精密仪器设计-精密电路设计

精密仪器设计

DesignofPrecisionInstrument测控技术与仪器研究所自动化工程学院1精密电路设计

一、电子电路在精密仪器中的地位精密仪器几乎都由传感器件或传感器、信号或数据处理器、显示器或记录器等几大部分组成。传感元件(一次转换)放大器或信号调理电路信号转换电路激励电路数字显示器笔录仪模拟电表模拟指示波形记录数字指示被测非电量传感器信号处理器显示、记录器单参数检测精密仪器结构示意图（不带微处理器）2单参数精密仪器结构示意图（带微处理器）传感元件(一次转换)放大器信号调理电路数模转换器激励电路CRT、LCD硬盘数字显示器数字显示数据存储文字、表格、图形显示被测非电量微处理器打印机数据或图形记录传感器信号或数据处理器一、电子电路在精密仪器中的地位3多参数综合精密检测系统结构示意图传感器2运放电路数模转换器显示器硬盘模出接口输入2微处理器打印机多路选通器传感器1输入1传感器N输入N一、电子电路在精密仪器中的地位4为何电子电路会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？主要原因：——提高测量仪器的精度和灵敏度

——扩充量程和多功能实现自动化测量

——排除机构活动件，提高工作可靠性及寿命尤其是现代化精密仪器，具有很强的数据处理能力，只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高的水平。一、电子电路在精密仪器中的地位5二、精密仪器电路的内容与功用1、内容精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构动作。精密仪器电路担负着选择、放大、运算、信号转换、逻辑处理等任务，是精密仪器不可缺少的组成部分。6精度高2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化①易于实现高倍率放大↑分辩率、↓读数误差②易于实现量程切换解决了量程与分辩率的矛盾③通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路方便地选取有用信号、抑制无用信号；减少噪声、干扰与非被测参数的影响。④利用电路可对仪器误差进行自动校正零点的自动校正、放大倍数的自动校正、非线性误差的修正⑤利用差动电路补偿电路、平衡电路使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小7使用方便①电路可方便信号传输，使它便于读出或实现控制、执行；②电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便；③电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实现动态采样；④利用电路可进行巡回采样或同时读取多路信号；⑤利用信号分离电路，可读取各成分参数；⑥通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理，直接读取所需的复杂参数值；⑦便于利用电路存储测量结果。易于自动化：通过电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化8计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展主要功用①大量数据的动态和自动采样；②大量数据的存储；③完成较为复杂多样的运算；④较为复杂多样的误差自动修正；⑤较高水平的智能化。计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，并通过接口将计算机与仪器沟通。特点：运算速度快、储存量大、智能化、图形化发展：PC仪器、智能仪器、虚拟仪器三、精密仪器电路的特点与主要要求9三、精密仪器电路的特点与主要要求精密仪器电路的特点：①高精度与高稳定性；②高灵敏度、高分辩率，可检测微弱信号；③检测信号的多样性；④信号的处理要求；⑤仪器化的电路设计，要满足操作方便、自动测试、

工作可靠等要求。10三、精密仪器电路的特点与主要要求对精密仪器电路的要求1.信号的拾取与抗干扰能力首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数）；其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身

的合理设计。2.稳定性----是对仪器电路乃至整个精密仪器的最基本的要求。①温漂－－导致仪器的示值在一次运行中发生渐变；②长期稳定性－－由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪

器性能在长期运行中发生变化；③短期稳定性－－表示为示值重复性。由输入信号的信噪比、电

路本身的噪声和抗干扰能力决定。11电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性，还应包括线性度、频率特性、输入输出阻抗的稳定性等。提高稳定性的措施：①减小温漂－－选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源，

采取深度负反馈和补偿措施。②提高短期稳定性－－选低噪声、工作性能稳定可靠的元器

件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还常采取

深度负反馈、差动或平衡电路。静态下：多次重复取样取平均、↑滤波器的时间常数→↓示值分散性。三、精密仪器电路的特点与主要要求123.频率特性与响应速度

－－是衡量仪器动态性能的指标。被测对象频率范围，从直流开始，高端可至1011Hz，以致更高。→频率特性同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。→响应速度4.线性度－－是仪器精度的又一重要指标。xy0实际曲线规定曲线通常要求仪器的输入输出间具有线性关系①线性标尺便于读出；②换档时只须改变分度值，不必另行定标；③记录波形曲线不失真；④进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素，比较方便。精密仪器的非线性度主要由传感器、电路、显示执行机构这三部分的非线性度产生。三、精密仪器电路的特点与主要要求135.分辩率提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。模拟仪表：最小刻度值的一半。∴↑放大器的放大倍数。数字仪表：数字显示最低位1个字对应的被测量。

↓量化误差→↓最低位1个字对应的被测量↗细化电路↘↑A/D位数6.输入与输出阻抗－－要与相应的传感器和所驱动的显示执行机构阻抗匹配。一般要求电路输入阻抗很高。（∵有的传感器输出阻抗大108Ω以上）但不是所有情况（∵输入阻抗↑→输入端噪声↑）合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配，使放大器的输出信噪比达最大值。7.计算与逻辑控制功能通常检测仪器需要完成一定的计算，以获得所需的被测参数值；仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理，以保证仪器正常工作。三、精密仪器电路的特点与主要要求14四、精密仪器电路的发展趋势电子管时期－－电子管放大器放大应变电桥的输出信号， 组成电阻应变仪。50年代中后期－－晶体管发展到了实用阶段。各种电子管电路

随之改为晶体管电路。60年代－－数字频率计、数字电压表等数字仪表发展到了实用

阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。70年代－－各种模拟、数字集成电路大批量投入生产，价格大

大降低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。70年代中期－－微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。 显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。80年代－－大规模集成电路制造技术不断完善，以单片集成

模数转换器为核心的各种数字面板表取代传统电表。15四、检测仪器电路的发展趋势（一）优质化优质化的一个重要方面就是提高电路的工作可靠性。例：一个含有104个晶体管的电路若单个晶体管可靠性为0.9999整个电路可靠性为0.999910000≈0.37若单个晶体管可靠性为0.99999整个电路可靠性为0.9999910000≈0.905若单个晶体管可靠性为0.999999整个电路可靠性为0.99999910000≈0.99为使整个电路的工作可靠性达到99%，则单个器件可靠性必须达到0.999999（二）集成化趋势（1）集成块的密集度越来越高；（2）采用集成块的范围越来越广。16四、检测仪器电路的发展趋势（三）数字化能较好地解决量程和分辩率的矛盾；（1）易于集成化；（2）抗干扰能力强；（3）便于动态采样，便于记忆存储；（4）便于与计算机联用。但数字电路不能完全取代模拟电路。（四）通用化（1）一个电路尽量采用相同的单元电路；（2）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；（3）推广通用仪器。（五）自动化与智能化（六）虚拟化17导体半导体绝缘体功率模块功率放大器件P型N型三极管场效应管PN结PN结集成运算放大器分立元件五、精密检测电路--电子器件的发展半导体：体积小、重量轻、寿命长、输入功率小、功率转换效率高掺杂扩散、漂移电流放大作用18

集成运放有源滤波器运算加减微积分线性非线性乘除对、指数运放处于线性放大状态（负反馈）运放处于非线性状态（开环或正反馈）比较器振荡器五、精密检测电路--电子器件的发展1901数字电路模拟电路ADDA线性电源开关电源电池电源按键显示五、精密检测电路--电子器件的发展20集成运算放大器:实现信号的组合和运算的放大器。集成运放：模拟器件。运放电路:器件＋外围。集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反馈方式，构成功能和特性完全不同的电子电路，它是各种电子电路(仪器电路)中最基本的组成环节。集成运放电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。1、定义五、精密检测电路--运算放大器21（1）电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构；（2）输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能；（4）大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载(电流源具有交

流电阻大的特点)，提高电路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工艺制造出来的，故具有同相偏

差。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、集成运放特点五、精密检测电路--运算放大器223、基本构成

集成运放是以双端为输入、单端为输出的直接耦合型高增益放大器,其内部组成原理框图用图1.2表示,

它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成。集成运算放大器内部组成原理框图五、精密检测电路--运算放大器234、集成放大器封装形式1金属圆帽封装(8/10/12脚)2双列直插封装(8/14脚)3贴片封装(8/14脚)1塑料封装（－10～70度）2陶瓷封装（－50～125度）价格相差2个数量级3金属－陶瓷封装（更高）5、集成放大器封装材料五、精密检测电路--运算放大器24五、精密检测电路--运算放大器6、集成运放主要参数25五、精密检测电路--运算放大器6、集成运放主要参数267、集成运放的种类通用运放低功耗低温漂高输入阻抗低噪声高速运放高压运放多元运放单电源跨导型运放五、精密检测电路--运算放大器278、集成运放的使用合理选择消振调零保护扩流先消振、后调零五、精密检测电路--运算放大器28五、精密检测电路--运算放大器9、精密仪器电路信号放大电路（小信号、低漂移直流、高输入阻抗、电荷、低噪音等）信号处理电路（滤波、特征值检测、采样保持等）调制与解调电路（振幅、频率、相位、脉冲等）……29集成运放理想化的条件：开环电压放大倍数AO∞;差模输入电阻ri开环输出电阻rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞.－＋＋u－u＋ouAO五、精密检测电路--运算放大器30理想运放对于理想运放Ao,ri“虚短路”原则（2）“虚断路”原则（1）uuouiu=Ao=–-+集成运放工作在线性区的特点：uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+

0i-=i+=0uiri

i-=i+=u-u+=,五、精密检测电路--运算放大器31当u+>u-时，u0=UO+iiuO+rid+输出电压u0只有两种可能：当u+<u-时，u0=UO－“虚断”的条件原则上仍成立，即ii≈0“虚短”原则上不成立，即u+和u-不一定相等！工作在非线性区的特点uiuO_++u-u+五、精密检测电路--运算放大器32VoR1Rf

+ViI1IfR2常用电路01：反相比例运算电路ABC增益331）分析电路结构；2）分析工作原理；3）理想运放+线性叠加原理列方程。

（环路电压、节点电流）VoR1Rf

+ViI1IfR2注意：有共模电压输入常用电路02：同相比例运算电路34反相输入VoR1Rf

+Vi2I1IfRpVi1R2I2R1＝R2＝R常用电路03：加法运算电路35同相输入VoR2Rf

+Vi2I1IfRpVi1R3I2R1R2＝R3＝RP常用电路03：加法运算电路36VoR1

+Vi2I1IfRpVi1R2I2RfR1＝R2；

Rp＝Rf常用电路04：减法运算电路37I0常用电路05：电流/电压转换器38UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++1）电路结构；同相放大器、跟随器、取样电阻2）工作原理；V02=Vp2I0=(V01-Vp2)/R03）列方程：理想运放+线性叠加原理

（环路电压、节点电流）R1=R2=R3=R4=RI0常用电路05：电流/电压转换器39UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++3）理想运放+线性叠加原理列方程。

（环路电压、节点电流）N1点节点电流：-VN1/R=(VN1-V01)/R∴V01=2VN1=2VP1P1点节点电流：(Vi-VP1)/R=(VP1-V02)/R∴V02=2VP1-Vi=VP2∴I01=(V01-VP2)/R0=[2VP1-(2VP1-Vi)]/R0=Vi/R0

即跨导放大器R1=R2=R3=R4=RI0常用电路05：电流/电压转换器40UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++I0=(V01-VP2)/R0=(V01-V02)/R0

即必须求出V01、V02A1组成同相放大电路

∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1R1=R2=R3=R4=R方法2：等效简化电路法I0常用电路05：电流/电压转换器41UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++R1=R2=R3=R4=RI0UoUiI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R4常用电路05：电流/电压转换器42I0UoViI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R4VP1=R4/(R3+R4).Vi+R3/(R3+R4).V02=1/2(Vi+V02)∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1=Vi+V02∴I0=(V01-VP2)/R0=(Vi+V02-V02)/R0=Vi/R0戴维南线性叠加原理常用电路06：仪用运算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V02431）电路结构；

A1A2R1R2对称，双输入单输出，同相端输入、差动放大2）工作原理；V0=(1+R2/R1).V3+-R2/R1.V01=(1+R2/R1).R2/(R1+R2)V02-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)差分电路3）列方程：理想运放+线性叠加原理

（环路电压、节点电流）V1V2常用电路06：仪用运算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0244方法1：欧姆定律(V01-V02)/(2R3+RG）

=(V1-V2)/RG∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用电路06：仪用运算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0245方法2：合比定理(V01-V1)/R3=(V1-V2)/RG

=(V2-V02)/R3∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用电路06：仪用运算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0246方法3：线性叠加V01=(1+R3/RG).V1-R3/RG.V2V02=(1+R3/RG).V2-R3/RG.V1∴V02-V01=(1+2R3/RG）(V2-V1）∴V0=(1+R2/R1).[R2/(R1+R2).V02]-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)=R2/R1.(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用电路7：回差电压比较器一、振铃现象电平检测器(任意电平比较器)，当达到比较电平时，立即翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高。但若被测信号叠加一定的干扰信号，可能使比较器产生振荡，造成误翻转－－这就是所谓的电平比较器的振铃现象。Un0VMUiNPQUoUiUoA－＋Un~47常用电路7：回差电压比较器二、回差电压比较器为克服振铃现象，可采用回差电压比较器(滞后比较器、施密特触发器)。1组成－－在比较器的同相端加入少量的正反馈，即可构成滞后比较器。其传输特性具有滞后特性。UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H482原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ⑴当输入电压Ui大于同相端电压U+(即Ui>U+)时，输出电压Uo处于低电平UL在R1中的电流I1为正(I1>0)，DZ2反向击穿(DZ1导通)，则有UoUi0U0LU+LU0HU+H①②③

UΣ-

UZ=

Uo

UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)临界条件解得:Uo=

-

UZ(1+R2/R3)=U0L(输出低电平)

UΣ=U+=(Uo+UZ)=-(R2/R3)UZ=U+L

(输出低电平时同相端电位、下比较电平)常用电路7：回差电压比较器49⑵当Ui逐渐减小时，只要Ui>U+L[-(R2/R3)UZ]时，I1不换向，则，比较器状态不改变，输出电平为Uo=U0L=

-UZ(1+R2/R3)⑶当Ui<U+L[-(R2/R3)UZ]时，I1换向(从正→负)，则DZ1反向击穿(DZ2导通)比较器输出Uo转为高电平(UL→U0H)。因同相端的正反馈作用加速翻转过程。这时↗UΣ+

UZ=

Uo↘UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)解得↗Uo=

UZ(1+R2/R3)=U0H(输出高电平)↘UΣ=U+=(Uo+UZ)=(R2/R3)UZ=U+H

(输出高电平时同相端电位、上比较电平)常用电路7：回差电压比较器50UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ2原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑷Ui继续下降，输出维持高电平端电压Uo=U0H[(R2/R3)UZ]

，

而同相端和反相端电平翻转到

U+H[(R2/R3)UZ]

⑤⑸若Ui上升，只要Ui<U+H[=Ums=(R2/R3)UZ]时，输出电平仍为：Uo=U0H[UZ(1+R2/R3)]，比较器状态不改变。⑥⑦常用电路7：回差电压比较器512原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑤⑥⑹当Ui>U+H时，I1换向(从负→正)，则DZ2反向击穿(DZ1导通)比较器输出Uo又转为低电平[U0→U0L=-(1+R2/R3)UZ]。

此时，UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ⑦⑺Ui继续上升，输出仍维持低电平Uo=

U0L；而同/反相端电平已转为UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ。常用电路7：回差电压比较器52

①比较器的传输特性具有迟滞回线的形式，所以称为迟滞比较器，由于比较门限电平的回差变化，又称回差比较器。

②此零电平比较器的比较电平不再是单一的零电平(UR=0)而是具有位于零电平附近的两个电平↗上(大)比较电平U+H=(R2/R3)UZ

↘下(小)比较电平U+L=-(R2/R3)UZ两者之差称为滞后电平。ΔU=

U+H–U+L=(UoH–UoL)R2/(R2+R3)

↗U+H

=UoHR2/(R2+R3)

↘U+L=UoLR2/(R2+R3)

③

ΔU可由R2R3调节，适当选取ΔU，可消除“振铃”现象。但ΔU的存在检测灵敏度∴ΔU不宜过大，通常R2<<R3

常用电路7：回差电压比较器53Notes：任意电平滞后比较器，可用相同方法分析：

⑴参考电压UR在同相端UiUoR1A－＋R3R2URUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU输入电压Ui从低值达到上比较电平U+H时，比较器输出从高电平→低电平(UoH→UoL)，这种滞后特性称为下行滞后特性，简称下行特性。常用电路7：回差电压比较器54

⑵

参考电压UR在反相端URUoR1A－＋R3R2UiUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU输入电压Ui从低值达到上比较电平U+H时，比较器输出从低电平→高电平(UoL→UoH)，这种滞后特性称为上行滞后特性，简称上行特性。常用电路7：回差电压比较器55常用电路8：峰值保持电路峰值保持电路－－能使持续期短的信号在时间上可以扩展的电路。1、原理:①当Ui>0时，D导通，电容C被充电到的峰值－－峰值跟踪阶段，0A段。②当Ui过峰值而下降时，D反偏而截止，由于的反向电阻较大，电容C上的电荷因无放电回路而被保持下来－－保持阶段，AB段。③此后只有当Ui上升到大于电容C上的电压(Ui>UC)，D才导通，使输出Uo跟踪输入Ui，直到新的峰值，并保持下来。56UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想Uo实际常用电路8：峰值保持电路2、误差分析①实际二极管并不是理想元件。②电路输出端总有一定负载电阻(RL)。③信号源也有一定内阻(Rs)。跟踪阶段－－电容C上电压UC无法完全跟踪Ui，按一定的时间常数上升。保持阶段－－UC将通过RL进行放电，从而使Uo偏离被测信号峰值。偏离的程度与元件的质量、取值有关。元件参数一旦确定，偏离值的大小又与被测信号Ui有直接关系。57UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想Uo实际常用电路8：峰值保持电路一、改善二极管的非线性及消除不灵敏区－－将二极管放在运放的反馈回路中。UiA1－＋UoDA2－＋C此时，D的等效开启电压为Ui’=UD/A1d

式中A1d

－－A1的开环增益，一般在80dB以上(即1000倍)。

UD

－－二极管死区(不灵敏区)电压，硅管UD

≈0.5V。

Notes：①Ui’是一个很小的值，Ui’≈0。这就消除了二极管的不灵敏区。

②当D导通后，A1工作在电压跟随状态，从而消除了D的非线性影响。58二、增加保持时间实际↗D的反向电阻及A1A2的输入阻抗并非无穷大。

↘存储电容C也存在漏电流。→在保持阶段电容C上的电压将通过A1A2D及C的等效漏电阻而放电，从而引起保持电压的漂移，其漂移率为

D=ΔUo

/Δt=I漏

/C式中，I漏

=Ib

+ID+IC

Ib

－－A1A2的偏置电流和漏电流之和；

ID

－－D的反向饱和漏电流；

IC

－－C的漏电流。常用电路8：峰值保持电路59Notes：要↓D(电压漂移率)，增加↑保持时间，可↑C和↓I漏

⑴实际电容C值受工作速度的限制，且↑C其漏电流IC

漏也大。⑵有效的方法是↓I漏

，其途径有二：①选用优质元件↗C－－选聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小(IC

漏↓)的电容

→A1A2－－选场效应管作输入级的运放

↘D－－选开关特性好的形状二极管，或用场效应管代替②改进电路－－如尽可能减小加在峰值检测二极管上的反向电压等。常用电路8：峰值保持电路60常用电路8：绝对值检测电路整流－－把正负极性交变的信号转换成单极性的直流信号，称为整流。线性整流－－单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流，称为线性整流，又称精密检波。绝对值电路－－又称全波整流电路。它的特点是能将交变的双极性信号转换为单极性信号。在自动检测仪表中常用这一特点来对信号进行幅值检测。~ui＋RL－uituRLtI0UDVαr=ctgαuiuDr61常用电路9：绝对值检测电路~ui＋RL－uituRLt利用二极管的单向导电性可以实现较大信号的检波，但由于二极管的正向伏安特性的非线性(r)及其阈值电压(UD)的存在，无法实现精密的线性检波。二极管的伏安特性为：I0UDVαr=ctgαuiuDr

UD－－二极管的阈值(导通)电压。r－－二极管的动态电阻，表示当偏压高于UD后特性曲线的斜率。二极管的特性可用等效电路来描述。这里忽略了二极管的反向漏电流，实际上对于硅二极管，这种反向漏电流是相当小的。62二极管的非线性决定了用它无法实现良好的线性转换uiuoDR例如：当输入信号为线性的三角波时，经二极管检波电路后的输出波形，将产生明显的畸变。I0UDUuo=IR0UDttui

↗输入信号越小，畸变越严重；↘当输入信号<UD，输出Uo=0，电路失去检波作用。常用电路9：绝对值检测电路63uiuoDR为实现精密线性检波，必须解决两个问题：改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系；

减小二极管阈值电压(UD)的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。

利用运放与普通二极管有源检波电路，能有效解决以上两个问题。按检波特性，可把精密检波电路分为↗精密半波检波电路

→精密全波检波电路

↘峰值检波电路常用电路9：绝对值检测电路64A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2两二极管(D1D2)分别接在运放的反馈回路，运放接成反相放大器形式。设输入信号为正弦信号Uo

=Uinsinωt①Ui正半周(Ui>0):Uo’为负(<0)D1导通，D2截止

D1导通，使运放处于深度负反馈状态。从而保证了运放的反相输入端“虚地”(Uin-=0)，由于输出信号(Uo)是从“虚地”取出，R2无电流流过，∴Uo=0常用电路10：精密半波检波电路65A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2②Ui负半周(Ui<0)：Uo’为正(>0)D1截止，D2的状态取决于Uo’的大小：若Uo’<UD，D2截止，运放工作于开环状态。此时Uo’=-AoUi≤UD，即Ui≤UD/Ao。∵运放开环增益很高(一般Ao为104~105),∴Ui很小，Uo=Ui也很小，可看作零。这就相当于把二极管的阈值电压UD降低1/Ao，从而有效地克服了UD对检波性能的影响，大大提高了电路对小信号的检波能力。常用电路10：精密半波检波电路66A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2一旦Uo’>UD，D2导通，运放处于反相比例放大工作状态，Uo=-(R2/R1)Ui，若取R1=R2，则Uo=-Ui。显然，D2导通，使A处于深度负反馈闭环工作状态，而D2又在反馈回路中。因此，D2导通后的非线性特性，由于负反馈的作用而明显改善，使检波电路的输出与输入之间具有良好的线性关系。由以上分析Uo=↗0，Ui>0↘|Ui|，Ui<0常用电路10：精密半波检波电路67①检波波形和检波特性。uituot波形uoui检波特性②若需对的正半周进行检波，只要将电路中的两个二极管(D1D2)同时反接即可。③为定量说明二极管阈值电压UD和非线性电阻r所产生的非线性误差，可画等效电路。A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr在的负半周内：常用电路10：精密半波检波电路68A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr此式表明：在精密半波检波电路中，UD和r仍会影响电路输出，造成误差。但由于负反馈的作用，把这种影响减少到原来的1/Aoβ④需要提出的是：精密半波检波电路的工作频率↗在大信号时，会受到运放压摆率(SR)的限制；

↘在小信号时，会受到运放-3dB带宽(f0)的限制。

必须根据实际工作频率选择合适的集成运放，才能保证检波器的检波精度。常用电路10：精密半波检波电路691、简单绝对值电路：由半波检波电路和加法器两部分组成。UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3①Ui正半周(Ui＋>0):∵A1是反相输入D2截止，D1导通，此时，半波检波电路的输出电压(即A1的输出电压)Uo1=－Ui＋R2/R1加法器对两电压进行求和运算，其输出电压为

Uo＋=(-Ui＋R6/R4-Uo1R6/R5)=-(R6/R4-R6R2/R5R1)Ui＋若取R2=R1，R6=R4=2R5

则

Uo＋=Ui＋常用电路11：绝对值电路70UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3②Ui负半周(Ui＋<0):∵A1是反相输入D1截止，D2导通，则，Uo1被切断，不能输入到A2的输入端。∴Uo－=－Ui－R6/R4=－Ui－此时，Ui－<0，－Ui－>0，∴Uo=|Ui|常用电路11：绝对值电路71Notes：①绝对值电路波形和检波特性。uituot波形uoui检波特性②将电路中的(D1D2)同时反接，即可获得负输出的绝对值电路。③简单绝对值电路在频率较低时，能得到满意的结果。当频率较高时，

由于前面的半波检波电路会产生相移，破坏了加法电路所实现的运算

关系，使输出波形失真而引起误差，应采用频率补偿来这种误差。常用电路11：绝对值电路72Notes：uituot波形uoui检波特性④这种电路的精度，不仅与半波检波电路的精度有关，而且还与电阻的匹配精度有关。⑤缺点：↗匹配电阻过多（需要5个R2=R1，R6=R4=2R5）↘输入阻抗低，Ri=R1//R6（反向输入结构）常用电路11：绝对值电路73

2、高输入阻抗的绝对值电路：简单绝对值电路，由于采用了反相输入结结构，其输入电阻较低，因而当信号源内阻较大时，在信号源与绝对值电路之间就不得不接入缓冲级，从而使电路复杂化。为使电路简单，且输入阻抗又高，可将图中的运放接成同相输入。电路的输入阻抗约为两个运放的共模输入电阻的并联，可高达10MΩ以上。UiA1－＋