数据采集与处理技术4.ppt

1 教学内容 第4章测量放大器 2 3 1概述 3 2工作原理及主要技术指标 3 3多路开关集成芯片 3 4多路开关的电路特性 3 5多路开关的配置 第3单元模拟多路开关 上一单元主要内容 3 数据采集系统的结构形式 图1 1微型计算机数据采集系统 被测物理量 4 4 1概述 4 2测量放大器的电路原理 4 3测量放大器的主要技术指标 4 4测量放大器集成芯片 第4章测量放大器 本章教学内容 5 第4章测量放大器 4 1概述 6 4 1概述 了解放大器的类型 了解在数据采集中使用测量放大器的原因 本节教学目标 7 4 1概述 两种误解 1 凡是测量仪器中使用的放大器 就是测量放大器 2 测量放大器只应用在测量仪器中 测量放大器 InstrumentationAmplifiers 又称仪用放大器 仪表放大器 简称IA 8 4 1概述 测量放大器的应用非常广泛 除了数据采集和测量仪器领域外 在通信 生物医学工程 电子对抗 电子侦察 电子安防 自动控制 视听设备等多个方面都发挥着重要的作用 9 4 1概述 问题 在数据采集中 经常会遇到一些微弱的微伏级信号 热电偶的输出信号 需要用放大器加以放大 放大器类型 通用运算放大器 测量放大器 10 4 1概述 11 4 1概述 通用运算放大器 具有mV级失调电压 数 V 的温飘 不能用于放大微弱信号 特点 目前市场上的放大器有以下特点 测量放大器 12 4 1概述 测量放大器的输入阻抗都在109欧姆以上 输出阻抗通常只有几个毫欧 这是普通运放难以达到的 测量放大器的输出可以近似看作理想的单端信号源 通过两个对称 并且平衡的差分输入 使其对共模信号的抑制能力远高于通用运放 具有低温漂 低失调电压和高稳定增益等特点 在微弱信号检测系统中被广泛用于前置放大器 13 第4章测量放大器 4 2测量放大器的电路原理 14 4 2测量放大器的电路原理 了解测量放大器的电路原理 了解测量放大器使用中的两个指标 本节教学目标 15 4 2测量放大器的电路原理 有两级运放 第一级 两个同相放大器A1 A2输入阻抗高 第二级 普通差分放大器A3 Ui1 Ui2 UO U3 U4 图4 1测量放大器原理电路 16 使用测量放大器的两个指标 测量放大器的增益 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 4 2测量放大器的电路原理 17 4 2测量放大器的电路原理 抗共模干扰能力 对直流共模信号 其抑制比为无穷大 对交流共模信号 如图4 2所示 18 4 2测量放大器的电路原理 输入信号的共模分量传给屏蔽体 输入保护电路 Ui1 Ui2 UO 图4 2交流共模干扰影响及抑制方法 由于输入信号的传输线存在线阻Ri1 Ri2和分布电容C1 C2 Ri1C1 Ri2C2分别对地构成回路 当Ri1C1 Ri2C2时 交流共模信号在两运放输入端产生分压 所以 对输入信号产生干扰 抑制干扰措施 在其输入端接一个输入保护电路 当R1 R2 时 由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的 故C1 C2的分压作用不存在 从而降低共模干扰的影响 19 第4章测量放大器 4 3测量放大器的主要技术指标 20 4 3测量放大器的主要技术指标 了解测量放大器的主要技术指标 了解技术指标对使用的影响 本节教学目标 21 4 3测量放大器的主要技术指标 1 非线性度 非线性度 放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差 22 非线性度通常用满量程的百分比表示 精密测量放大器的非线性度典型值为0 01 特殊放大器的非线性度可达0 0001 4 3测量放大器的主要技术指标 非线性度是由芯片内部缺陷造成的 无法通过外部补偿措施予以消除 23 非线性度与增益有关 且对数据采集精度影响很大 4 3测量放大器的主要技术指标 12位A D转换器 增益为1 非线性偏差为 0 025 增益为500 非线性偏差为 0 1 结果 相当于把12位A D转换器变成10位以下的转换器 结论 一定要选择非线性度偏差小于0 024 的放大器 24 4 3测量放大器的主要技术指标 2 温漂 温漂 测量放大器输出电压随温度变化的程度 25 4 3测量放大器的主要技术指标 例如 一个温漂2 V 的测量放大器 当增益为1000时 测量放大器的输出电压产生约20mV的变化 这个数字相当于12位A D转换器在满量程为10V的8个LSB值 应尽量选择温漂小的测量放大器 26 4 3测量放大器的主要技术指标 3 建立时间 建立时间 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误差范围内所需的时间 27 t U t U 驱动信号 建立时间 上偏差 下偏差 当增益 200时 为达到误差范围 0 01 往往要求建立时间为50 s 100 s 4 3测量放大器的主要技术指标 28 4 3测量放大器的主要技术指标 4 恢复时间 恢复时间 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需的时间 29 4 3测量放大器的主要技术指标 5 失调电压 失调电压 对于理想放大器 输入为零时 输出也为零 但在实际的放大器中 输入为零时 输出不为零 为使放大器输出为零 输入端所加的补偿电压称为输入失调电压 通常在几十微伏 30 4 3测量放大器的主要技术指标 6 电源引起的失调 电源引起的失调 电源电压每变化1 引起放大器的漂移电压值 31 4 3测量放大器的主要技术指标 7 共模抑制比 CMRR 如果测量系统两个差分输入端同时输入一个共模信号Vci 在输出端得到一个输出Vco 因为输入的Vci只有转换成差模信号后 才会有输出信号 假设Vci中有一部分转换成了差模输入Vdi 此时第一种CMRR定义为 共模信号只有转换成差模信号后 才能对测量结果造成影响 关于CMRR有多种不同的定义方式 32 4 3测量放大器的主要技术指标 定义 VCO是Vdi在测量系统产生的输出 若测量系统的差模增益为Gd 则 CMRR1 评价系统输入端抑制 共模信号转换成差模信号的能力 33 4 3测量放大器的主要技术指标 定义 Gc VCO Vci 为系统的共模增益 则有 即共模抑制比是放大器的差模增益与共模增益的比值 34 4 3测量放大器的主要技术指标 CMRR第二种定义 如果测量系统的两个差分输入端同时输入一个共模信号Vci 在输出端得到一个输出Vco 可以得出 35 4 3测量放大器的主要技术指标 共模抑制比用对数表示时 36 第4章测量放大器 4 4测量放大器集成芯片 37 4 4测量放大器集成芯片 了解测量放大器集成芯片的外形构造 了解测量放大器集成芯片的使用调整 本节教学目标 38 4 4测量放大器集成芯片 1 AD521 AD521是集成测量放大器 采用14脚双列直插式封装 图4 3AD521引脚功能 39 4 4测量放大器集成芯片 引脚4 6用于调整放大器零点 将4 6端接到10K 电位器的两个固定端 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 IN IN 10K U UOUT 100K U 图4 4AD521基本连接方法 电位器滑动端接负电源U 脚5 引脚10 13用于外接电阻RS 用于对放大倍数进行微调 当RS 100k 15 时 可以得到比较稳定的放大倍数 40 4 4测量放大器集成芯片 测量放大器的放大倍数按如下公式计算 其放大倍数可在