隔离放大器与仪用放大器

智能仪器与系统 5 6学时第二章智能仪器的输入 输出通道及接口技术 二 仪用放大器及隔离放大器 主要讲解的内容 1 仪用放大器的作用及原理2 仪用放大器的接口及使用3 隔离放大器的作用及原理4 隔离放大器的接口及使用 重点 1 了解仪用放大器的基本工作原理2 掌握程控指数增益仪用放大器和多档程控仪用放大器的使用及接口形式 3 了解隔离放大器的基本工作原理和使用 用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高 只能用在要求不高 条件不太恶劣的场合 当它们的性能不能满足应用要求时 可以使用仪用放大器 仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件 它的特点是 高输入阻抗 低偏置电流 低漂移 高共模抑制 平衡的差动输入和单端输出 放大增益可由用户选择电阻来设定 它的主要用途是作传感器信号的放大 或作差动小信号的前置放大 所以仪用放大器也是智能仪器中最常用的放大器之一 一 仪用放大器 测量放大器 1 仪用放大器的作用 2 仪用放大器的工作原理 仪用放大器又称测量放大器或数据放大器 典型的仪用放大器电路结构为对称性结构如左图所示 它由三个运放和几个电阻组成 由同相放大器A1 A2构成输入极 信号从A3输出 仪用放大器上下对称 即图中R1 R2 R3 R4 R5 R6 则放大器闭环增益为 从上式可看出 由于电路参数选择对称形式 放大倍数和二个输入端的失调电压无关 所以输出信号不会受共模干扰的影响 即仪用放大器可抑制共模干扰 改变电路参数RG或R都可改变其放大倍数 一般为了保证电路参数的对称性 改变增益最合理 最简单的办法是改变RG的阻值 当采用集成仪用放大器时 RG一般为外接电阻 若改变RG的阻值用程序控制 就可成为程控仪用放大器 假设R3 R5 即第二级运算放大器增益为1 则可以推出仪用放大器闭环增益为 2 仪用放大器特别适合用于长距离的测量 3 仪用放大器的特点及应用 1 仪用放大器由于采用对称结构且信号直接加在输入端 因此输入阻抗很高 有很强的抑制共模干扰能力 例如工业过程中的温度传感器热电偶就经常用在很恶劣的环境中 如用普通放大器放大这样微弱的传感器输出信号 放大器对干扰的抑制能力作用将很弱 一般使用差分仪用放大器 如下图所示 图中使用可变增益放大器PGA203作为输出放大器 由二个运放OPA27作为输入放大器 电阻网络选择对称形式 使之构成的仪用放大器 在原有的放大器的增益的基础上增加了100倍 分别得到了101 202 104 108的放大倍数 适当改变200 RG 的阻值 和程控放大器一样还可得到其它放大倍数 例如AD512 AD522 AD612 AD614 AD620 AD623都是美国AD公司生产的集成仪用放大器芯片 另外INA114 118则是BB公司提供的二种高精度仪用放大器 其主要性能指标均超过AD512 还有MAX公司的MAX4195 4196 4197等其中INA114是一种通用仪用放大器 尺寸小 精度高 价格便宜 例1 INA114主要性能如下 4 集成程控仪用放大器 1 典型的程控仪用放大器集成电路芯片 电源引起的失调是指电源电压每变化1 引起放大器的漂移电压值 对于共电源系统 该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一 从上图可看出 由三个放大器和一些电阻构成 电阻选择对称形式 V0 6引脚 为输出信号 V1 和V1 2 3引脚 为对称输入信号 4 7引脚 为供电电源 1 8引脚 为外接可调电阻RG 5引脚 为基准电压端 使用时基本连接方法如下图所示 50K 二个内部反馈电阻之和 RG为外部可调电阻 利用仪用放大器AD612或AD614外接多路开关组成 其原理图如下 例2程控指数增益仪用放大器 23 24 引脚为输入信号端 14引脚为输出信号端3 12引脚为内部可调电阻端 使用2片模拟多路开关AD7503 AD7510 其中AD7503为八选一的模拟多路开关接3 10引脚用于选择2 256倍增益电阻 AD751接11 12引脚 用于选择29 210倍增益电阻 八选一多路开关 四选一多路开关 仪用放大器 控制端口用8031单片机的P1 0 P1 3 其输出控制代码NC与闭环增益A 的关系是 由P1 3控制使能端 P1 0 P1 2控制增益的放大倍数 当0 NC 8时 低8位时 P1 3 0 AD7503被选通 选通21 28的闭环增益 当8 NC 9时 高2位时 P1 3 1 AD7503被禁止 AD7510工作 选通29 210的闭环增益 使用AD612或AD614外接电阻替代RG实现多档增益程控仪用放大器 如下图所示 各档增益所需RG的阻值可用下式计算 其中A i为各档所需闭环增益 例3 多档程控仪用放大器 程控仪用放大器 在仪用放大器中 前级共模增益与电阻R1 R2 RG无关 因此可利用这一特点 通过改变R1 R2的阻值来改变整个放大器的闭环增益 可获得增益与控制代码成线性关系的程控仪用放大器 其原理图如下所示 例4 线性程控增益仪用放大器 分别以N个等值电阻R的串联网络代替电阻R1和R2 为保证电阻的对称性 二组n选1的多路开关受控于同一个控制信号 同步切换与二组串联电阻的串接端 若控制信号代码所选通的开关与此开关串接入反馈回路电阻R的个数相同 则此时的闭环增益为 图中R3 R4 R5 R6 显然通过选择R与RG R5和R3的比值 可以得到所需的线性增益 例如RG 2R R5 R3 则A 1 NC 在实际应用中 R1和R2的串联电阻网络和多路开关通常使用数字电位器来代替 其电路实现极为方便 下图给出了使用美国Xicor公司X9221双非易失性数控电位器实现的线性增益程控仪用放大器实例 数控电位器 0 NC 63 最小增益为1 最大增益为12 7 增益步进值为0 2 图中选用X9221 芯片 VH端和VL端电阻为40k 滑动端VW步进电阻差值为794 取RG 7 94k 则程控增益为 A 1 0 2NC 其中 NC为滑动端位置 放大器使用8031的P1 0口和P1 1口作为X9221的串行总线时钟和通信线 二 隔离放大器 1 隔离放大器的作用及使用场合 什么是隔离放大电器 隔离放大电器的输入 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 隔离放大电器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 能在噪声环境下以高阻抗 高共模抑制能力传送信号 隔离放大器的组成及表示符号如下图所示 放大器分为输入 A 和 B 二个独立供电回路 目前AD公司已生产出几种型号的隔离放大器 如277 284 286 289 290 292等 目前使用的隔离放大器主要有三种 光耦合式隔离放大器以光为耦合媒介 输入与输出在电气上完全隔离 通过光信号的传递 实现信号的传递 器件本身具有体积小 偏压系数低 漂移小 频带宽 漏电流极小 成本低等特点 有一些隔离放大器还提供了内置DC DC变换器 给使用者提供更大灵活性 因此被广泛应用在各种输入输出隔离电路中 其原理图如下 2 光耦合式隔离放大器 例如B B公司推出的ISO100 ISO300 3650 3652等就是这样一种小型的廉价光耦放大器 还有惠普公司的HCPL7800 7800A 7800B等 下面以3650为例介绍 3 变压器耦合式隔离放大器 其原理图如下 下面以AD202为例介绍 小结