测控技术与仪器信号放大电路.ppt

第五章信号处理电路 一 信号放大电路二 信号调制解调电路三 信号分离电路四 信号运算电路五 信号转换电路 1 何谓测量放大电路 在测量控制系统中 用来将传感器输出的微弱电压 电流或电荷信号放大到足以进行各种转换处理 或推动指示器 记录仪以及各种控制机构的电路称为测量放大电路 亦称仪用放大电路 2 对测量放大电路的基本要求 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配 一定的放大倍数和稳定的增益 一 信号放大电路 低噪声 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移 足够的带宽和转换速率 高共模输入范围和高共模抑制比 可调的闭环增益 线性好 精度高 成本低 3 测量放大电路的类型 由于传感器输出信号形式和大小的不同以及使用环境的不同 噪声对传感器的影响也不一样 因此 对放大电路的形式和性能指标要求也不同 所以 放大电路的种类较多 如 低噪声放大电路 高输入阻抗放大电路 高共模抑制比放大电路 差动放大电路 电桥放大电路 电荷放大电路等 5 1 1比较重要的几个概念 1 输入失调电压实际运放前置级差动输入级的不完全对称会造成在没有输入信号的情况下 输出信号不为零的现象 必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零 这一直流电压称为输入失调电压 输入失调电压随时间和温度而变化 即零点改变 常称为零点漂移 2 输入失调电流由于晶体管的正常工作需要为其提供偏置电流 而偏置电路的存在会在电阻R2 R3上产生电压降 通常有两个偏置电流 IB 和IB 它们分别流入两个输入端 单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等 但不能保证两个偏置电流相等 在电流反馈运放中 输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的 这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS 通常情况下IOS很小 开环增益K闭环增益Kf差模增益Kd共模增益Kc零点漂移共模抑制比CMRR 差模增益Kd 共模增益Kc 几个比较重要的概念 5 1 2典型测量放大电路 一 反相放大器Kf uo ui R2 R1R3 R1 R2输入阻抗等于R1优点 性能稳定缺点 输入阻抗低提高输入阻抗与提高增益是一对矛盾 为了解决这对矛盾 可采用另一种电路 u u 若选取 R2 R4 R5则增益可近似为 二 同相放大电路Kf uo ui 1 R2 R1Zi Kzin 1 R2 R1 R3 具有较高的输入阻抗 既是优点也是缺点 同相比例放大电路放大倍数 Kf uo ui 1 R2 R1 电压跟随器 放大倍数为1通常R1 R2不省略 用以消除输入偏置电流的影响 什么是差动放大电路 差动放大电路是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端 然后在输出端取出两个信号的差模成分 而尽量抑制两个信号的共模成分的电路 优点 利于抑制共模信号和减小温度漂移 三 差动放大电路 基本差动放大电路 R2 R1 R4 R3 差动放大电路的等效形式 四 高共模抑制比放大电路 什么是高共模抑制比放大电路 用来抑制传感器输出共模电压 包括干扰电压 的放大电路称为高共模抑制比放大电路 应用于何种场合 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合 1 反相串联结构型高共模抑制比放大电路 通常取 R1 R5R2 R4 2 同相串联结构型 为获得零共模增益 可取 五 电桥放大电路 何谓电桥放大电路 由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路 有单端输入和差动输入两类 应用于何种场合 应用于电参量式传感器 如电感式 电阻应变式 电容式传感器等 经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号 并用运算放大器作进一步放大 或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路 输出放大了的电压信号 3 电桥连接方法与输出特性根据电阻参与变化的桥臂数可分为 半桥单臂 半桥双臂 全桥式连接 上面的应变片受拉伸 其阻值增加 下面的应变片的受压缩 其阻值减少 典型电桥电路 差动输入电桥放大电路 R1 R2R2 R 只有 1时 才近似成线性关系 适用于精度不高的场合 典型电桥电路 线性电桥放大电路 若取 R3 R 左图输入电阻为 Ri R1R2 R2 R1 当R2 R1时 Ri i2 i1 六 高输入阻抗放大电路 自举电路 用于传感器输出阻抗很高 108 以上 的场合 如 电容式 压电式传感器 自举电路 何谓自举电路 自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位 减小向输入回路索取电流 从而提高输入阻抗的电路 是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中 如电容式 压电式传感器的测量放大电路 并不是所有情况下都需要很高的输入阻抗 因为输入阻抗越高 输入端的噪声也越大 所以 输入阻抗应与输出阻抗相匹配 以达到最大信噪比为最佳 这种电路应既能方便地调整放大电路的增益 又不会降低放大电路的共模抑制比 类型 手动调整 自动调整 程控型 1 手动增益调整放大电路 七 增益调整放大电路 由两个同相运放构成的增益调整放大电路 2 自动增益调整放大电路根据输入信号的大小自动改变增益大小 改变输入回路衰减电阻调整电路的增益 当输入信号较小时 控制信号使V1导通 V2也导通 当输入信号大于某一值时 控制信号使V1截止 V2夹断 3 可编程增益调整放大电路第一类 通用运放可编程增益放大电路a 单运放式 b 多运放并联式 c 多运放串联式 第二类 数字式可编程增益放大电路a 改变并联输入电阻方式 b 改变并联反馈电阻方式 c 任意正整数增益框图 什么是隔离放大电路 隔离放大电路的输入 输出和电源电路之间没有直接的电路耦合 即信号在传输过程中没有公共的接地端 应用于何种场合 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统 如生物医学人体测量 自动化试验设备 工业过程控制系统等 中 能