第6章-信号放大技术-2014

第6章信号放大技术,本章目的：掌握有关干扰的一般常识；掌握差动放大器和仪用放大器的工作原理；掌握隔离放大器的工作原理。本章重点：干扰的一般概念；仪用放大器测量原理及应用本章难点：共模干扰抑制比，仪用放大器专用芯片使用,6.1信号的干扰与噪声,6.1.1基本概念1.干扰与噪声什么是噪声？什么是信噪比？有用信号功率PS与噪声功率PN之比，或有用信号电压US与噪声电压UN之比。S/N=10lg(PS/PN)=20lg(US/UN)（dB）测量中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。,2.噪声源及干扰源,(1)机械干扰,机械振动或冲击使电子元件发生震动，改变系统的电气参数而造成的影响。处理办法：选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。,橡胶海绵软垫,橡胶垫脚及弹簧,图两种减振方法a)用减振弹簧一橡胶垫脚(可移动方式)；b)用橡胶或海绵垫吸收振动能量(永久固定方式)；c)减振等效机械图,(2)湿度及化学干扰,用绝缘漆浸渍过的控制变压器,浸漆可防止水分进入线圈内部,湿度增加物体表面附着水膜渗入材料内部降低绝缘强度漏电、击穿和短路潮湿加速金属材料腐蚀原电池化学干扰高温潮湿使霉菌生长引起有机材料霉烂保护措施：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。,(3)热干扰,热量、温度波动、不均匀温度场对检测装置干扰体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）；接触热电势干扰；寿命和耐压等级降低。克服热干扰的防护措施：低温漂元件；软、硬件温度补偿措施；低功耗、低发热元件；仪器前置输入级远离发热元件；加强散热、采用热屏蔽等。,(4)固有噪声干扰,固有噪声：电路中，电子元件本身产生的具有随机性、宽频带的噪声。固有噪声源：电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。措施：选用低噪声元器件、减小流过器件的电流、减小电路的带宽等。,（5）电、磁噪声干扰,电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源。自然界干扰源：地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱30MHz以下，对检测系统的影响较大。人为干扰源：有意发射干扰源和无意发射干扰源。,电吹风机干扰电视机的演示,X光机产生大功率高频干扰,闪电产生电磁场干扰,雷达会产生大功率高频干扰,变电站会产生50Hz的高次谐波干扰,电吹风机干扰电视机的演示,两种途径：通过共用的电源插座；以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。,3.干扰的传导模式,串模干扰是指叠加在被测信号上的噪声电压,串模干扰:特点是干扰大小相等，极性相反。也称为差模干扰、常模干扰、横模干扰或对称干扰。,注意：在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小。,共模干扰是两个信号端相对参考点所共有的。被侧信号的参考地和检测系统的参考地之间往往存在一定的电位差，这种信号称为共模干扰。,共模干扰：特点是干扰大小相等、极性相同。来源：由电网串入、地电位差等形成。,图共模干扰典型例子,注意：此干扰在检测仪表的两个输入端子上同时出现，不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，会转化为差模干扰，对测量产生影响。,4.干扰噪声耦合方式,耦合是指信号由第一级向第二级传递的过程，一般不加注明时往往是指交流耦合。电容耦合：又称电场耦合或静电耦合，由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。属于场的形式的干扰,图两平行导线之间的电场耦合a)导线走向示意b)等效电路1导线1（干扰传输线）；2导线2（干扰接收电路）；3噪声源,互感耦合：又称磁场耦合。由于内部或外部空间电磁场感应耦合。属于场的形式的干扰,4对双绞扭线,措施：使信号线远离强电流干扰源；采用低频磁屏蔽；采用绞扭导线。,导线间分布互感,流过导线1电流,互感电压,导线1中电流与导线2交链磁通,其大小与干扰频率和互感量成正比,图磁场耦合干扰图a)热电偶引线与工频强电流输电线路互感耦合；b)等效电路,公共阻抗耦合：属于路的形式的干扰发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗。,负载电流,干扰压降,正确接线,图通过泄漏电阻引起的干扰,由泄漏电阻引起的干扰属于场的形式的干扰,6.1.2干扰与噪声的抑制技术,噪声传播三要素：干扰源，干扰传输通道和对干扰敏感的接收电路。消除或抑制干扰源：使产生干扰的电气设备远离检测装置；对继电器、接触器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关；切断干扰传递途径：变压器、光电耦合器等隔离；利用滤波、选频等将干扰信号转换；改变接地形式、消除共阻抗耦合干扰途径；削弱接收电路对干扰的敏感性：选频电路可以削弱对全频带噪声的敏感性；负反馈可以有效地削弱内部噪声源；采用绞线传输或差动输入电路等。,屏蔽的目的是隔断场的耦合，即抑制场的干扰。屏蔽的种类：静电屏蔽，电磁屏蔽，磁屏蔽。,1.静电屏蔽：防止静电耦合干扰。,原理：处于静电平衡状态下的导体内部各点为等电势，即导体内部无电力线。,静电屏蔽工业实现：1）用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中。2）工业现场（特别是自动化程度高的工业现场）采用许多种类的满足静电屏蔽要求的屏蔽电缆如图所示。,a)铜箔包覆的动力设备用电缆；b)测控系统用的信号电缆图工业现场的电缆举例,图b）的信号电缆外部用铜网包覆，对整个电缆提供静电屏蔽；每对绞扭的信号线用镀铝塑料膜包扎，提供第二层屏蔽。外层铜网附有一根裸线，用于与仪表机壳一起接地（注意：只准一端接地）；内层铝膜所附的裸线用于与测控电路的地相接。对于三运放结构的仪表放大器，接GUARD引脚。,2.电磁屏蔽：防止高频电磁场的干扰。,原理：高频电磁场在屏蔽层（导电良好）金属内部产生电涡流，电涡流产生的磁场抵消干扰磁场。,*电涡流效应,电涡流效应产生的电流强弱与激励源频率f、工件的电导率、磁导率、线圈距工件的距离等有关。,在电涡流效应中，当信号源频率为高频（100kHz左右）时，被测导体产生的电涡流在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,*集肤效应,集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,电涡流与集肤效应举例电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。,磁屏蔽：防止低频磁通干扰。磁场传播过程中，总是选择导磁性能好的材料（坡莫合金）作为自己的路径,据此可以对某些设备进行磁屏蔽。实际利用导磁性物质将磁场“锁”在一定范围。,低频磁场一般由马达、发电机、变压器等设备产生。,低频磁屏蔽工业实现：1）仪器的铁皮外壳就起到低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电磁屏蔽作用。2）在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、低饱和的铁磁材料，内层是高磁导率、高饱和铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。3）在工业中常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽的目的。,6.1.3接地技术,地：在一个电路或系统中用作电压参考的点或等位面,接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。它的接地电阻值必须小于规定的数值。图是电气设备接大地的示意图。,图单相三线交流配电接地保护原理图,1.”地”的种类信号地：指信号的大小及极性的参考电位。系统地：指系统中电流的公共回路和电压0位参考点。机壳地：是指机壳的电位值。大地：是指地球，也是绝对零位电位点。,对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”。,信号地线又可分为以下几种：模拟信号地线：是模拟信号的零信号电位公共线。因为模拟信号电压多数情况下均较弱，易受干扰，易形成级间不希望的反馈，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。数字信号地线：是数字信号的零电平公共线。由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜。,图数字电路对模拟电路的干扰a)错误的接法；b)正确的接法（模、数地线分开设置）,信号源地线传感器可看作是测量装置的信号源，可以认为传感器的地线就是信号源地线，它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。通常传感器所在的设备与控制室的仪表柜之间存在电位差，这是两处的电磁场环境不同造成的。在接线正确的情况下，1）仪表柜单独接地，传感器地线与设备机壳绝缘，传感器地线接到仪表，同时传感器信号电缆的屏蔽层接仪表机壳，经仪表机壳与仪表柜地线相连；2）传感器的信号线接隔离放大器，信号经隔离后再送给测量仪表。,负载地线负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。,2.接地方式,a)单点串联接地,几种典型信号电路接地：,缺点：每个电路输出信号都是相对于不同参考点的电压，干扰源很显著。使用注意：只要电路的供电电流不同，就不应使用这种接地方法。在任何情况下，较敏感的电路都应靠近公共参考点放置。,b)单点并联接地,c)多点并联接地,缺点：复杂的物理布局。优点：无干扰问题。使用范围：是低频接地的优选方法。,优点：较低的接地阻抗。使用范围：对于高频电路(10MHz)必须使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20。,d）混合接地,3.双绞线传输,一种：一根用做作屏蔽，另一根用做信号传输线；另一种：采用金属网状编织的屏蔽线，金属网做屏蔽层，芯线用于传输信号。一般的原则是：抑制静电感应采用金属网屏蔽线，抑制电磁感应干扰应采用双绞线。,双绞线对外部干扰的抑制：,外部干扰信号对扭绞双线回路的干扰,干扰信号源,干扰电流,外部干扰信号对未扭绞双线回路的干扰,干扰电流,干扰信号源,6.2仪用放大器和隔离放大器,6.2.1运算放大器应用基础1.集成运算放大器集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成。,左图所示为A741集成运算放大器的芯片实物外形图,从实物外形图上可看出，A741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：,空脚,正电源端,输出端,调零端,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,集成运放的电路图符号,外部接线图,（1）理想运算放大器的三个基本特性：输入的偏置电流为零；开环差动电压增益为无穷大；差动输入阻抗为无穷大。（2）理想运算放大器电路的两条设计定则：理想运算放大器两个输入端之间的电压为零(等电位点)；“虚短”理想运算放大器两个输入端都没有电流流入或流出。“虚断”,（3）技术指标,开环增益：在标准的电源电压和规定的负载电阻条件下，放大器开环时输出电压与输入电压之比。输入失调电压：输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，而施加在输入端的补偿电压叫输入失调电压。输入偏置电流：当输出电压为零时，流入放大器两个输入端的电流平均值即为输入偏置电流输入失调电流：是指在上述情况下二个输入端电流的差值。温度漂移：放大器的温漂主要由输入失调电压和输入失调电流引起，输入失调电压温漂是对集成运放电压漂移特性的度量输入失调电流温漂是对放大器电流漂移的度量。,最大差模输入电压：放大器的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。最大共模输入电压：超过值，将导致运放共模抑制比显著下降。差模输入电阻：运放开环时，两个输入端差模电压的变化量与由它所引起的电流变化量之比，称为差模输入电阻，其值一般在几十千欧到几十兆欧左右。开环输出电阻。运放开环时，其输出级输出电阻，表示运放的负载驱动能力。全功率带宽。在正弦电压作用下，如运放接成单位增益，且处于全功率输出状态，这是继续增加正弦电压频率，当输出信号失真到规定值时对应的正弦频率为全功率带度，用表示。,2.常用运算放大器,反向放大器,同向放大器,V+,V-,V-,V+,电流-电压变换器,加法器,差动放大器输入信号差模信号：大小相等、极性相反增益：共模信号：大小相等、极性相同增益：共模抑制比：差动放大器对差模信号的放大倍数与对共模信号的放大倍数之比,差模放大倍数共模放大倍数,3.电桥放大器,许多传感器都通过电桥的连接方式，将被测非电量转换为电压或电流信号输出，并用放大器进一步放大。,电桥电源接地式,结论：输出电压与电阻相对变化量成正比缺点：灵敏度与电桥桥臂电阻有关要求：共模抑制比高，否则共模输入电压会引起极大误差。,当时：,当时：,电桥电源浮地式,因为：,得到：,又因为：,当时：,6.2.2仪用放大器,对微弱信号及具有较大共膜干扰的场合，可采用测量放大器（或称为仪用放大器、数据放大器）进行放大。,1.仪用放大器基本结构,放大器由二级串联。前级：两个同向放大器，对称结构，输入信号加在此处，具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级：差动放大器，切断共模干扰的传输，将双端输入方式变换成单端输出方式，以适应对地负载的需要。,2020/5/30,对差模信号的放大倍数,测量放大器的放大倍数可用叠加定理计算：,2020/5/30,图差动放大器对共模信号的抑制原理图,对共模信号的放大倍数,思考题：请给出推导过程,2020/5/30,思考：1.外接电阻RG有什么作用：2.对前级两个差动放大器有什么要求？3.如何提高电路的抗共模干扰的能力？,2.集成仪用放大器,AD612和AD614测量放大器内部电路,2020/5/30,高精度薄膜电阻：采用激光自动修刻工艺制作，放大器增益精度高，最大误差不超过：1010-6/C。增益可控：非二进制增益：1、2端之间外接一电阻RG，增益为：Af=1+（80k）/RG二进制增益：当A1的1端与精密电阻网络2至12端不相连时：RG=，Af=1；当A1的1端与精密电阻网络3端相连时：RG断开，Af=1+（80k）/（80k）=21；当A1的1端与精密电阻网络4端相连时：RG=，Af=1+（80k）/（26.67k）=4=22；,电路特点：,结论：只要在(1)端和(3)(12)端之间加一个多路转换开关，用数码去控制开关的通与断，可方便地进行增益控制。,1.输入端的连接,三测量放大器的使用注意事项,图测量放大器输入端的正确连接,运放两个输入端都是有偏置电流,这些电流将对分布电容充电，造成输出电压不可控制的漂移或处于饱和.,2020/5/30,2.护卫(guard)端的连接,图电缆屏蔽层接地的影响,当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接到测量放大器的护卫端。如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，那么对交流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。分析原因：,Vcm,Vcm,2020/5/30,3.R端、S端的连接,图测量放大器的R端和S端,S端称为敏感(Sence)端，R端称为参考(Reference)端。一般情况下，R端接电源地，S端接输出端。,6.2.3隔离放大器,1隔离放大器的作用测量放大器只能承受有限的共模电压（通常15伏）。隔离放大器是一种能在其输入端与输出端之间提供电阻隔离的放大器。隔离放大电路的输入、输出与电源电路之间没有直接的电路连接，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,2.应用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，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,3.隔离放大器的工作原理,组成及符号,a)变压器耦合,隔离放大器按耦合方式的不同，可以分为变压器(载波调制放大器)耦合、光电耦合等。,变压器耦合器是由变压器和调制解调电路组成，以变压器方式进行耦合。,b)光电耦合,光电耦合器是由发光器件和光敏器件组成，以光-电方式进行耦合。由于电信号的传递是通过光束进行的，所以光电耦合器的输出端对输入端无反馈作用，处于隔离状态。,4.通用隔离放大电路AD277变压器耦合隔离放大器,隔离电源,振荡器,调制器,输入屏蔽,解调器,输出屏蔽,2,6,8,7,3,4,1,9,5,15V,15V,13,12,10,16,（U）,100k,100k,1M,14,11,15,（U）,-,+,+,N1,-,+,+,N2,信号传输通道,电源能量传送通道,外电源15V,将直流电压变为高频交流电压,作为调制器的载波信号,解调用基准信号,一对光电耦合器构成的隔离电路关键要保证发光二极管和光电三极管工作在线性区，使得光电耦合器的静态工作点选择极为重要。,下拉电阻：确定A2静态工作点和发光管的阴极电位。,使A1输出处在发光管线性工作区。,在光电耦合器和后级电路中起隔离作用,3650、3652线性光电耦合器,放大器A1,发光管CR1和光电管CR3构成负反馈回路：,光电管CR2和CR3是完全一致的，从CR1接收到的光量相同：,放大器A2与RK（内置电阻,）构成V/I转换器：,5.隔离放大器应用时的注意事项,*消除噪声调制解调过程会产生噪声，噪声也来自电源和被测对象。,*降低辐射变压器耦合隔离放大器本身构成一个电磁辐射源。如果周围其它的电路对电磁辐射敏感，就应设法予以屏蔽。,*线性光耦的死区线性光耦隔离放大器，发光管需要用电流来驱动。,6.3多级放大器级联及在微弱信号检测中的应用,1.人体心电信号简介,心电信号是一种较微弱的体表电信号,成年人的幅值约为0.54mV,频率在0.01-250Hz范围内，信号源内阻很大（两手臂间内阻约为600K）,P波：0.2mV；Q波：0.1mV；R波：0.51.5mV；S波：0.2mV；T波：0.10.5mV；P-R间期：0.120.2S；QRS间期：0.060.1s；S-T段：0.120.16s；P-R段：0.040.8s。,2.导联,1）.电极电极是摄取人体内各种生物电现象的金属导体，也称作导引电极。,电极包括：金属平板电极，吸附电极，圆盘电极，悬浮电极，软电极和干电极。,橡皮扣带尼龙丝扣带电极夹子,胸部常用电极,2）.导联将几个电极置于人体表