《智能仪器设计基础》课件 第4章 信号调理电路设计2

智能仪器设计基础第4章信号调理电路设计（2）目录第4章信号调理电路设计

4.1数据采集电路结构

4.2模拟多路开关

4.2.1模拟多路开关的特性4.2.2常用集成模拟多路开关4.2.3模拟多路开关的应用

4.3放大器概述

4.3.1三级管放大器

4.3.2集成运算放大器

4.4仪表放大器

4.5程控增益放大器4.6隔离放大器

4.7差分输入放大器

4.8全差分放大器

4.9电流反馈运算放大器

4.10基本运算放大电路及设计

4.10.1基本运算放大电路4.10.2单电源运算放大电路4.10.3加法电路

4.11有源滤波电路设计习题44.6隔离放大器

隔离放大电器（isolatedamplifier）是一种特殊的运算放大器，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电连接，信号在传输过程中没有公共电源与接地端。隔离放大器主要用于防止数据采集装置受到远程传感器出现的潜在破坏性电压的影响，也可以消除由接地环路引起的测量误差。

隔离放大器是通过光电、电容或变压器等方式进行耦合，信号能够正确通过，但输入和输出之间是电绝缘的，绝缘电压一般在1000V以上。隔离放大器主要用于工业过程控制系统、生物医疗仪器等领域，如电机驱动、电源监测、基于分流器的隔离式电流检测、高压测量等。有些隔离放大器在一些频率（如工频）上可以有极高的共模抑制比，降低了特定干扰的影响。

4.6隔离放大器

隔离放大器根据耦合方式主要有电容耦合、光电耦合和变压器耦合3种。其中光电耦合式放大器也是早期出现的产品，目前产品已不多见（光电耦合主要归于光电耦合器，用于模拟隔离与数字隔离，见数字量输入与输出一章），光耦合工作时电流较大，长时间工作易老化，出现漂移与衰减，线性和稳定性变差，因此精密放大场合，光耦合已较少使用。4.6隔离放大器

隔离放大器有TI公司的AMC系列、ISO系列等，早期主要是ISO系列，近年来生产了AMC系列，另外AD公司也生产一些隔离放大器。AMC系列主要采用信号调制和电容耦合方式，没有光电转换和变压器，因此具有体积小的优点，其封装、体积与常规运算放大器类似，方便了电路设计。ISO系列主要有ISO124、ISO122、ISO121、ISO224，AMC系列主要有AMC1311、AMC1302、AMC1200等，AD公司主要有AD215、AD203、AD210、AD202、AD204、ADUM4190、ADUM3190等。TI公司的主要是电容耦合，AD公司主要是变压器耦合。4.6隔离放大器

隔离放大器除了具有一般放大器的一些参数如非线性、失调电压及温漂、失调电流及温漂、输入电阻、输入电压范围等外，还有特有的一些参数如：

工作隔离电压：隔离放大器可以隔离的高压侧和低压侧电压，单位为kVRMS，一般大于1.2kVRMS；

瞬时隔离过电压（Isolationtransientovervoltage）：隔离放大器的高侧和低侧电压承受的瞬时峰值电压大小，单位为kV，一般为工作隔离电压的数倍；

高侧和低侧电源电压：被隔离电路二侧的供电电源电压；

增益：隔离放大器的增益一般为固定增益。隔离放大器输入和输出之间无法连接反馈电阻，因此隔离放大器一般都是固定增益，增益有大于1也有小于1，如AMC1351增益为0.4V/V，AMC1202为41V/V；

共模瞬变抗扰度：CMTI（Commonmodetransientimmunity），指瞬态穿过隔离器件的隔离层能够破坏其输出状态所需的最低电压上升或下降速率dV/dt，单位为kV/µs或V/ns，一般为在2~100kV/µs。具有高CMTI的器件在干扰大的环境中，其EMC/EMI的性能会更好一些。4.6隔离放大器

（1）电容耦合式隔离放大器

TI公司的生产的AMC和ISO系列隔离放大器以电容耦合为主，如图所示是电容式隔离放大器AMC1302的结构原理图，内部含有一个Δ-Σ调制电路，该电路在内部基准电压和时钟的驱动下，将输入模拟信号转换为数字式位数据流，输出的数字式位数据流通过TX-RX由高边传输到低边，同时时钟通过RX-TX由低边传输到高边。高边与低边之间数字信号通过电容式隔离栅（isolationbarrier）进行传输，在低边将接收到位数据流进行处理和滤波，将信号转换为与输入模拟信号成正比的模拟信号，由于差分输出信号具有抗干扰能强的特点，因此一般隔离放大器输出为全差分输出。4.6隔离放大器电容耦合式隔离放大器AMC1302

4.6隔离放大器（2）变压器耦合隔离放大器

变压器耦合式隔离放大器，主要产品有AD公司的AD203、AD202、AD204、AD215、AD210、ADUM4190、ADUM3190等，其中前三种厂家已不推荐应用于新产品。

如图4-28为AD215的原理图。其内部有2个变压器，其中1个为信号变压器，另1个为电源变压器。前者为信号通道，后者为电源通道。通过2个变压器及相应的调制电路，使信号端（高边）、输出端（低边）信号与电源能够正常通过，而异常的高压信号被隔离开。4.6隔离放大器（2）变压器耦合隔离放大器变压器耦合式隔离放大器，主要产品有AD公司的AD203、AD202、AD204、AD215、AD210、ADUM4190、ADUM3190等，其中前三种厂家已不推荐应用于新产品。如图4-28为AD215的原理图。其内部有2个变压器，其中1个为信号变压器，另1个为电源变压器。前者为信号通道，后者为电源通道。通过2个变压器及相应的调制电路，使信号端（高边）、输出端（低边）信号与电源能够正常通过，而异常的高压信号被隔离开。4.7差分输入放大器

差分输入放大器（Differenceamplifiers）是一种能够对差分信号进行放大或缓冲的放大器，可以对小差分信号进行放大，具有高输入共模电压和共模抑制比。通常是由一个通用的运算放大器与高精度的电阻网络构成，可以对含有较大共模电压的差模信号进行前置放大或转换，如高电压（200-300V）导线上电流的检测，可以对含有200V以上的共模电压的信号进行放大或转换。

差分放大器与仪表放大器的区别在于，差分放大器只有一个运算放大器构成，而仪表放大器由3个运算放大器构成。差分放大器可以对高共模信号进行放大。TI公司(BB公司)生产的差分放大器也是以INA命名，与仪表放大器类似。差分放大器主要有TI公司的INA137/2137、INA117、INA132/2132、INA149等，以及AD公司的AD629、AD8270、AD8273、AD8279等。4.7差分输入放大器

INA149的主要参数如下：共模电压范围：±275V；CMRR最小90dB；最大偏移电压1100µV，最大偏移电压漂移为15µV/°C；最大增益误差为0.02%，最大增益漂移误差为10ppm/°C；最大增益非线性为0.001%FSR；带宽为500kHz；转换率为5V/µs；电源电压范围为±2.0V--±18V；保护电压:±500V。REFA，REFB:参考电压输入，-IN，+IN：反相输入和同相输出，V-，V+:负电源和正电源输入，VOUT：输出，NC:不用连接。

INA149可以单电源应用也可以双电源应用，如图4-30所示为单电源应用的基本连接，增益为单位增益。4.7差分输入放大器

INA149可以用于测量高电压时的电流，如图4-31所示。当取样电阻RS较小时，可以测量较大的电流。4.8全差分放大器

全差分放大器（FullyDifferentialAmplifiers）是一种输出为全差分信号的放大器，能够将差分信号或单端信号转换为差分信号的放大器，可用于差分输入型ADC的驱动、双绞线或同轴电缆实现高速信号传输的差分驱动器等。差分输入ADC可以减小共模干扰，降低接地噪声对接地参考系统的影响，有不少ADC可以对差分信号进行模数转换。

全差分放大器主要有TI公司的THS4141、THS4130/4I41、THS4500/4501等，以及AD公司的AD8132、AD8138/8139、AD8350，LTC1992/1/2/5/10等。4.8全差分放大器

全差分放大器的输入与常规的运算放大器类似，有一个同相输入端和一个反相输入端，但输出信号端有二个，一个与普通运算放大器的输出端一样，另一个输出端为反相输出端，二个输出端构成一对互补的模拟信号输出。另外全差分放大器还有一个输入端，该端输入电压确定了输出差分信号的共模电压。在工作时，全差分放大器采用两个反馈回路，而常规运算放大器则只有一个回路。4.8全差分放大器

如图4-35和4-36为差分放大器AD8132和LTC1992的引脚图。4.8全差分放大器4.8全差分放大器

全差分放大器的应用，如图4-38所示，用于驱动全差分输入ADC的一种应用电路，将双极单端信号转换为差分信号，全差分放大器中电阻值的计算可参考相关参考文献。4.9电流反馈运算放大器

常用的运算放大器是电压反馈（VF，voltagefeedback）型运算放大器，电流反馈（CF，currentfeedback）运算放大器是一种跨阻型运算放大器，CF放大器的引脚与VF放大器的引脚是一样的，构成的放大电路形式也是类似的，但有不同的特点。

CF型运算放大器的带宽与压摆率都比较大，主要用于高速信号的放大与处理，一般带宽都大于50MHz。VF型运算放大器虽然也有不少带宽大于50MHz，但CF型运算放大器对处理高速信号具有更好的特性。图4-39给出了电压反馈型运算放大器和电流反馈型运算放大器的内部结构示意图。

从内部结构上看，VF型运算放大器的输入级是差分对管，而CF型运算放大器的输入为电压缓冲器，在同相负反馈电路中，前者会使二个输入端的电压误差(errorvoltage)趋于零，而后者则会使二个输入端的电流误差（errorcurrent）趋于零，电压反馈和电流反馈的名字由此而来。4.9电流反馈运算放大器

如图4-39为二种运算放大器的理想模型与同相放大电路，其中对VF运算放大器，Vo=a×Ve，Ve=Vp−Vn为误差电压，a为开环电压增益；对CF运算放大器，Vo=Ie×Zt，Ie称为误差电流，Zt称为开环跨阻增益。4.9电流反馈运算放大器

电压反馈型放大器构成的放大电路的-3dB带宽由二个电阻R1、R2共同决定，也就是增益帯宽积的概念，增益增大，带宽成比例下降。同时放大电路的稳定性与输入阻抗R1和反馈阻抗R2共同决定。而对于电流反馈型运放，它的增益和带宽是相互独立的，其-3dB带宽仅由R2决定，可以通过设定R2得到不同的带宽，再设定R1得到不同的增益。同时其稳定性也仅受R2影响。

反馈电阻的取值，电流型运放的反馈电阻应根据数据手册在一个特定的范围内选取，而电压反馈型的反馈电阻的选取就相对而言比较宽松。需要注意的是电容的阻抗随着频率的升高而降低，因而在电流反馈放大器的反馈回路中应谨慎使用纯电容性回路，一些在电压反馈型放大器中应用广泛的电路在电流反馈型放大器中可能导致振荡。对压摆率，一般电压反馈放大器的压摆率在500V/μs以下，而电流反馈放大器则可以大于千V/μs.4.9电流反馈运算放大器

在选用两类芯片时，低速精密信号处理中，不易选用电流反馈放大器，因为其直流精度远不如精密电压反馈放大器。在高速信号处理中，应考虑设计中所需要的压摆率和增益帯宽积，一般而言，电压反馈放大器在10MHz以下，低增益和小信号条件下会拥有更好的直流精度和失真性能；而电流反馈放大器在10MHz以上，高增益和大信号调理中表现出更好的带宽和失真度。当信号频率大于10MHz时，可考虑CF运算放大器。

电流反馈运算放大器主要有TI公司生产的THS4022、THS3092、OPA691/2691/3591等，AD公司生产的ADA4311-1、AD8012等。

4.9电流反馈运算放大器

电流型反馈放大器的同相输入和反相输入的计算公式和电压型反馈型是相同的，也存在虚短和虚断的概念。但应用时需要注意以下特点：

电流反馈型放大器不能用做积分器，在反馈电阻两端不能用并联电容的方法消除振荡；电流反馈型放大器的输出和反向输入端不能跨接电容；电流反馈型放大器的反馈电阻不能选择过大，电流型反馈放大器的反馈阻值会影响放大电路的稳定性和带宽，反馈电阻有一个最佳值，既可以保证最大带宽，也可以保证稳定放大而不振荡；电流反馈型放大器不能用作电压跟随器；电流反馈型放大器无增益带宽积这一个参数；电流反馈型放大器的增益和闭环带宽可以分别的设置。4.10基本运算放大电路及设计4.10.1基本运算放大电路

运算放大电路的设计有各种类型，这里介绍智能仪器设计常用的基本类型，主要包括同相比例放大电路、反相比例放大电路、加法电路、失调电压调零电路等，以及运放单电源供电问题。

基本运算放大电路有同相比例放大电路、反相比例放大电路、加法电路、减法电路等，如图4-40给出了基本的同相比例放大电路和反相比例放大电路。这里的电路适用于双电源应用，也就是需要VS+和VS--二个电源，例如±5V，±12V等。4.10.1基本运算放大电路对同相比例放大电路输出电压增益为

Am=VO/Vi=1+Rf/R1

反相比例放大电路输出电压增益为

Am=VO/Vi=-Rf/R1

二种放大电路各有优点和缺点，需要根据实际情况选取。

同相放大电路的优点是输入阻抗高，与运放的输入阻抗相等，缺点是放大电路没有虚地，因此有较大的共模电压，抗干扰能力相对较差，使用时要求运放有较高的共模抑制比，另一个缺点就是放大倍数只能大于1，要求输入阻抗高时选择同相放大电路。

反相电路的优点是两个输入端电位始终近似为零（同相端接地，反相端虚地），只有差模信号，抗干扰能力强；缺点是输入阻抗小，等于信号到输入端的串联电阻的阻值。要求输入阻抗不高且相位无要求时，可选反相放大电路，反相放大的放大倍数为负。4.10.2

单电源运算放大电路

前边的同相比例放大电路和反相比例放大电路必须是双电源工作，如果单电源应用，则交流信号会出现波形不完整等问题。运放双电源工作时，电路简单，电路性能也较好。双电源工时相当于将电路的工作参考点设置在了地电位，电压为0。

运放单电源工作时，输出电压的下限接近0，而不可能输出负电压信号，当信号电压接近0时，信号会严重失真，因此不能放大过零的交流信号。同时根据单电源运放的结构如LM358，其输入端差分对管电压不应反偏，反偏时输入级会截止。因此需要给输入和输出设置合适的静态电压，对交流信号，为了达到最大动态范围，一般设置为电源电压一半。

运放单电源工作时，分交流耦合与直流耦合二种，均可以通过对双电源电路改造得到。这方面不同的应用，电路设计会不同，主要思想是给输入和输出设置合适的静态电压4.10.2

单电源运算放大电路

反相交流耦合比例电路，如图所示，运放的VS-接地，VS+接正电源，如+5V，同相端由原来的接地，改为静态电压VREF，一般可以取VREF=VS+/2，可以利用2个等值的电阻分压得到，分压电阻可以取值10kΩ-100kΩ。要求高时可以接一个电压跟随器。电容C1、C2为耦合电容或隔直电容，需要根据电路的带宽要求选取，频率低时取大一些，频率高时可以取小一些。4.10.2

单电源运算放大电路

同相交流耦合比例放大电路有多种形式，图4-42给出了一种。R2、R3构成分压电路，给输入端提供一定的偏置电压。电容C1、C2为隔直电容，可以取较大电容如1μF。输入输出之间关系：4.10.2

单电源运算放大电路

对单电源直流耦合运放电路，可以有多种不同电路，如图4-43、4-44给出了一种反相和同相输入电路。图4-43单电源直流耦合反相比例放大电路

图4-44单电源直流耦合同相比例放大电路4.10.2

单电源运算放大电路

对单电源直流耦合运放电路，可以有多种不同电路，如图4-43、4-44给出了一种反相和同相输入电路。图4-43单电源直流耦合反相比例放大电路

图4-44单电源直流耦合同相比例放大电路4.10.3加法电路

在智能仪器设计中，加法电路也是常用的电路，加法电路在波形平移、极性变换、零点调节等电路中都有应用。如图4-45给出了反相加法和同相加法电路，该电路只适用于双电源。4.10.3加法电路

对交流耦合与比例放大电路类似，需要在输入输出电路中加入隔直电容，不再赘述。这里只介绍直流耦合加法电路。如图4-46给出了单电源加法电路（直流）。4.10.4运算放大器电路的失调电压调零

在多数放大电路中，通常需要对输出失调电压进行调零。由于受到运算放大器失调电压、失调电流或外部电路的影响，当运放电路的输入为零时，输出可能不为零，将会影响运放电路的性能或后续信号处理的过程，需要通过电路将输入为零时，输出也调整到零。调零的原理是在运放的输入增加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有众多的运放芯片中，有少部分引出有调零端，只需要按照器件的规定，接人调零电路进行调零即可，因此这里只介绍没有调零端的运放的调零，调零电路有多种，这里只介绍一些基本的调零方法。4.11有源滤波电路设计

在智能仪器设计中，有很多应用场合，不可避免地受到干扰或噪声的影响，因此通常都需要滤波电路，另外数据采集系统中，为了避免混叠现象，ADC前端一般需要抗混叠滤波。滤波器是一种能够让一定频率的信号通过，而阻止其它频率信号或干扰通过的电路。滤波器的主要作用有：（1）去除有用信号中的噪声和干扰。（2）防混叠滤波。在数据采集电路中，需要根据采样频率，设计合适的防混叠滤波器。根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于信号中最高频率的2倍，才能够从采样信号中无失真地恢复原信号，否则会出现混叠现象而无法恢复原信号。（3）选频滤波器。在复杂的信号中挑选出需要的信号，如超声波测距、超声波风速仪等，所用的超声波为40kHz或200kHz，需要电路具有选频作用，只通过所用频率的信号，降低干扰的影响。4.11有源滤波电路设计

滤波器从原理上为无源滤波器、有源滤波器、开关电容滤波器和数字滤波器等几种，有源滤波器是由R、C元件和运算放大器构成，除了能够对信号进行滤波外，还可以对通带内的信号进行放大或衰减，而且多级级联时相互影响小，没有电感元件，滤波器的体积和重量都较小，在智能仪器设计中得到广泛应用，因此这里只介绍有源滤波器设计。有源滤波器从功能上分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）；从电路构成上分一阶滤波器、二阶滤波器和高阶滤波器。一阶电路比较简单，这里不作介绍，常用的是二阶低通滤波器，这里只介绍二阶低通滤波器。4.11有源滤波电路设计二阶有源低通滤波器的传递函数为

递函数为不同的Q值，会导致二阶低通滤波器的不同响应特性。有三种类型的低通滤波器（也称为滤波器的响应类型）：4.11有源滤波电路设计

巴特沃斯低通滤波器的特征频率f0（Ω=1）恰好是其截止频率fH（衰减到-3dB时的频率），在输入信号频率为f0时，其增益的模（指归一化增益H(jΩ)/Am的模）为0.707，具有最平坦的通带区间，过渡带下降速率一般。由于参数唯一，设计方便，使用广泛。图4-49三种低通滤波器的频率特性4.11有源滤波电路设计

切比雪夫滤波器在输入信号频率为f0时，其增益的模大于0.707，也可以是1，甚至超过1。它具有最为陡峭的过渡带，因此和理想滤波器最为接近。但是，在通带内，它的增益具有隆起，Q值越大，隆起越严重。贝塞尔滤波器在输入信号频率为f0时，其增益的模小于0.707，从通带到阻带的过渡最为缓慢，与理想的滤波器差距最大。虽然看起来优点不大，但贝塞尔滤波器具有最大的线性相移区间，可以有效减少复合波形的相位失真。三种类型的低通滤波器各有优缺点，设计时需要根据要求进行选取。4.11有源滤波电路设计

常用的二阶有滤波器有二种，一种是基于运算放大器同相输入的SK型滤波器，另一种是基于运算放大器反相输入的MFB滤波器，这里介绍两种低通滤波器的设计。1.SK型二阶低通滤波器设计SK型二阶低通滤波器如图所示。由一个运算放大器、4个电阻和2个电容构成，如图4-50所示，运算放大器为同相输入。4.11有源滤波电路设计

滤波器的设计，一般已知ω0或f0，Am，Q，选择2个电容，4个电阻，完成对电路的设计。直接利用上述3式计算R1-R4和C1、C2比较困难，可以采用如下简化方法。

可以先假设两个电容为已知，决定Am的R3、R4可以单独求解，然后解出R1、R2。

根据以上几个公式，可以确定R1-R4和C1、C2。可以先确定一个合理的C1，根据上述式子确定C2，根据增益公式确定适当大小的R3、R4。4.11有源滤波电路设计

理论计算出的电阻值和电容值，可能是任意值，实际取值时应取标称值，标称值分为两大系列，分别为E-24系列和E-96系列，精度为别为5%和1%。C1的选取可以参照表4.7选取，可以避免R1、R2过大或过小。表4-7滤波器电容取值参考表4.11有源滤波电路设计2.MFB型二阶低通滤波器设计MFB型二阶低通滤波，由一个运算放大器，3个电阻和2个电容构成，如图4-51所示，运算放大器为反相输入。MFB型二阶低通过滤波器的传递函数为：4.11有源滤波电路设计

两个电容C1、C2首先需要确定一个，然后根据约束，再确定另一个，C1和C2理论上可以任意。但它们的取值会影响电阻的取值，因此要保证两个电阻值不要太大或者太小。可以参照表（4-7）选择C1，然后根据式（4-45）选择C2。

SK型滤波器和MFB型滤波器各有优