教学材料《传感器》-第十一章

第一节

电桥放大器应变电阻式、电感式、电容式传感器，广泛采用电桥测量电路，即把传感器当做一个电路元件接入到测量电桥中，再与运算放大器结合，就构成了电桥放大器。按电桥的构成形式不同，有通用电桥放大器、传感器反馈式电桥放大器和电桥反馈式放大器。一、通用电桥放大器通用电桥放大器原理电路如图11-1所示。图中左边是应变电阻式单臂传感器电桥，传感器工作臂的应变电阻为(1+ε)R，其中ε=△R/R为相对应变量;右边是由集成运算放大器构成的差动放大电路。为求出输出电压u。与相对应变量二之间的关系，可根据克希霍夫定理列出节点a,b的电流方程式下一页返回第一节

电桥放大器再由运放“虚短”概念:通常取

因而上式可改写为此时，该电路不但简单，而且输出电压线性较好(因Rf»R)，灵敏度高，但测量精度不高。二、传感器反馈式电桥放大器若把传感器构成的可变电阻R(1+ε)动当做集成放大器的负反馈器件，接入到放大电路中，上一页下一页返回第一节

电桥放大器就构成传感器反馈式电桥放大器，如图11-2所示。根据运算放大器输入特性“虚短”概念有再由运算放大器输入特性“虚开”概念得由上两式可求出输出电压与传感器相对应变量ε之间的关系为该电路结构简单，输出电压线性好，但灵敏度低，即电路放大倍数小，通常需进行二次放大。三、电桥反馈式放大器若将整个传感器电桥当做集成运算放大器的负反馈器件，则构成电桥反馈式放大器，如图11-3所示。上一页下一页返回第一节

电桥放大器因为i2=i1=0，故又因il=0和ua=0，故考虑到i2=0，有综合上述三个式子，可得出输出电压u。与传感器相对应变量ε之间的关系考虑到ε很小，忽略ε的二次项，可得出的近似表达式从电桥反馈式放大器的输出电压表达式和原理图，不难看出电桥反馈式放大器有如下特点。上一页下一页返回第一节

电桥放大器①电压放大倍数与桥臂电阻无关，因此对桥臂电阻要求不高，便于电路调试;②输出电压与相对应变量。之间呈非线性关系，但灵敏度较高;③由于运放采用单端输入方式，故对共模电压无抑制能力;④需要不接地的供桥电源。四、供桥电压稳定性提高在各种电桥放大器中，都要求供桥电压稳定。若供桥电压发生变化，将直接影响输出电压的精度，尤其在远距离供电情况下，引线上的电阻压降也影响供桥电压的精度。为此，在不能提供恒压电源或恒流源供电的情况下，上一页下一页返回第一节

电桥放大器应设法提高供桥电压的稳定性。下述两电路正是为此而设计的，使供桥电压的变化不影响电桥放大器输出电压的稳定。1.反馈式供桥电源图11-4是反馈式供桥电压原理电路图中，测量电桥与运放A1组成通用电桥放大器，通用电桥放大器输出端接加法器A2和反相器A3，以反馈方式提供桥路电压2UR，其中A2输出电压为-UR，A3输出电压为UR可以证明式中，Us为标准电压。由此可见，供桥电压UR跟随△R变化，并具有很好的线性关系，致使供桥电流IR稳定性好，上一页下一页返回第一节

电桥放大器可组成高精度线性放大器。2.四线式供桥电压在远距离感测系统中，为使供桥电压不受远距离引线电阻压降的影响，常采用多线式电桥供电电路。图11-5为四线式供桥电压原理电路，图中两线提供电压UR，另两线为供桥电流IR通道，虚线框内为四线式供桥电源图11-5中供桥电压UR经运放A1放大后的A1UR，再与标准电压US相比较，当UR偏低时，运放A1的输出A1UR下降，比较器A2输出上升，即时调整供桥电压UR以达到稳定要求的电压值;上一页下一页返回第一节

电桥放大器由于运放A1输入阻抗很高，故供桥电压UR引线上的电流为零，即UR大小不受远距离引线电阻的影响;且经调整后的UR直接加到电桥上，故与供桥电流IR通道连线长短也无关;供桥电压UR仅与标准电压US有关，具有自调整功能，其稳定度可达0.01%,且使线性度极大提高。上一页返回第二节

高输入阻抗放大器对于一些输出阻抗很高的传感器(如电容式和压电式传感器)，要求后接测量放大器的输入电阻也很高。一般反相运算放大器的输入电阻不高，不能满足要求。同相运算放大器的输入电阻很高，但易引人共模干扰。因此，用通用运放组成高输入阻抗放大器需要从电路结构上想办法，下面介绍几种常用的高输入阻抗放大器。一、反馈式反相放大器图11-6是由两个通用运算放大器组成的反馈式反相放大器原理图。其中，A1是主放大器，A2是提供自举反馈的辅助放大器。电路的电压放大倍数完全由运算放大器A1组成的反相放大电路决定，即下一页返回第二节

高输入阻抗放大器辅助运算放大器A:的作用是提供一个自举电流i2供给A1，使输入回路电流i下降，从而增大输入电阻。输入电阻可根据Ri=ui/i求取输入电阻为当R2≈R1时，输入电阻风Ri->∞，输入电流i->0，即i1≈i2，则A1的输入电流完全由A2提供。这样反馈式反相放大器可获得很高的输入阻抗，但值得注意的是在这种电路中，R2一定要略大于R1，不能小于或等于R1，否则将使电路产生自激二、高输入阻抗高增益放大器上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器由图11-6可知:uo=-R3ui/Ri，即反馈式反相放大器的电压增益并不很高，要提高输出电压，必须增大A1的反馈电阻R3。为避免使用过大的电阻，同时还要保证电压放大倍数足够大，可用T形电阻网络替代反馈电阻，组成高输入阻抗高增益放大器，如图11-7所示。对照图11-6和图11-7可知，它们的电路形式完全相同，只是将图11-6中的电阻R3和R2换成了T形电阻网络。此时放大器的电压放大倍数仍由A1组成的电路决定解方程可求出输入/输出电压关系上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器电压放大倍数为由上式可知，减小R5的阻值就可使电压放大倍数Af足够大，因此可避免使用大电阻另外不难看出，当R5=∞(开路)、R4=0时，R3，R4，R5组成的T形电阻网络退化成为单个电阻R3,A1电路变为普通的反相放大器，电压放大倍数为Af=-R3/R1，与反馈式反相放大器相同。图11-7中辅助放大器A2的作用也是提供一个电流i2供A1使用，使输入回路电流i下降，从而增大了输入电阻在图11-7中，由于由节点b电流定理∑I=推得上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器由此可推得前面曾讲过，要使放大器的放大倍数增大，只需减小R5就可达到目的。因此，R5通常的取值范围为几十到几百欧姆，其余电阻则取几千欧姆到几十千欧姆，即满足

于是，输入电阻的表达式可简化为由此可见，只要取R1+R2略大于R3，就可得到极高的输入电阻Ri。实际应用中，运算放大器A1,A2可选用双运放，各电阻阻值可根据需要选取合适的值例如:取R1=10kΩ,R2=5.1kΩ,R3=15kΩ,R4=20kΩ,上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器R5=0.1kΩ，可得到Af=-303.5,Ri=510kΩ的放大器其他电阻的取值为:R6=10kΩ,R7≈R1//R3=6kΩ(可取5.1kΩ的标准电阻)。三、增益可调差动放大器增益可调差动放大器(DifferentialAmplifier)原理电路如图11-8所示。该电路结构简单，只须用一个运算放大器，改变可调电阻KRZ，即可改变放大器的电压放大倍数因为ua=ub，且联解上述三个方程，得上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器由上式可知，改变可变电阻KR2的值，即K值改变，就可改变放大器的放大倍数;K值越小，放大倍数越大，为避免K值为0，可用一个小阻值的电阻与可变电阻串联。该放大器结构简单，调试方便，不足之处是电压放大倍数与K呈非线性关系。一个实际的增益可调差动放大器电路如图11-9所示，运算放大器采用OP05，也可采用高输入阻抗低漂移运算放大器CA3193。根据图中的实际参数可知:当K=0.2~1.2，此时放大器的电压增益为3.67~12四、三运放高共模抑制比差动放大器图11-10是得到广泛使用的高共模抑制比差动放大器。它由3个集成运算放大器组成，其中A1,A2组成差动输入级，上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器可选用通用集成运算放大器，但要求它们的性能参数一致，A3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1,A2的共模信号，并适应接地负载的需要。虚线所示的R7，R8和Rw1，是共模补偿电路，用来补偿不对称造成的影响，从而得到更高的共模抑制比。先看A1,A2组成的输入级电路，根据“虚短”的概念可知，A1,A2的反相端电位分别等于ui1和ui2，再根据“虚开”的概念，流过电阻R1，R2和Rw的电流均为iP，因此可列出如下方程解方程，得上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器于是，输入级A1,A2的输出电压之差为:再看输出级A3组成的差动运算电路，此时的u01和u02分别是A3的反相输入电压和同相输入电压，根据反相比例放大器和同相比例放大器的输入/输出关系，利用叠加原理可得再根据式(11-17)给出的关系，可求出输出电压与差动输入电压之间的关系表达式此电路的输出电压只与差模输入电压有关，而共模干扰、失调和漂移均在差动输入级的电阻Rp两端相互抵消，上一页下一页返回第二节

高输入阻抗放大器具有很高的共模抑制比，同时，改变Rp可达到调整增益的目的，并且不会影响电路的对称性，因此在测量技术中被广泛使用，并称之为测量放大器或仪器放大器。图11-11是一个实用的三运放高共模抑制比差动放大器，可用于放大霍尔传感器、应变电桥送来的差动输入信号。实际选用时，可根据实际情况改变输入级所接的100Ω电阻的参数，也可用一个精密可调电阻与100Ω电阻串联，以便调整增益。上一页返回第三节

专用单片集成放大器除了前面介绍的各种通用放大器之外，随着集成电路工艺的进步，现在已生产出具有多种特殊功能的单片集成放大器，以满足各种条件下数据采集放大的需要。专用单片集成放大器主要有3类:集成仪器放大器、可编程增益放大器和隔离放大器。一、集成仪器放大器目前，世界许多著名公司都推出了自己的单片集成仪器放大器，供用户选用，不需要用分立的运放来构成测量放大器。与分立的通用运放组成的放大器相比，单片集成放大器具有性能优异、体积小以及机构简单等优点。下面介绍两种具有代表性的单片集成放大器。下一页返回第三节

专用单片集成放大器1.AD622/AD623AD622/AD623是美国AD(AnalogDevices)公司推出的单片集成放大器，采用标准8脚双列直插式或贴片式封装，放大倍数由外接的精密电阻决定。AD622管脚功能和基本接法如图11-12所示，2脚和3脚是高阻输入端，6脚是输出端，7脚接正电源，4脚接负电源，5脚为参考端(REF)，与电源公共地相连，在输出端与电源公共地之间得到输出电压。电压放大倍数Af由1,8脚间外接的精密电阻RG决定，即AD623是既可以采用单电源供电,上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器也可以采用双电源供电的单片精密集成放大器,非线性失真小,共模抑制比高､低漂移和低噪声,非常适合在恶劣条件下对采集的微弱信号进行放大｡AD623的管脚功能如图11-13所示,与AD622不同是,其6脚可以接单电源的地,同时5脚接参考电平,可以将双极性信号放大成为单极性的信号｡2.AD612AD612也是美国AD公司推出的单片集成放大器,其内部结构及管脚功能如图11-14所示｡AD612内部采用与图11-10相似的三运放结构,外加一个精密电阻网络,一起封装到一个双列直插式24脚的管壳中｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器对照图11-10不难看懂AD612的工作原理放大器增益为Af=1+80/Rw,Rw的单位为kΩ｡Rw为多少,要视引脚1与引脚2~12的具体连接而定,并由此决定AD612的两种增益状态:二进制增益状态和通常增益状态｡AD612二进制增益状态是利用内部精密电阻网络实现的,增益按二进制方式改变｡当1脚与2-12脚之间互不相连时,相当于R=∞,因此Af=1;当1脚分别只与3一10脚连接时,Rw分别是内部电阻网络连到3-10脚的电阻,对应的增益分别为21-28;当1,10,11脚相互连接时,Af=29;1,10,11,12脚相互连接时,Af=210上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器AD612通常增益状态利用在1,2引脚间外接电阻Rw予以实现,这时,放大器增益由外接电阻Rw决定,即Af=1+80/Rw｡例如,如果外接电阻为5kΩ,则增益Af=17｡值得注意的是,为保证增益精度,要求外接电阻Rw的温度系数小于或等于10-6ppm/0C;如果外接电阻Rw达不到精度要求,可在1,2端外接电阻Rw的同时,使1端与3-12中的某一端相连,此时等效电阻R公是外接电阻RW和片内精密电阻网络的并联,使外接电阻的影响减小｡图11-15是AD612用作电桥放大器的接线图｡1引脚与3引脚相连,Af=2;15脚经跟随器连接到输入信号引线的屏蔽罩上,降低输入噪声,提高共模抑制比;上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器21,22端接入电位器调整失调,电容C用来防止电路产生自激,两个1μF电容是去藕电容｡二､可编程增益放大器在多回路检测系统中,由于各回路传感器信号的变化范围不尽相同,必须提供多种量程的放大器,才能使获得的信号变化范围一致(例如0~5V)｡现代智能测控系统都要使用计算机,如果放大器的增益可以由计算机输出的数字信号控制,将会简化系统的硬件设计和调试工作量｡要改变放大器的增益,只须改变计算机程序即可｡这种可通过计算机编程来改变增益的放大器称为可编程增益放大器｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器可编程增益放大器的基本原理可用图11-16所示的简单电路予以说明｡图11-17是可编程增益的反相比例放大器,R1~R4组成电阻网络,S1~S4是电子开关,外加控制信号Y1,Y2,Y3,Y4为低电平时,对应的电子开关闭合图11-16中,为了节省计算机的端口,可将电子开关控制信号线连接到一个2-4译码器的输出端,由来自计算机I/0口的两个信号x1,x2控制｡当x1,x2为00,O1,10,11时,S1,S2,S3,S4分别闭合,电阻网络中的电阻R1,R2,R3,R4分别接入到反相放大器的输入回路,可得到4种不同的增益值｡如果计算机的I/O端口够用,可不用译码器,直接由计算机的I/O口来控制y1,y2,y3,y4,可得到24个不同的增益值｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器从上面的分析可知,可编程增益放大器的基本思路是:用一组电子开关和一个电阻网络配合来改变放大器的外接电阻值,以此达到改变放大器增益的目的,使用译码器主要是为了节省计算机的I/O端口｡按此思路,读者可用分立的运算放大器,加上模拟开关､电阻网络和译码器,组成形式不同､性能各异的可编程增益放大器｡如果使用片内带有电阻网络的单片集成放大器,如AD612,则可省去外加的电阻网络,直接与合适的模拟开关､译码器配合,即可组成实用的可编程增益放大器｡如果将运算放大器､电阻网络､模拟开关以及译码器等电路集成到一块芯片上,则为单片集成可编程增益放大器,如美国国家半导体公司生产的LH0084,就是其中一种,如图11-17所示｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器LH0084采用典型的三运放构,可与图11-10对照起来分析｡LH0084的输入级由两个匹配的高速FET输入运放A1和A2组成,双四通道模拟开关Sa1~Sa4和Sb1~Sb4切换R1~R7组成的电阻网络,这相当于改变图11-10中的电阻R1,R2和Rw,因此,会影响输入级的电压放大倍数Af1=(uo2-uo1)/(ui2-ui1)｡运放A3是输出级,R10,R12,R14组成输出级反馈电阻网络,反馈电阻网络引出端6,7,8,可分别与输出端10相连接｡R11,R13,R15是接地电阻网络,其引出端13,12,11可分别与地相连｡为了保证输出级的反馈电阻和接地电阻相匹配,反馈电阻网络的连接方式与接地电阻网络的连接方式必须相对应,例如,上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器6端与10端相连,则13端与地相连｡输出级反馈电阻和接地电阻的改变,会影响输出级的电压放大数Af2=uo/(uo2-uo1)双四路模拟开关的a组开关Sa1~Sa2和b组开关Sb1~Sb2是成对改变开关状态的,即与Sbj同时打开或闭合,j=1,2,3,4,以确保输入级电路对称｡由计算机I/O端口控制数字输入D1和D0,经译码后可得四种状态,因此,输入级电压放大倍数Af1有4种不同选择｡输出级有三种不同的外部连接方式,因此,输出级放大倍数Af2有3种不同选择｡LH0084的数字输入和输出端子的连接对电压放大倍数的影响如表11-1所示｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器例如,当D1=1,D0=0时,Sa3和Sb3闭合,输入级放大倍数为如果此时输出端子的7引脚与10引脚相连,且12引脚与地相连,则输出级放大倍数为总的电压放大倍数为三､隔离放大器测量放大器通常由输入级､输出级以及供电电源三部分组成,前面讲过的各种放大器,这三部分都有直接的电联系;上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器在某些特殊的应用场合,需要把这三部分相互隔离开来,使它们之间无直接的电联系,这种放大器称为隔离放大器｡隔离的方式主要有两种:电磁(变压器)耦合隔离和光电耦合隔离｡电磁耦合隔离方式技术成熟,具有较高的线性度和共模抑制比,但带宽有限(约1kHz以下),工艺复杂;光电耦合隔离方式结构简单,质轻价廉,线性度好,带宽较宽,发展前景广阔｡世界很多著名的集成电路制造商都推出隔离放大器产品,输入､输出二端变压器耦合隔离的产品有AD公司的AD277,输入､输出以及电源三端变压器耦合隔离的有AD公司的AD293/AD294,BB公司的3656;光电耦合隔离的有BB公司的ISO100等｡上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器下面以AD公司的二端变压器耦合隔离放大器AD277系列为例,分析隔离放大器的基本原理｡AD277是AD公司生产的一种通用隔离放大器,其内部结构和示意图如图11-18所示｡AD277内部分为输入和输出两部分,输入信号经输入级运算放大器A1送至调制器变成交流调制信号,再经过变压器耦合到输出部分,由解调器解调后送到输出级运算放大器A2,经过A2放大之后输出｡3,4脚是输入级A1的反相端和同相端,2脚INF是反馈端,反馈端INF经外接电阻接到A1的反相端或同相端,可组成反相放大电路或同相放大电路｡6,7,8脚是调零端,可外接电位器进行零位调整｡输出级12脚可直接与10脚输出端相连组成反相放大器,上一页下一页返回第三节

专用单片集成放大器也可经外接电阻再与输出端相连,以改变输出级放大倍数｡11脚OUTCOM通常接地,13脚是输出级调零端,内部连