測控技術(shù)與儀器信號放大電路.ppt

第五章信號處理電路 一 信號放大電路二 信號調(diào)制解調(diào)電路三 信號分離電路四 信號運(yùn)算電路五 信號轉(zhuǎn)換電路 1 何謂測量放大電路 在測量控制系統(tǒng)中 用來將傳感器輸出的微弱電壓 電流或電荷信號放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理 或推動指示器 記錄儀以及各種控制機(jī)構(gòu)的電路稱為測量放大電路 亦稱儀用放大電路 2 對測量放大電路的基本要求 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益 一 信號放大電路 低噪聲 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率 高共模輸入范圍和高共模抑制比 可調(diào)的閉環(huán)增益 線性好 精度高 成本低 3 測量放大電路的類型 由于傳感器輸出信號形式和大小的不同以及使用環(huán)境的不同 噪聲對傳感器的影響也不一樣 因此 對放大電路的形式和性能指標(biāo)要求也不同 所以 放大電路的種類較多 如 低噪聲放大電路 高輸入阻抗放大電路 高共模抑制比放大電路 差動放大電路 電橋放大電路 電荷放大電路等 5 1 1比較重要的幾個概念 1 輸入失調(diào)電壓實(shí)際運(yùn)放前置級差動輸入級的不完全對稱會造成在沒有輸入信號的情況下 輸出信號不為零的現(xiàn)象 必須在輸入端加上某一直流電壓后才能使輸出為零 這一直流電壓稱為輸入失調(diào)電壓 輸入失調(diào)電壓隨時間和溫度而變化 即零點(diǎn)改變 常稱為零點(diǎn)漂移 2 輸入失調(diào)電流由于晶體管的正常工作需要為其提供偏置電流 而偏置電路的存在會在電阻R2 R3上產(chǎn)生電壓降 通常有兩個偏置電流 IB 和IB 它們分別流入兩個輸入端 單片運(yùn)放的制造工藝趨于使電壓反饋運(yùn)放的兩個偏置電流相等 但不能保證兩個偏置電流相等 在電流反饋運(yùn)放中 輸入端的不對稱特性意味著兩個偏置電流幾乎總是不相等的 這兩個偏置電流之差為輸入失調(diào)電流IOS 通常情況下IOS很小 開環(huán)增益K閉環(huán)增益Kf差模增益Kd共模增益Kc零點(diǎn)漂移共模抑制比CMRR 差模增益Kd 共模增益Kc 幾個比較重要的概念 5 1 2典型測量放大電路 一 反相放大器Kf uo ui R2 R1R3 R1 R2輸入阻抗等于R1優(yōu)點(diǎn) 性能穩(wěn)定缺點(diǎn) 輸入阻抗低提高輸入阻抗與提高增益是一對矛盾 為了解決這對矛盾 可采用另一種電路 u u 若選取 R2 R4 R5則增益可近似為 二 同相放大電路Kf uo ui 1 R2 R1Zi Kzin 1 R2 R1 R3 具有較高的輸入阻抗 既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn) 同相比例放大電路放大倍數(shù) Kf uo ui 1 R2 R1 電壓跟隨器 放大倍數(shù)為1通常R1 R2不省略 用以消除輸入偏置電流的影響 什么是差動放大電路 差動放大電路是把兩個輸入信號分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端 然后在輸出端取出兩個信號的差模成分 而盡量抑制兩個信號的共模成分的電路 優(yōu)點(diǎn) 利于抑制共模信號和減小溫度漂移 三 差動放大電路 基本差動放大電路 R2 R1 R4 R3 差動放大電路的等效形式 四 高共模抑制比放大電路 什么是高共模抑制比放大電路 用來抑制傳感器輸出共模電壓 包括干擾電壓 的放大電路稱為高共模抑制比放大電路 應(yīng)用于何種場合 應(yīng)用于要求共模抑制比大于100dB的場合 1 反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型高共模抑制比放大電路 通常取 R1 R5R2 R4 2 同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型 為獲得零共模增益 可取 五 電橋放大電路 何謂電橋放大電路 由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路 有單端輸入和差動輸入兩類 應(yīng)用于何種場合 應(yīng)用于電參量式傳感器 如電感式 電阻應(yīng)變式 電容式傳感器等 經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號 并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步放大 或由傳感器和運(yùn)算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路 輸出放大了的電壓信號 3 電橋連接方法與輸出特性根據(jù)電阻參與變化的橋臂數(shù)可分為 半橋單臂 半橋雙臂 全橋式連接 上面的應(yīng)變片受拉伸 其阻值增加 下面的應(yīng)變片的受壓縮 其阻值減少 典型電橋電路 差動輸入電橋放大電路 R1 R2R2 R 只有 1時 才近似成線性關(guān)系 適用于精度不高的場合 典型電橋電路 線性電橋放大電路 若取 R3 R 左圖輸入電阻為 Ri R1R2 R2 R1 當(dāng)R2 R1時 Ri i2 i1 六 高輸入阻抗放大電路 自舉電路 用于傳感器輸出阻抗很高 108 以上 的場合 如 電容式 壓電式傳感器 自舉電路 何謂自舉電路 自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位 減小向輸入回路索取電流 從而提高輸入阻抗的電路 是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中 如電容式 壓電式傳感器的測量放大電路 并不是所有情況下都需要很高的輸入阻抗 因?yàn)檩斎胱杩乖礁?輸入端的噪聲也越大 所以 輸入阻抗應(yīng)與輸出阻抗相匹配 以達(dá)到最大信噪比為最佳 這種電路應(yīng)既能方便地調(diào)整放大電路的增益 又不會降低放大電路的共模抑制比 類型 手動調(diào)整 自動調(diào)整 程控型 1 手動增益調(diào)整放大電路 七 增益調(diào)整放大電路 由兩個同相運(yùn)放構(gòu)成的增益調(diào)整放大電路 2 自動增益調(diào)整放大電路根據(jù)輸入信號的大小自動改變增益大小 改變輸入回路衰減電阻調(diào)整電路的增益 當(dāng)輸入信號較小時 控制信號使V1導(dǎo)通 V2也導(dǎo)通 當(dāng)輸入信號大于某一值時 控制信號使V1截止 V2夾斷 3 可編程增益調(diào)整放大電路第一類 通用運(yùn)放可編程增益放大電路a 單運(yùn)放式 b 多運(yùn)放并聯(lián)式 c 多運(yùn)放串聯(lián)式 第二類 數(shù)字式可編程增益放大電路a 改變并聯(lián)輸入電阻方式 b 改變并聯(lián)反饋電阻方式 c 任意正整數(shù)增益框圖 什么是隔離放大電路 隔離放大電路的輸入 輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合 即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端 應(yīng)用于何種場合 隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng) 如生物醫(yī)學(xué)人體測量 自動化試驗(yàn)設(shè)備 工業(yè)過程控制系統(tǒng)等 中 能