电气与电子测量技术——模拟调理电路和测量系统.ppt

测量系统的调理电路 本节主要内容 通用运算放大器仪表放大器程控 隔离放大器 数字化电气测量系统构成 电气测量系统的调理电路 在现代电气测量系统中 调理电路是一个重要组成部分 其功能可以概括成以下几点 放大作用 将传感器的输出的小信号放大成ADC所需要的单端 single ended 电压信号 共模抑制 针对含共模分量的差分信号输入 调理电路的输出应只放大输入的差模信号 输出信号中共模分量理想情况下应为零 阻抗转换 将高阻信号源输出的信号转变成低内阻信号后 再送至下级放大电路放大 电气隔离 电气隔离是指高电压和大电流的主回路与电子测量和控制系统间的隔离 隔离最好在传感器 变换器处完成 也可采用隔离调理电路 实现的方法有光电隔离和变压器隔离 运算放大器高速放大器 大于等于50MHz 164 精密放大器 510 低功耗 117 低输入偏置电流 FET输入 31 低噪声 45 宽带 135 低偏移电压 99 高电压 4 40V 高输出电流 44 100mA 标准线性放大器 206 比较器 82 仪表放大器 31 单电源 17 双电源 12 差动放大器 25 可编程增益放大器 11 隔离放大器 3 特殊功能放大器跨导放大器 3 对数放大器 7 多路复用器 4 乘法器 1 PWM功率驱动器 16 可变增益放大器 21 某著名半导体公司的集成运算放大器产品目录 种类繁多区别何在 如何选择 理解重要的技术参数是关键 集成运放典型产品性能指标 通用运算放大器 通用集成运算放大器 通用集成运算放大器 通用型运放的品种 规格 型号很多 各公司生产的型号有别 常用的有 A741 F124 224 324 LM324 LM358 OP117 TL082 084等 图4 1 A741的引脚功能及典型接法 通用集成运放电路的局限 适用的输入电压信号必须是单端信号 single ended 即输入电压必须有一端是放大电路的公共端 不能是含有共模信号的差分输入 differentialinput 电压信号 通用集成运放本身的输入电阻非常高 通常在109 以上 但与外部电阻构成闭环反相放大电路后 放大电路的输入电阻Rin R1 一般在1k 100k范围 远远小于集成运放的输入电阻 当信号源的内阻抗较大时 信号电压将会在内部阻抗上产生较大压降 可能严重影响信号源的正常输出 导致放大器得不到期望的信号输入 用通用运放构成差分放大电路 改进 可以放大差分信号中的Vid 差模信号 并输出单端信号 容易与后续电路搭配 不足 输入阻抗 R1 Rf 低 要求信号源内阻远小于 R1 Rf 不是任何时候都能满足 通用集成运放uA741原理图 通用运放电路的结构特点 前级 差分输入放大电路共模抑制差模信号放大输出 推挽输出电路 push pull 降低输出电阻 增强带负载能力输出电压摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vces RailtoRail除外 最高输出正电压 V Vces最低输出负电压 V Vces中间级 进一步放大和相位补偿 补偿电容防止闭环应用出现自激振荡 运放性能指标 输入失调指标 1 输入失调电压inputoffsetvoltage为使运算放大器输出端为0V所需加于两输入端间的补偿电压 输入失调电压的大小主要就反应了该集成运放内部差分电路参数的不对称或不平衡程度 2 输入失调电流inputoffsetcurrent放大器两个输入端偏置电流之差即为输入失调电流 差模电压增益A0d放大器在开环时 没有外部反馈 输出直流电压增量与输入直流差模电压增量之比 即为开环差模电压增益 AOd Uo UIAod通常以dB表示 A0 20lg Uo UI dB 理想情况Aod为无穷大 实际情况Aod为100 140dB 2共模电压增益Avcm放大器在开环时施加共模电压时输出直流电压与输入直流共模电压增量之比 即为共模电压增益 3 共模抑制比CMRR运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比 即为共模抑制比 CMRR一般用dB来表示 CMRR 20lgK dB 理想的CMRR是无穷大的 实际运放由于或多或少存在输入失调的问题 CMRR不可能无穷大 集成运放CMRR一般在80dB 120dB 少数可达140dB 运放性能指标 增益和共模抑制比 集成运放的输入失调现象 输入失调现象对集成运放的放大精度 零位及线性度 有重要影响 输入失调现象与集成运放输入级差分放大电路是否完全对称或平衡密切相关 理想的差分放大电路应该完全匹配 即各项参数完全一致 这样可以保证差分放大电路对双端对地有一致的放大 但实际的差分放大电路与理想的差分放大电路还是有差异 产生运放的输入失调 其它要求对称的参数的失配同样会影响差分放大电路抑制共模信号的能力 如从运放两个输入端看出去的信号源内阻抗不平衡就常常导致某些放大电路虽然采用了共模抑制性能优异的集成运放 但放大电路的共模抑制性能远远达不到集成运放的共模抑制性能 集成运放的动态响应指标 3dB带宽和单位增益带宽 3dB带宽是指集成运放在小电压信号输入条件下开环增益幅频特性从直流增益下降到 3dB 对应的电压放大倍数为0 707 时所对应的频率范围 不同电压增益下该增益与带宽的乘积为一个常数 称为增益带宽积 GainBandwidthProduct 它实际上就等于单位增益下的带宽 如AD620的单位增益带宽为1000kHz 2 转换速率 电压摆率 SR V us 运算放大器在额定负载条件下 输入一个大幅度的阶跃信号时 输出电压的最大变化速率 SlewRate 该指标以阶跃响应的上升速率来反映放大电路响应快速变化信号的能力 例如OP07的电压摆率为0 3V s而OPA637的SR 135V s 明显比OP07快 在实际工作中 输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值 否则输出电压会因集成运放来不及响应而产生畸变 高速运放有较高的SR 用于大脉冲信号延时小 宽带运放用于高频小信号的放大 集成运放的动态响应指标 集成运放的输出特性参数 1 输出电压的摆幅集成运放的输出电压范围总是在运放的正负电源电压所规定的上下限以内 早期产品的最高输出正电压VOH和最低的输出VOL一般距离其正负电源电压有一段小 距离 这个 距离 主要是由于其推挽输出电路中的上拉管和下拉管的压降造成的 例如ADI的低成本仪表放大器AD620A的最高输出电压为比正电源电压低1 2V 而最低输出电压比负电源电压高1 1V 2 输出电流按照集成运放的输出电流的流向不同 分为灌电流 sourcecurrent 和拉电流 sinkcurrent 前者是指电流由集成运放通过输出管脚流向外部电路 而拉电流则相反 除非特别申明具有大电流输出特性 一般运放的输出电流的极限在10 20mA 但长期工作的输出电流则在几个mA 高精度运放的实质 低失调 提高运放精度的手段 原理不变 改进IC生产工艺 使差分电路更趋平衡 如uA741 LM324 Op07分别是各自时期的典型代表 输入失调都有不同程度的改进 辅以外部调零 尽可能克服输入失调外设调零电位器 补偿输入差分电路的不平衡缺点 静态调零 无法解决失调的温漂 改进原理 采用动态调整失调技术斩波 稳零 chopper stablizer 运放 电气测量中的共模信号 电桥输出含共模 电流采样电阻两端的电压含高共模信号 不同地电位造成的共模信号 多点接地的地电位差引起的共模分量UG 电容耦合造成共模信号 静电场耦合引起共模电压 仪表放大器 三运放仪表放大电路 测量放大器 三运放仪表放大电路分析 Reference端接VREF时 由于A3的两个输入电流近似为零 有 根据运放 虚短 原则有VC VD 两式相减 得 将VA VB代入 整理可得 或 结论 差分输入 单端输出 差分放大倍数为KV 输出被向上平移了VREF 对交流电气量的数字化测量非常重要 Reference端的使用 Reference在一般的应用中接电源地 但当后级为单极性的A D转换器时 Reference端接A D转换器的参考电压 可以给输出电压加上一个恒定的偏置电压 从而允许放大电路的输入VIN为双极性的信号 这大大简化了交流电气量的A D转换前级的放大电路的设计 仪表放大器的主要特点 特点 1 很高的输入阻抗 2 共模抑制比大 仪表放大器原理和特性分析 输入阻抗分析 仪表放大器原理和特性分析 共模抑制分析 VCM V V 2 VIN V V 差模输入 共模输入 仪表放大器原理和特性分析 共模抑制分析 仪表放大器原理和特性分析 作用 放大差分信号的同时抑制共模信号 缺点 同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等 在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于100k 而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍 即200k 差分放大器实现共模抑制 仪表放大器原理和特性分析 测量放大器的共模抑制 仪表放大器主要用途 仪表放大器的主要用途是放大噪声环境中传感器输出的弱信号 电桥 基于电阻应变片压力测量 基于热电阻的温度测量等 热电偶霍尔传感器双恒流源电路 典型集成仪表 仪用 放大器 基本的测量放大器可用于一般场合 精度要求高时 可选用AD公司提供的AD521 AD522 AD612 AD62x型 以及国产ZF60S型单片集成测量 仪表 放大器 AD521测成测量放大器a 引脚功能b 基本接法 典型集成仪表 仪用 放大器 典型集成仪表放大器产品AD62X系列 ADI的AD62x系列通用集成仪表放大器因其性价比较高 应用广泛 右图是AD623的内部原理图 其基本电路还是三运放构成的仪表放大器 主要不同点在于输入PNP管 Q1 Q2 可以将输入共模电压电平上移从而可以允许低于负电源电压0 2V的电压输入 输入端的两个嵌位二极管可以提供输入过压保护 电压增益Gain 1 100k RG 集成仪表放大器产品AD62X系列 通用仪表放大器AD623用来放大直流电阻电桥的输出 图中差模电压一般在mV级 而两个输入端输入的同极性 同幅值的共模电压分量约为2 5V 电桥的直流偏压 抑制电源电压范围内的共模分量是使用仪表放大器的主要原因 浮地输入信号源的静态偏置电流路径 集成仪表放大器虽然是用于差分信号的放大 但集成仪表放大器本身的静态偏置电流还是需要能流通到电路公共端的直流路径 对于像右图所示的热电偶输出的热电势 经变压器耦合的交流输入电压信号 经电容耦合的交流输入电压信号等 这些输入电压信号源的一个共同特征是它们都是 浮地 的 集成仪表运放的输入端到地没有直流路径 所以必须增加到地的直流路径 以便输入偏置电流能流通 高共模的危害 图中为AD623的共模输入对可能的最大输出的限制 纵坐标表示的是针对差模输入分量进行放大后可能的最大输出 显然 使用集成仪表放大器时 应当将共模输入分量限制在图中的AB或ED边线所对应当的范围以内 共模信号分量在存在输入失调的差分放大电路中的表现 AD522DataGuard提高共模抑制比 用AD522测量电桥的电路 DataGuard的作用 Dataguard udg uin uin 2 连接至信号电缆屏蔽层 作用 提高交流信号共模抑制比 ACCMR 集成差分放大器AD8200系列 集成仪表放大器的共模抑制比CMRR虽然很高 但允许输入的共模电压范围却受正负电源电压的范围限制 在有些应用中 前置放大器的共模输入电压范围远远超出电源电压范围 集成差分放大器在集成仪表放大器的前级增加一个专门抑制高共模输入的差分放大级 ADI的AD8200系列在单 5V供电时允许的共模电压范围为 8V 28V 其内部结构如图所示 A1与两侧的分压电阻配合 可以扩展输入共模电压的范围 程控 隔离放大器 程控放大器 多档程控放大器 通过两位程控信号C1和C2来控制模拟开关来切换反馈电阻Rf 可实现四个档的闭环增益值Rf0 R Rf1 R Rf2 R和Rf3 R 特点 电路简单 容易实现 闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值 可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路来控制 隔离运算放大器 隔离运算放大器是指输入 输出不共地 目的是保证输入 输出更好的隔离 常用的隔离放大器主要有电磁 变压器 耦合和光电耦合两种形式 作用 1 抗干扰 干扰信号过不去 2 安全考虑 对测量人员和测量仪器有益 隔离运算放大器 AD202 204 AD284 AD289 BGF01等 集成隔离运放的特点是三端口隔离 能抗高的共模电压 1500V 高共模抑制比 高输入阻抗 高精度 低漂移和低噪声等 广泛用于数字采集系统 医疗仪器 计算机及其他电子设备提供隔离保护 隔离放大器AD202内部结构图 典型集成隔离放大器产品 数字化数据采集系统 A D转换器的作用将模拟电压量转换为数字量的器件 A D转换器的主要技术指标 1 分辨力 指能够引起A D转换器变化一个字的输入量的变化量 对于n位A D转换器中 其分辨力为1 2n 1 约等于1 2n 或直接称为n位分辨力 分度值 2 转换精度 主要表现为量化误差 为分辨力数值的一半 3 转换时间 指完成一次A D转换所需的时间 决定最高采样频率 5 参考电压 基准电压 6 其它参数 输入电阻 温度系数 共模抑制比等 A D转换器 采样保持器的作用 1 保证A D转换器在模数转换期间输