数据采集与处理技术.ppt

数据采集与处理技术数据采集与处理技术 教教 学学 内内 容容 测量放大器测量放大器 1 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 4.3 4.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 4.4 4.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 本章教学内容本章教学内容 2 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.1 4.1 概述概述 3 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.1 4.1 概概 述述 了解放大器的类型了解放大器的类型 了了解在数据采集中使用测量放大器解在数据采集中使用测量放大器 的原因的原因 本节教学目标本节教学目标 4 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.1 4.1 概概 述述 问题：问题：在数据采集中在数据采集中, , 经常会遇到一些微弱经常会遇到一些微弱 的微伏级信号（热电偶的输出信号），的微伏级信号（热电偶的输出信号）， 需要用放大器加以放大。需要用放大器加以放大。 放大器类型放大器类型 通用运算放大器通用运算放大器 测量放大器测量放大器 5 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.1 4.1 概概 述述 那么，选择何种放大那么，选择何种放大 器来放大微弱信号？器来放大微弱信号？ 6 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.1 4.1 概概 述述 通用运算放大器通用运算放大器 具有具有mVmV级失调电压、数级失调电压、数V V/的的 温飘，不能用于放大温飘，不能用于放大微弱信号。微弱信号。 特点特点 目前市场上的放大器有以下特点。目前市场上的放大器有以下特点。 测量放大器测量放大器 具有高输入阻抗、低输出阻抗、强具有高输入阻抗、低输出阻抗、强 抗共模干扰、低温漂、低失调电压，抗共模干扰、低温漂、低失调电压， 广泛用于放大广泛用于放大微弱信号。微弱信号。 7 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 8 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 了解了解测量测量放大器的电路原理放大器的电路原理 了了解测量放大器使用中的两个技术问题解测量放大器使用中的两个技术问题 本节教学目标本节教学目标 9 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 有两级运放有两级运放 第一级：第一级：两个同相放大器两个同相放大器A A 1 1 、A A 2 2 输入阻抗高。 输入阻抗高。 第二级：第二级：普通差动放大器普通差动放大器A A 3 3 U Ui i1 1 U Ui i2 2 + + - - A A1 1 - - + + A A2 2 R R GG R R1 1 R R2 2 R R3 3 - - + + A A3 3 R R4 4 U U OO U U3 3 U U4 4 R R5 5 R R6 6 图图4-1 4-1 测量放大器原理电路测量放大器原理电路 I I GG 10 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 使用测量放大器的两使用测量放大器的两个个技术问题：技术问题： 测量放大器的增益测量放大器的增益 由上式可知，调节外接电阻的大小，可以由上式可知，调节外接电阻的大小，可以 改变测量放大器的增益。改变测量放大器的增益。 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 11 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 抗共模干扰能力抗共模干扰能力 对直流共模信号，其抑制比为无穷大对直流共模信号，其抑制比为无穷大。 对交流共模信号。对交流共模信号。 如图如图4.24.2所示所示。 12 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 输入信号输入信号 的共模分的共模分 量传给屏量传给屏 蔽体蔽体 输入保护电路输入保护电路 U Ui i1 1 R Ri i1 1 U Ui i2 2 R Ri i2 2 R R3 3 R R1 1 R R4 4 A A3 3 - - + + R R6 6 R R2 2 U U OO R R5 5 R R GG R R2 2 R R1 1 图图4-2 4-2 交流共模干扰影响及抑制方法交流共模干扰影响及抑制方法 A A4 4 + + - - A A2 2 - - + + C C1 1 C C2 2 A A1 1 + + - - 由于输入信号的传输线存在线阻由于输入信号的传输线存在线阻R R i i1 1 、R R i i2 2 和分布电容和分布电容C C 1 1 、C C 2 2 。 R Ri i1 1C C1 1 、 R R i i2 2 C C 2 2 分别对地构成回路分别对地构成回路。 当当R R i i1 1 C C 1 1 R Ri i2 2 C C 2 2 时，交流共模信号在两运时，交流共模信号在两运 放输入端产生分压放输入端产生分压 、 ， ， 所以所以 ，对输入信号产生干扰。对输入信号产生干扰。 抑制干扰措施：抑制干扰措施： 在其输入端接一个输入保护在其输入端接一个输入保护 电路。电路。 当当R R 1 1 = = R R 2 2 时时，由于屏蔽层和信号线间由于屏蔽层和信号线间 对交流共模信号是等电位的，故对交流共模信号是等电位的，故C C 1 1 、 C C2 2 的分的分 压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。 13 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.34.3 测量放大器的测量放大器的 主要技术指标主要技术指标 14 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 了解了解测量测量放大器的主要技术指标放大器的主要技术指标 了了解技术指标对使用的影响解技术指标对使用的影响 本节教学目标本节教学目标 15 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 1.1. 非线性度非线性度 非线性度非线性度 放大器实际输出输入关系曲线放大器实际输出输入关系曲线 与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。 什么是什么是非线性度非线性度 ？ 16 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 非线性度与增益有关，且对数据采集精度非线性度与增益有关，且对数据采集精度 影响很大影响很大。 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 1212位位A AD D 转换器转换器 增益为增益为1 1， ，非非线性偏差为线性偏差为 0.025% 0.025% 增益为增益为500500， ， 非 非线性偏差为线性偏差为 0.1%0.1% 结果：结果：相当于把相当于把1212位位A/DA/D转换器变成转换器变成1010位以下位以下 的转换器。的转换器。 结论：结论： 一定要选择非线性度偏差小于一定要选择非线性度偏差小于0 0.024%.024% 的放大器的放大器。 17 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 2.2. 温漂温漂 什么是什么是温漂温漂 ？ 温漂温漂 测量放大器输出电压随温度变化的测量放大器输出电压随温度变化的 程度。程度。 18 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 例如例如： 一个温漂一个温漂2 2 V/V/的测量放大器的测量放大器，当增当增 益为益为10001000时时，测量放大器的输出电压测量放大器的输出电压 产生约产生约20mV20mV的变化的变化。这个数字相当这个数字相当 于于1212位位A AD D转换器在满量程为转换器在满量程为10V10V的的 8 8个个LSBLSB值值。 应尽量选择温漂小的测量放大器。应尽量选择温漂小的测量放大器。 19 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 3.3. 建立时间建立时间 建立时间建立时间 指从阶跃信号驱动瞬间至测量放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大器输出电压达到并保持在给定 误差范围内所需的时间。误差范围内所需的时间。 什么是什么是建立时间建立时间 ？ 20 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 放大器输出电压放大器输出电压 t t U U t t U U 驱动信号驱动信号 建立时间建立时间 上偏差上偏差 下偏差下偏差 当增益当增益 200200时时，为达到误差范围为达到误差范围 0.01%0.01%， 往往要求建立时间为往往要求建立时间为5050 s s 100100 s s。 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 21 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 4.4. 恢复时间恢复时间 什么是什么是恢复恢复时间时间 ？ 恢复时间恢复时间 指放大器撤除驱动信号瞬间至放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大器由饱和状态恢复到最终值所 需的时间。需的时间。 22 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 5.5. 电源引起的失调电源引起的失调 什么是什么是电源引起的失调电源引起的失调 ？ 电源引起的失调电源引起的失调 电源电压每变化电源电压每变化1%1%，引起引起 放大器的漂移电压值。放大器的漂移电压值。 23 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 6.6. 共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比CMRR CMRR 可用下式计算可用下式计算： 24 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.44.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 25 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.44.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 了解了解测量测量放大器集成芯片的外形构造放大器集成芯片的外形构造 了了解解测量放大器集成芯片的使用调整测量放大器集成芯片的使用调整 本节教学目标本节教学目标 26 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.44.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 1.1. AD521 AD521 AD521AD521是是 集成测量放大集成测量放大 器，采用器，采用14 14 脚脚 双列直插式封双列直插式封 装。装。 图图4-3 AD5214-3 AD521引脚功能引脚功能 27 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4.44.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 引脚引脚4 4，6 6 用于调整放大用于调整放大 器零点，将器零点，将4 4， 6 6端接到端接到10 10 KK 电位器的两个电位器的两个 固定端固定端; ; 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1010 1111 1212 1313 1414 +IN+IN -IN-IN R R GG 10K10K U U- - U U OUTOUT R RS S 100K100K U U+ + 图图4-4 AD5214-4 AD521基本连接方法基本连接方法 电位器滑电位器滑 动端接负电源动端接负电源 U-U-（脚脚5 5）。）。 引脚引脚1010，1313 用于外接电阻用于外接电阻R R S S ，用于对放大倍用于对放大倍 数进行微调。数进行微调。 当当R R S S = = 100 100 k k15%1