检测与转换技术第六章信号的放大技术

第6章信号放大技术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

频率、振幅均可调节

将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。固定振动试验台(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到大于65%

物体表面附着厚度为0.01~0.1um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电压高温度潮湿

使霉菌生长

引起有机材料霉烂某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象。保护措施：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。仪器设备的防潮试验（续）“步入式”恒温恒湿房（参考江苏省计量测试技术研究所资料）

体积：25m3

，温度调节范围：（-40～+80）℃，湿度调节范围：（30～90）%RH

可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、交变湿热试验。(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。

固有噪声体现：从喇叭或耳机中反映出来；更多反映在输出电压的无规律跳变上。（五）电、磁噪声干扰

电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场。

电磁干扰的来源：

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。

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(差模干扰)是指叠加在被测信号上的噪声电压。串模干扰信号与被测信号在检测回路中所处的地位相同，两者相加作为输入信号，干扰了系统真正需要检测的输入信号值。

共模干扰

是两个信号端相对参考点所共有的。被测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，这个电位差反映在两个信号输入端A和B上是两个大小相等，极性相同信号，这种信号称为共模干扰。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。传导耦合：在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁干扰通过连接电路从干扰源传输电磁干扰至敏感设备。辐射耦合：电磁干扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，干扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。传导耦合(+)辐射耦合例如

传输线的辐射/辐射源的传输线响应

电磁骚扰的耦合途径分类电磁干扰耦合模型

C：电容耦合

L：电感耦合

Z：共阻抗耦合

NC：近场耦合

FR：远场辐射电容耦合：又称电场耦合或静电耦合，指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应。是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式，使得一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一个电路。在上述情况，两电路都必须连接参考地，这样耦合路径才能完整。但是如果电路未接地，并不意味着没有耦合通路，未接地电路与地之间存在杂散电容，该电容与直接耦合电容串联。互感耦合：又称磁场耦合。是由两电路间的磁场相互作用所引起的。两个电路存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。值得注意是两个电路之间有无直接连接对耦合没有影响。无论两个电路对地是隔离还是连接的，感应电压都是相同的。公共阻抗耦合：发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声。常见的公共阻抗有公共地阻抗和电源阻抗两种。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。抑制干扰的措施：**消除或抑制干扰源：**切断干扰传递途径：**削弱接收电路对干扰的敏感性：

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.静电屏蔽在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线应在接地金属导体处中断，从而起到隔离电场的作用。用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。2.电磁屏蔽--防止高频电磁场的干扰采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场在屏蔽金属内部产生电涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到屏蔽的效果。屏蔽的结构形式：屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等屏蔽。3.磁屏蔽利用高导磁材料作屏蔽层，将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，防止低频磁通干扰。选材：低磁通、高磁导率的铁磁材料。为提高效果采用多层屏蔽：第一层：用低导磁率的铁磁材料，使场强降低；第二层：用高导磁率的铁磁材料，发挥屏蔽作用。6.1.3接地技术1.”地”的种类信号地：是指信号的大小及极性的参考点位。系统地：是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。地：在一个电路或系统中用作电压参考的点或等位面接地两种含义:连接到系统基准地（接虚地）;

连接到大地（接实地）。用途上分：抑制干扰接地;安全接地。2.接地方式（1）单点、多点接地（2）混合接地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μA741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，μA741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：1μA7412876543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∞＋＋－U0U+U-同相输入反相输入∞＋＋－+12V输出6513724-12V调零电位器外部接线图（1）理想运算放大器的三个基本特性：①输入的偏置电流为零；②开环差动电压增益为无穷大；很大:104~107③差动输入阻抗为无穷大。几十k

几百k

（2）理想运算放大器电路的两条设计定则：①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”

u+－u-

②理想运算放大器两个输入端都没有电流流入或流出。“虚断”

i+=i-

（3）技术指标①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。②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。③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。④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。⑤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。⑥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。⑦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。⑧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。⑨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。（4）理想运算放大器及其分析依据1、理想运算放大器

Au

，CMRR

，rid

，ro02、电压传输特性uo=f(ui)+Uo(sat)-Uo(sat)ud=u+－u-

uo线性区非线性区线性区：uo

=Au（u+－

u－

）非线性区：u+>u－

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u－

时，uo

=－Uo(sat)

3、理想运放工作在线性区的特点∵uo

=Auo（u+－

u－

）∴①差模输入电压约等于0

即u+=u－

称“虚短”②输入电流约等于0

即i+=i－

0称“虚断”

电压传输特性

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou-。u+i+i-+Uo(sat)-Uo(sat)线性区ud=u+－u－

uo4、理想运放工作在非线性区的特点①输出只有两种可能+Uo(sat)或－Uo(sat)

当u+>u－

时，uo

=+Uo(sat)

u+<u－

时，uo

=

－Uo(sat)

不存在“虚短”现象

②i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性

+Uo(sat)-Uo(sat)非线性区ud

=u+－u－

uo2.常用运算放大器反向放大器结论：

Af为负值，即uo与ui极性相反。∵ui加在反相输入端。

Af

只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。

|Af

|可大于1，也可等于1或小于1。∵

u-=u+=0，∴反相输入端“虚地”。uo++∞.uiR2RFu+u_。。R1.。。++––2.常用运算放大器同向放大器结论：①Af为正值，即

uo与ui极性相同。∵ui

加在同相输入端。②Af只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。

Af≥1，不能小于1。④u-=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。++∞..uoR2RFu+u_。ui。

R1iFi1加法器反相加法运算++∞...ui2ui1uoR2RFu+u_。。

Ri1Ri2。++∞..uoRFu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri1同相加法运算1、输入电阻低；1、输入电阻高；反相加法运算电路的特点：同相加法运算电路的特点：2、共模电压低；3、当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；2、共模电压高；3、当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；积分器微分器CF++∞.uoR2u+u_。R1ui。.i1if+–++∞.uoR2u+u_。uiRF。.C1i1if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

++∞...u2u1uoRFu+u-。。

R1。RF’R1’差模放大倍数共模放大倍数++∞...u2u1uoRFu+u-。。

R1。RF’R1’6.2.2仪用放大器放大器由二级串联。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。2.集成仪用放大器AD612和AD614测量放大器内部电路6.2.3隔离放大器在某些情况下，输入电路与输出电路之间以及放大电路与电源电路之间不能有直接的电路连接，信号的耦合以及电源电能的传递要靠磁路或光路来实现。放大器内部采取这种隔离措施的就叫隔