测控电路第2章(2012.09).ppt

1、测控电路,电气与信息工程学院本科生课程,授课单位：湖南大学电气与信息工程学院 授 课 人：朱志杰,电气与信息工程学院本科生课程,第二章 信号放大电路,第一节 测量放大电路,放大传感器输出信号的放大电路称为测量放大电路，又称为仪器放大电路。,一、定义,二、基本要求,电气与信息工程学院本科生课程,1) 阻抗匹配（传感器输出与放大电路的输入之 间须考虑其阻抗匹配）,2) 稳定的放大级数,3) 低噪声,4) 低的输入失调电压、电流；低的漂移（注意二者之间的概念）,5) 足够的带宽与转换速率（无畸变地放大瞬态信号）,电气与信息工程学院本科生课程,6) 高共模输入范围（如几百伏），高共模抑制比,7) 可调

2、的闭环增益,8) 线性好、精度高,9) 成本低,三、稳零放大电路,目的：适应微弱信号的获取（信号幅值与失调电压、噪声相当）。,电气与信息工程学院本科生课程,a失调电压、电流 放大器自身缺陷 b漂移,电气与信息工程学院本科生课程,原理：利用同步调制-解调，并由隔直电容隔离失调和低频干扰电压来实现自动稳零。,（一）斩波稳零放大电路,调制器,隔直 电容,交流 放大器,解调器,方波 发生器,隔直电容,电气与信息工程学院本科生课程,过程：,.将输入直流或缓慢变化的信号Vi变成交流（即调制后的信号）。,.利用交流放大器放大调制后的信号，放大倍数可设置。,.将交流放大器的输出再还原成直流。,电气与信息工程学

3、院本科生课程,.调制：用斩波的方法将直流信号变成交流信号，交流电的频率取决斩波的频率。,措施：,.解调：用低通滤波器将交流输出信号还原成直流信号。,电气与信息工程学院本科生课程,典型斩波稳零放大电路 ：,电气与信息工程学院本科生课程,其中S1,S2:分别为模拟开关，很少为机械开关，一般为电子开关。动作相反，投切频率由驱动电路确定，至少保证与信号频率之间的关系不小于10：1。 N：主放大器。 A：交流信号放大器，要求频率宽，适应方波要求。 C3：Vi中的交流成分经过C3与R3组成的高通滤波器（实际上是微分电路）直接由N放大，隔开Vi中的直流成分。 R1,C1组成低通滤波器，滤除高频信号。,电气与

4、信息工程学院本科生课程,电压波形图,电气与信息工程学院本科生课程,电工知识复习：,1）开关原理.即电容两端的电压不能突变。,C,Vc(O-)=Vc(O+),2) RC电路充电过程：,满足回路电压规律E=VR+VC(每时每刻都须满足),电气与信息工程学院本科生课程,满足瞬间,电压不能突变,但电流可突变,随着时间推移，,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,3) RC电路放电过程：,当电容上充满电荷后，将输入置为零,所以起始电流,电气与信息工程学院本科生课程,放电 结束时,时间常数,电气与信息工程学院本科生课程,小结：,（1）RC电路中的电容的充

5、放电都有一过渡过程，其各点电压和电流从初始值至终了值之间按指数规律变化。,（2）过渡过程长短仅与时间常数有关，与电源电压（0.1E-0.9E）无关（工程上的3RC作为充放电时间）。,（3）在充放电过渡过程结束时，流过电容支路的电流等于0，电容相当于“开路”。,电气与信息工程学院本科生课程,（4）电容上电压不能跳变，,充电时间为,花的时间，,认为过渡过程结束。放电时间从E放到0.1E花的时间，,，,即可，也可用,电气与信息工程学院本科生课程,典型斩波稳零放大电路 ：,电气与信息工程学院本科生课程,其中S1,S2:分别为模拟开关，很少为机械开关，一般为电子开关。动作相反，投切频率由驱动电路确定，至

6、少保证与信号频率之间的关系不小于10：1。 N：主放大器。 A：交流信号放大器，要求频率宽，适应方波要求。 C3：Vi中的交流成分经过C3与R3组成的高通滤波器（实际上是微分电路）直接由N放大，隔开Vi中的直流成分。 R1,C1组成低通滤波器，滤除高频信号。,电气与信息工程学院本科生课程,讨论：,N的输入失调电压,对输出,的影响,设：,开路 调制、解调和交流放大器A的总放大倍数为,N的开环放大倍数为,正确理解 “负号”含义： 是由斩波开关决定，使得交流放大器的输出部分仅保留“负”半周部分。,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,基本思想必须明

7、确，为了减少,的影响，须,在运算器N的同相输入端得到一个与,有关的,且反相的信号，使之减少,的作用，中间过程,的值是可人为设置的，一般,课本中A为同相放大器，不能拘泥于一个运算器， 若采用反相放大器，只需注意 与 同步即可实现本 电路思想。,电气与信息工程学院本科生课程,失调电压及温漂至少减少个13数量级。,能在很宽的频率范围内放大微弱的电压 信号。,斩波频率可达100kHZ。,效 果： 低漂移高精度,不足之处,电路内部有高、低通滤波器，电容量 较大，难以集成在同一芯片上。,单端输入无共模抑制能力。,放大电路的频率特性受模拟开关的频率 特性所限制。,电气与信息工程学院本科生课程,（二） 自动调

8、零（动态校零放大电路）,知识要点： 基本思想 简图 工作过程（两个阶段） 该放大电路输出表达式,电气与信息工程学院本科生课程,基本思想：,将放大器的失调电压反相记忆在 记忆电容上，然后将它回送到放大 器的输入端，以抵消放大器自身的 失调电压。,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,自动调零放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,b) 误差保持 c)调零放大输出,电气与信息工程学院本科生课程,其中，N1：主放大器，N2：误差反馈及保持。电路在一定频率的方波信号控制下分两个阶段工作：第一阶段为放大器的误差检测与寄存，第二阶段为校零与放大。,第一阶段： 接地， 接通， 断开。

9、无输出， 无输入信号，只存在失调电压 的作用， 其输出为 ，再经 放大后由电容 保持，设 的失调输入电压为 ， 上寄存电压为：,电气与信息工程学院本科生课程,（a）,（b）,，将（b）代入（a）得：,令,从N2输出看（线性叠加观点，其开环放大倍数为k2 ）,从N1输出看（线性叠加观点）,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,第二阶段： 开关 与信号 接通，开关 断开， 开关 接通， 有输出。电路进入信号放 大状态，其等效图见图C）。,电气与信息工程学院本科生课程,用信号叠加的观点，分析可得 ：,电气与信息工程学院本科生课程,可将 忽略不计的理由是： 运放器的输入失调 电压

10、为微伏至毫伏级范围值。,注意： 表达式仅在开关状态为第二阶段 时成立，第一阶段的输出值为零。若将第一阶段、 第二阶段综合考虑, 则输出值应为平均值：,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,分别为电子开关，其开或关状态完全取决于其控制端为高电平或低电平。 组成一典型的方波发生器， 为反相器。 共同作用在电子开关的控制端，实现其电子开关的状态控制。开关 分别由CD4066实现，控制CD4066分别 由承担实现。,注意： 在 输出端还需接一 值很大的积分器，实现将输出的方波变成较平滑的直流波输出。一般采用同相跟随器与一电容组成。,电气与信息工程学院本科生课程,(三) 低漂移集成

11、运放器（第四代运算放大器）,）机械斩波式，自动调零式的输出形式均为半周期有输出，另外半周期输出为零。（由分立元件组合合成的结构）。,）上述方案的不足之处可采用CAZ轮换自动校零方法解决。结构上是集成电路结构。,基本思想：,两只运放轮流承担输出，在不承担输出的运放上采集自身的失调电压存储在电容上。在该运放承担输出任务时，将信号与上半周存储的 共同作用，抵消承担输出功能时运放的失调输入电压的作用。,电气与信息工程学院本科生课程,）上述方案均仅能输入单端信号，不能实现双端信号的放大与处理。 第四代运放器: 美国型号：ICL7650, 国产型号：CF7650,5G7650,特点：,高增益，120-14

12、0dB 失调电压影响小，0.7 高共模抑制比，130dB 高输入电阻，高共模抑制比，适于作差动放大。,电气与信息工程学院本科生课程,外部接线如右图：,C1和C2分别为平衡补偿电容，取值为0.1us,C2,C1,电气与信息工程学院本科生课程,内部原理图：,电气与信息工程学院本科生课程,分别为模拟开关，由内部或外部 时钟驱动,设计制作特点：,并不大，,，但,不是一,定是,当时钟为高电平时， 闭合， 断开， 为误差检测与寄存阶段。 的两信号输入端被短接，仅有失调电压 和共模信号 作用并输出 。由电容 寄存，同时反馈到 的侧向输入端 ,则有：,电气与信息工程学院本科生课程,输入的共模量，在此即为,两信

13、号绝对,公共端的电压值。,的开环放大倍数,的开环共模放大倍数,电气与信息工程学院本科生课程,的侧向端,输入时的放大倍数,当时钟为低电平时， 断开， 闭合，为校零和放大阶段。输入信号同时作用在的输入端 ， 除输入 以及 外，在侧向端还作用着 ，所以此时的输出为：,电气与信息工程学院本科生课程,由此可见， 的失调电压 和共模电压 在时钟的另半周期全部被消除，达到稳零目的。 的输出通过开关 由电容 寄存，同时还输入到 的 端进行放大。 注意：由于 的作用寄存了 ，即使在 状态， 仍保持着前半周的值，故 的输出值一直是连续的，不是半周期的。,电气与信息工程学院本科生课程,运放 的输出为：,的开环放大倍

14、数与开环共模放大倍数,为侧向端 输入时的放大倍数,将 代入，得到,电气与信息工程学院本科生课程,式中 为整个放大器的开环放大倍数,设计 ，显然,电路增益：为 ，开环放大倍数大幅度提高，可达140160dB, 为误差项，它由输入失调电压与共模失调电压两部分组成。,电气与信息工程学院本科生课程,输入失调电压： 相当于整个集成运放器的失调电压 缩小了 倍。,高的共模抑制比:,由 ，可知一个放大器的输出由差动输出、共模输出、失调电压共同组成。,由于,电气与信息工程学院本科生课程,可见整个共模抑制比 比 提高了 倍。,即整个集成运放的共模抑制比为:,电气与信息工程学院本科生课程,四、高输入阻抗放大电路,

15、明确阻抗（针对交流信号而言，并不是指输入电阻）,目的：放大器与传感器的阻抗匹配,背景：某些传感器（如电容式、压电式）的输出阻抗很高，达 。,电气与信息工程学院本科生课程,措施：,直接采用高输入阻抗的集成运放器。输入阻抗最高的为MOS-FET,次之FET.,采用相关普通运放精心设计电路达到目的。一般运放，开环状态而言，输入阻抗都较高。,电气与信息工程学院本科生课程,（一）、自举式高输入阻抗放大电路,利用反馈使 的下端电位提到与输入端等电位，来减少向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路称为“自举电路”。,不接入时，由于运放器自身的开环输入阻抗 较高，则总电路的输入阻抗 ，由于 ，一旦接入 与

16、串联后，接在运算放大器的两输入端。,电气与信息工程学院本科生课程,由于“虚短”的概念， 两端对交流而言呈零电压，意味着 两端没有交流电流。故 可视为无穷大，即 。,电气与信息工程学院本科生课程,（二）、自举组合电路,无论对交流信号或直流信号均有较高的输入阻抗,电气与信息工程学院本科生课程,其中： 均为理想运放器,：,（1）,（2）,将（1）代入（2）得,从（1）得,电气与信息工程学院本科生课程,即 上的电流 完全由 电路的电流 提供，放大器输入回路不向信号源索取任何电流。输入回路无电流，即 ，输入阻抗为无穷大。实际上 是不可能的，即工工艺上,电气与信息工程学院本科生课程,还有偏差。 。当然放大

17、器是理想的才有上述结果，即开环增益也不可能为无穷大 ， 也 不可能为无穷大。,切记： 并非放大器输入阻抗越高越好，输入阻抗高，噪声就会增大。目的是：传感器输入阻抗与放大器输入阻抗匹配即为最理想，使测量放大电路的信噪比达到最大值。 切不能大于 ，否则 呈现负值，意味着放大器会严重自激。,电气与信息工程学院本科生课程,五 高共模抑制比放大电路,传感器的输出信号伴有较大的共模电压（包含干扰电压），放大电路中就会出现共模误差。为了克服共模误差，采用差动输入集成运放器来抑制它，但是克服它是有条件的：,差动输入集成运放的外接电阻完全平衡对称。,运放器具有理想特性（即共模抑制比为 ）。,电气与信息工程学院本

18、科生课程,，一般的单个集成运放的共模抑制比为80dB.为了获得更高的共模抑制比，可采用多个集成运放器组成测量放大电路，共模抑制比可达100dB120dB。,共模抑制比的定义：,电气与信息工程学院本科生课程,授课思路：,从共模抑制比的定义出发 ，当整理出 。 时想法表现成 的形式。从 将分别与发生关联， ，再将 与 关联的表达式直接代入（2-11） 式中，再整理即可。,电气与信息工程学院本科生课程,得出 的表达式后，整其为0，得出相关条件，达到此条件即实现 。,（一）、双运放高共模抑制比放大电路,特点：,可做成高共模抑制比,仍然是低输入阻抗,电气与信息工程学院本科生课程,1）反相串联结构型,双运

19、放高共模抑制比反相串联结构型放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,(2-11),当 时,对于共模部分，即有,电气与信息工程学院本科生课程,由,得出,两边同除以,后，变形得出下式：,可见，这种电路的共模抑制比仅与外接电阻的对称精度有关，为使负载 相 同，选取,。此种电路的缺点是：反相输,电气与信息工程学院本科生课程,入放大器输入电阻较低。,2）同相串联结构,电气与信息工程学院本科生课程,特点：,1）高共模抑制比,2）高输入阻抗（利用同相放大器 ）,电气与信息工程学院本科生课程,由于 输入端虚断概念，流经 的电流与流经 的电流相等 。,又由于 输入端两端电位相等，,得,，整理得,（2-12）,电

20、气与信息工程学院本科生课程,由输入共模电压 及输入差模电压 整理,（1）,（2）,（1）+（2）得,（3）,电气与信息工程学院本科生课程,（1）-（2）得,（4）,将（3），（4）分别代入（2-12）式中，得出：,（2-13）,为了获得零共模增益，,电气与信息工程学院本科生课程,即：,，则有：,则,结论：,此种电路有较高的共模抑制比,采用同相输入有较高的输入电阻,电气与信息工程学院本科生课程,（二）、三运放高共模抑制比放大电路（广泛使用， 经典电路）,性能一致（输入阻抗，共模抑制比，增益） 接成平衡对称差动放大器,高共模抑制比运放器,电气与信息工程学院本科生课程,三运放高共模抑制比放大电路,电

21、气与信息工程学院本科生课程,：接成双端输入，单端输出的输出级， 适应接地负载的要求 。,（1）,（2）,（3）,电气与信息工程学院本科生课程,（1）=（2），得出 的表达式,（3）=（2），得出 的表达式,（4）,（5）,电气与信息工程学院本科生课程,而将（5）-（4）整理：,（6）,另外： 的表达式也可从线性叠加的观点得出。,其差模增益,电气与信息工程学院本科生课程,现在再分析 与 组成的放大器。,考虑到运放器的虚断概念，即有,以及,即：,（1）,（2）,电气与信息工程学院本科生课程,若,则,（3）,再将 代入得出：,电气与信息工程学院本科生课程,若 ，则有：,电气与信息工程学院本科生课程,

22、输入级的差动输出,差模增益,共模输出,失调及漂移,均在 两端相互抵消。,仅与差模输入电压有关，,故是有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。,电路特点： 性能一致时，,电气与信息工程学院本科生课程,通常取 ，以消除 偏置电流的影响。,调节 的大小，可改变增益而不影响电路的对称性。,输入部分,对于共模部分,故,且 的共模抑制比高，则整个电路共 模抑制比就会相当大。,电气与信息工程学院本科生课程,六、电桥放大电路 电桥常应用于电参量传感器，特别是电参量是电阻的传感器。,y 电参量，如电阻值、电容值、 电感值,x 待测量,最常见的传感器： 电阻应变式、电容式、电感式等,电气与信息工程学院本科生课

23、程,电桥放大电路重点掌握内容：,1）电桥结构、原理。 2）单臂、半桥差动、全桥差动输出表达式。 3）分别将单臂、半桥差动、全桥差动输出各 种形式与单端输入放大器，差动放大器及电 桥放大电路结合，得出相应表达式。,电气与信息工程学院本科生课程,1、电桥结构与原理,通式：,= =,当 =0, 电桥平衡，即电桥平衡的条件为：,电桥放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,2、分别就单臂、半桥、全桥得出相应的表达式（设纯电阻电桥）,单臂：,其它,电气与信息工程学院本科生课程,半桥：,全桥：,电气与信息工程学院本科生课程,3、放大器为单端输入情况,a)同相放大器：,电气与信息工程学院本科生课程,注意：电桥

24、的电源是悬浮的，而b点的电位与放大器的参考点相连.,单臂：,半桥：,全桥：,电气与信息工程学院本科生课程,b)反相放大器,电气与信息工程学院本科生课程,分别就三种情况，可解,单臂：,半桥：,全桥：,电气与信息工程学院本科生课程,4、放大器为差动输入情况,（1）减法电路（传统电路）：,电气与信息工程学院本科生课程,由桥式电路知,单臂：,半桥：,全桥：,电气与信息工程学院本科生课程,注意：,a) U的公共端与放大器的公共端相连。,b) 放大器的输入共模电压的承受能力。,理论上可用，但由于减法电路的输入阻抗低，影响桥的输出，故一般不选用，尽量采用高输入 阻抗的差动放大电路。,（2）三运放高共模抑制比

25、的放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,5、电桥放大电路,a)惠氏顿单臂电桥双端信号输出,电气与信息工程学院本科生课程,又因为,电气与信息工程学院本科生课程,即有,电气与信息工程学院本科生课程,只有当 1时，R R1 ，近似与 呈线性 关系,电气与信息工程学院本科生课程,b）单臂线性电桥放大器,单臂电桥，在前面两种形式：单端输入、差动输入的放大电路中，U0与 都呈非线性关系，为了得到线性关系，可采用将变动臂放入反馈回路中。 如下图所示的线性电桥放大器,电气与信息工程学院本科生课程,条件：,（1）,推导过程如下：,结论与条件如下：,电气与信息工程学院本科生课程,R1、R3组成U 的回路，即 ：

26、,（2）,将（2）代入（1），,电气与信息工程学院本科生课程,当 时，,（3）,得出输出呈线性表达 ，且这种电路量程较大，提高灵敏度可采用增大U ，但须注意不能超过运放器允许的共模电压范围。,电气与信息工程学院本科生课程,C)惠氏顿全桥差动电桥放大电路（补充自学）,电气与信息工程学院本科生课程,思路： Ua (U, U0) 发生关联，由Ua=Ub,得出U0的表达式,关联的途径由节点电流定律入手，即,电气与信息工程学院本科生课程,（1）,电气与信息工程学院本科生课程,由 ，求Ub的表达式,，视第一项Ub的系数为“0”，则有,电气与信息工程学院本科生课程,即有,（2）,电气与信息工程学院本科生课程

27、,由 ，即（1）=（2）,由于 1, 1,电气与信息工程学院本科生课程,最终得出,电气与信息工程学院本科生课程,第二节 增益调整与切换以及线性化电路,一、几种典型的放大电路及输入输出响应表达式,a)反相放大器 b)同相放大器,电气与信息工程学院本科生课程,c) 两运放高共模抑制比放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,d) 三运放高共模抑制比放大电路,电气与信息工程学院本科生课程,对于反相放大器：,条件是：,对于同相放大器：,对于c)图:,电气与信息工程学院本科生课程,对于三运放高共模抑制比放大电路d)图:,若,，则有,若,则有,电气与信息工程学院本科生课程,二、增益调整电路（含手动和自动）,

28、（一）手动增益调整电路,图2-25 手动增益调整电路,电气与信息工程学院本科生课程,要求4只R2精确匹配 2只R1也精确匹配,由于, 将(2)-(1)解得,（1） （2）,电气与信息工程学院本科生课程,手动调节,可以改变增益，由于,处于增益表达式的分母，,呈非线性函数关系，,调整范围小于10%时，,可用此电路。,实用中，一般采用三运放高共模抑制比电路。,电气与信息工程学院本科生课程,（二） 自动增益调整电路,输入-输出表达式：,电气与信息工程学院本科生课程,利用虚断和虚短的概念，列节点方程：,得,将（1）式中的,表达式代入（2）式中，得出,（1） （2）,电气与信息工程学院本科生课程,自动增益

29、切换基本电路,电气与信息工程学院本科生课程,在图中：V场效应管，,控制信号为“0”时，V导通，漏,最小，,漏极电阻,当控制信号为“1”时，,V截止，源漏极电阻,最,大。,电气与信息工程学院本科生课程,在图中：V场效应管，,控制信号为“0”时，V导通，漏,最小，,漏极电阻,当控制信号为“1”时，,V截止，源漏极电阻,最,大。,分两种情况：K断开，相当于课本图220中的（2）图，,控制电,平为负电压，,截止，,此时,K闭合，相当于控制信号为高电压，,一端接地，,另一端通过,点与,相连，由于虚短的概念，,另一端接,相当于,，,即等,效接地，即,。,从电流流向看，,电气与信息工程学院本科生课程,电气与

30、信息工程学院本科生课程,三、可编程增益放大电路（重点LH0084，其余以自学为主）,放大电路的增益近似数字逻辑电路由确定的程序控制，这样,的电路称为可编程增益放大,电路，亦称程控增益电路，简称,PGA。,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,电气与信息工程学院本科生课程,第三节 隔离放大电路,特点： 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接地端。,输入输出隔离,信号的转换媒介有： A 光 ; B 电磁 ; C 超声波 ; D 无线电波,隔离放大电路中采用的隔离方式主要为：光与电磁耦合,技术成熟 载波带宽较窄1KHz 载波调制 体积大 电磁耦合的优点 缺点 共模抑制比高 工艺复杂，成本高 隔离性较好 使用不方便,电气与信息工程学院本科生课程,光隔离的特点：,结构简单 成本低 器件重量小 体积小 转换速度快 工作带宽较宽 TTL兼容,一.基本原理,隔离放大器的基本组成以及符号，,电气与信息工程学院本科生课程,图2-28 隔离放大电路的基本组成及符号,隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等 组成。Riso隔离电阻 Ciso隔离