温度测量系统的前向通道设计

1、温度测量系统的前向通道设计摘要: 将温度变化通过电桥一边上热敏电阻的阻值变化为一微小的电压变化，通过由OP-07（实际用LM324）构成的差分放大器放大到5V5V电压范围，之后经电平抬高电路将信号变为010V的电压范围来匹配之后可能会使用的通用ADC的输入范围。关键字：测量放大器温度测量一、 设计要求设计一个温度测量系统的前向通道（参考框图见图1）。测温传感器用正温度系数的热敏电阻RT(绝对温度T=300K时，RT为200k ),当温度变化引起RT相对于R2阻值变化±1，代表温度变化范围为：225KT375K。要求设计一个测量放大器，要求如下：a) 1）RT相对于R2阻值变化

2、7;1,输出电压010V。b) 2）在输入共模电压+7.5V7.5V范围内，放大器的CMRR105。c) 3）测量放大器的差模输入电阻2M（可不测试，由电路设计予以保证）。d) 4）放大器的通频带为0100Hz。e) 5）设计并制作一个信号变换电路，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。R1R1R2RT基准电源7.5VVi+Vi=测量放大器极性转换 电路VoR1R2=200KVREF5V5V信号变换 电路Vo函数发生器Vi 信号变换电路 测量放大器二、 设计思路由，而温度变化在225KT375K中可以求得的变化范围在1

3、98k202k之间变化，根据电桥上电阻的分压可以求得输入电压的变化范围在-18.8mV18.7mV，根据测量放大器输出指标信号放大到-5V5V,所以放大器增益约为278。因为为一个毫伏级信号，所以为了能够正确的将信号输入和放大，所以用差动输入来抑制相对输入信号而言比较大的共模信号的干扰。极性转换电路采用简单的反相相加器来实现，即将-5V5V的测量放大器的输出电压和一个5V的基准电压相加后经过一个增益为1的反相放大器后即可得一个010V输出电压。对于电桥的7.5V的基准电源和极性转换电路中5V的基准电压的，都采用了运方和稳压管构成的基准电压源。而信号变换电路则采用了简单的跟随器和增益为1的反相放

4、大器构成三、 设计电路分析1 测量放大器1）基本原理由于对于小信号经行采集所以需要用差动输入，所以选用了3个运算放大器构成的差动放大器，原理电路图如下：由于任何形式的信号都可分解为一对差模信号和共模信号相加之和，所以为了原理推导的简便，在输入端直接加入了一对差模信号和共模信号，输入信号的信号源等效模型如上图，数学表达式如下：为差模信号， 为共模信号。根据运算放大器的虚短、虚断的概念可得方程：为图中节点2的电压、为图中节点1的电压，为上流过的电流。解上述联立方程得：， 为第一级的增益。由、表达式可知，第一级对输入的差模信号进行了增益为的放大，而对共模信号并没有增益。第二级为减法器，即，为第二级增

5、益。带入、得：整个测量放大器的总增益：由输出电压的表达式可见，测量放大器的输出只含有输入信号的差模分量，而完全抑制了共模分量，就理想化而言改电路可以提取出被共模噪声淹没的微弱差模信号并予以放大。2）由器件不理想所造成的误差分析上述理论分析所得出：最终输出是只有差模分量而不存在共模分量，即共模抑制比为是基于运算放大器是理想的，即输入阻抗为无穷大，输入电流为0，开环增益无穷大，且配置的器件完全理想化所得出的结论。然而实际供选用的器件LM324为通用放大器，对于测量放大器的指标要求，LM324不能作为理想运方来逼近，所以这里从运方本身的不理想和电阻的所引入电路不平衡两个角度来分析可能造成的共模误差和

6、增益误差。为了分析的简便在分析其中任一一个误差引起原因时，设其余的各个因素均为理想，即不引入误差。a) 由减法器电阻不平衡引起的共模误差前述推导设减法器中运算放大器正、负端所接电阻均相等，现考虑电阻不对称所入的误差，分析电路如下图：输入信号，即为前级输出采用叠加法分析：当输入，接地时，由运方特性可得：当输入，接地时，由运方特性可得：输出将 代入上式，得, 由上式可见，输出信号中由于，和的不相等引入了共模干扰分量。，由于测量放大器第二级的增益要求，所以（0.1倍以下），这样由和的阻值不平衡所引起的误差便忽略，即认为，简化上式，并带入值，得：为和的差值，即电阻的偏离值，是电阻的相对误差率，对于所选

7、用电阻而言其最大值为一给定值，如金环误差为5。若选金环误差电阻，且共模输入7.5V，则最差情况下7.5*5%=0.375V（此处最差情况为一个电阻偏移5，而非两个电阻各偏5的极端情况）。用由上述分析可知，电阻的精度对共模分量的输出即测量电路的共模抑制比有着一定的影响，所以在不能够选用高精度的电阻时，必须要对电路的平衡性作出一定的调整。b) 由运方参量不理想引起的误差由于是测量放大器所以应该选用高输入阻抗及高共模抑制比的运算放大器，而用通用放大器来代替可能会引起一定的误差。考虑输入电阻Ri，开环增益，而其余元件均为理想的情况下，电路的输出，此时运算放大器的分析模型如下图：对图中节点1、2，即运算

8、放大器的和列节点方程：，分别为图中电阻的倒数（电导）解上述联立方程组，得：由上式可知对若考虑了运算放大器的输入阻抗和开环增益，则放大增益会减小。若认为为量级，而为量级，则对于选择在的和而言增益的影响不大但若要实现100倍以上高增益的放大时，即选的比较大时，这类影响即比较显著了。上述两点误差分析都是针对测量放大器后级电阻而言的，因为要满足放大增益的指标，要比其余电阻大一个数量级，所以其精度以及选取值的范围就需要考虑了。3）测量放大器的增益分配根据上面的分析得知，的测量放大器中第二级的增益不易太大。对于第一级的放大而言，其输出的信号中依然携带着共模信号的分量，共模分量并没有被抑制，所以若要使得测量

9、放大器有一个比较大的共模的输入范围，则第一级的放大倍数也不易太大（实际中，共模输入范围是由LM324供电电压来决定的，因为要求7.5V的共模输入，其实对这一级的放大增益并没有什么太大的要求）。所以将总增益比较平均的分配给两级，第二级为20，而第一级则用可变电阻控制在1020左右，来测量放大器总的增益指标。2极性转换电路因为要将测量放大器的输出双极性的信号，转变成通用ADC输入信号的范围，所以经行信号的极性变换，即将5V5V的双极性信号变换称为010V的单极性信号，也就是完成一个电平的抬高。采用一个反相的加法器来实现，即将测量放大器的输出和一个稳压5V加到反相加法器的入端，设置反相加法器的增益为

10、1这样实现了信号极性的转换。电路图如下输入端为测量放大器的输出。电路中通过滑动变阻其来校准输出的5V的电压，从而达到准确的极性转换。2 信号变换电路和7.5V稳压电路因为并没有直接采用热敏电阻作为温度采集，所以对于频响、增益、共模抑制比的测定需要用到一组同频反相的输入小信号，所以对于信号源输入的交流信号左一定的信号变换来得到这样一组输入信号。实现电路则是采用了简单的设计跟随电路和一个增益为1的反相放大器来实现（若是只用信号源输入，则不必加射随器，但考虑到也许会接在其余输入源上，所以附加了信号隔离）。7.5V稳压电路依然采用运方和稳压管构成的基准电压电路。实现的电路如上图，从图中可以看到，7.5

11、V的基准电源被接到了信号变换电路的共端，即信号是浮地输入的。因为考虑到测量时需要测量共模抑制比，所以希望能够输入一对共模和差模信号，也能够明显地观测到测量放大器对与输入共模地抑制。变换后的输入等效电源如左图5总体电路图图中测量放大器和电桥连接在一起，而没有和测试信号电路直接相连。四、 指标测试结果稳压电路校准：1）5V稳压调整：断开测量放大器到极性转换电路的连接，使得极性转换电路只与5V稳压电路相连接，接通电源测量输出端，并调整控制增益变阻器，使得输出电压为5V。断开电源，联通先前断开的电路。5V稳压电源输出2）7.5V稳压调整：接通电源，调节可变电阻使得稳压端输出为7.5V稳压值。7.5V稳

12、压输出1增益将测量放大器与电桥相连，测量前断开电桥，调节电桥上可变电阻，使得电桥各臂上的阻值均为200k，联通电桥，接通电源。观察最后的输出端，应为5V的电平，若不为5V调节测量放大器第二级的变阻，使得输出电压尽可能趋近与5V。断开电源，断开电桥，调整变阻使可变电阻的桥臂上阻值分别为198k和202k，接通电桥和电源，测量输出端的电压，电桥上由于阻值不平衡引起的电压，即可以求出电压增益。实测数据：1）电阻平衡时输出端为5V。2）调节可变电阻一臂上阻值为202k时，输出电压为10.2V。3）调节可变电阻一臂上阻值为198k时，输出电压为-0.3V。输入电压无法通示波器读出，用理论值代入，可得：增

13、益2通频带将测量放大器与测试电路相连接，接通电源，观测测量放大器两输入端为一对极性相反的信号，调节输入信号频率为几或几十赫兹的低频，调节输入信号幅度，使得输出端的输出信号幅度为10V，增大输入信号频率，使得输出信号的幅度为8.5V（由于测量放大器输出端被抬高了5V,所以在计算带宽时，幅度计算应为，而不是10*0.707=0.707）时，记下此时的频率，即为3db带宽.实测数据：测得带宽为6.75KHZ输入正弦信号的输出3共模抑制比测量方案1：在测量放大器输入端接入7.5V（7.5V）的直流共模电压，观察测量放大器的输出电压值，可得共模增益，再输入由前测得的差模放大增益可求得共模抑制比。测量方案2：将做好的测试电路接入测量放大器的输入端，此时输入等效为叠加在7.5V共模信号上的一对差模信号，观察测量放大器的输出端，读出此时的直流和交流信号幅值，后可得差模和共模增益，即可以求得共模抑制比。实测数据：采用测试方案1：测得在7.5V共模输入时，测量放大器输出为200mV，可得共模增益为，根据差模放大增益可得共模抑制比为74.4db（5250）采用测试方案2：若采用测试方案2，则需要将信号源的地线接在7.5V稳压源的输出端，但实际测量中发现，实验室中的信号源地端一旦接入7.5V稳压输出端后，改点电位即变