，为达到误差范围±0.01%，往往要求建立时间为50s～100s。4.3

测量放大器的主要技术指标

27放大器输出电压tUtU驱动信号建立时

714.3

测量放大器的主要技术指标

4.

恢复时间什么是〞恢复时间〞

？恢复时间

—指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。284.3测量放大器的主要技术指标

724.3

测量放大器的主要技术指标

5.

失调电压什么是〞失调电压〞

？失调电压

—对于理想放大器，输入为零时，输出也为零。但在实际的放大器中，输入为零时，输出不为零。为使放大器输出为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压。通常在几十微伏。294.3测量放大器的主要技术指标

734.3

测量放大器的主要技术指标

6.

电源引起的失调什么是〞电源引起的失调〞

？电源引起的失调

—电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。304.3测量放大器的主要技术指标

744.3

测量放大器的主要技术指标

7.

共模抑制比(CMRR)

如果测量系统两个差分输入端同时输入一个共模信号Vci，在输出端得到一个输出Vco.因为输入的Vci只有转换成差模信号后，才会有输出信号。假设Vci中有一部分转换成了差模输入Vdi，此时第一种CMRR定义为：共模信号只有转换成差模信号后，才能对测量结果造成影响。关于CMRR有多种不同的定义方式：314.3测量放大器的主要技术指标

754.3

测量放大器的主要技术指标

定义：VCO是Vdi在测量系统产生的输出，若测量系统的差模增益为Gd,则CMRR1：评价系统输入端抑制“共模信号转换成差模信号的能力”324.3测量放大器的主要技术指标

764.3

测量放大器的主要技术指标

定义：Gc=VCO/Vci,为系统的共模增益，则有即共模抑制比是放大器的差模增益与共模增益的比值。334.3测量放大器的主要技术指标

774.3

测量放大器的主要技术指标

CMRR