测控电路内容：第一章绪论

1、第一章 测控电路设计实用技术基础 测量与控制是认识客观世界和顺应客观规律的必不可少的重要手段。现代生产为了保证产品质量和提高生产效益，必须对生产过程进行严格控制，而要实现这种控制，就必须对生产过程的各种参数和状态进行实时有效的测量。因此，测量是控制的基础，控制离不开测量。实际上，在科学技术高度发达的今天，测量与控制已经渗透到工业、农业、国防、科学研究和现代社会生活等各个领域。由于目前电参量在信息转换、处理、传输、存储等方面具有较成熟的技术和手段，多数物理量的测量和控制以电参量的形式进行，故测量和控制电路在测控系统中具有不可替代的作用1.1测控电路的作用与基本组成现代测控系统常见的基本构成如图1

2、-1所示。测控系统的最前级为传感器，其作用是将各类被测量转换成与之具有一定函数关系的电量（通常为电压）；但是，传感器的输出信号一般都很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要用测量电路即信号调理及数字化等电路将它放大，剔除噪声，选取有用信号，按照测量与控制功能的要求，进行所需演算、处理与变换，形成为计算机能够识别及处理的信号；计算机系统的作用是对数字化了的被测信号进行计算、定标、误差校正或自校准等处理，一方面，经处理的测量结果由显示输出系统显示，由记录系统打印、绘图或由报警系统给出报警信息；另一方面，经算法运算过的控制信号经控制电路驱动执行机构，对测控对象进行控制。通常我们将测量电路和控制电路统称为测

3、控电路，它已融入测控系统的各个环节，并在其中发挥重要的作用，可以说离开测控电路，测控系统是无法实现的。图1-1测控电路在现代测控系统中的作用和位置计算机系统测控对象传 感 器测 量 电 路控 制 电 路执 行 机 构显 示 系 统记 录 系 统报 警 系 统测量电路担负着信号二次变换的重任，其实质是电位或波形变换，其主要功能是放大有用信号，抑制传感器输出信号中的噪声，并将放大后的信号进行数字化；控制电路担负着实现控制功能的输出驱动信号的重任。由于被测和被控物理量及其相应传感器和驱动器的多样性，与此相应的测量与控制电路必然具有多样性，因此测控电路在设计上灵活性很强。从测量准确度的角度来说，测量电

4、路位于系统获取信息的最前级，对测量的准确度起决定作用，控制电路处于系统对控制装置的前级，直接影响控制的准确性及精度，二者均为现代测控系统的关键点，也是设计测控系统的难点，在现代测控技术中占据极其重要的地位。1.1.1 对测控电路的主要要求测控系统对测控电路的基本要求可以概括为高精度、高灵敏度、高分辨力、快响应和高可靠性。有时还有一些其他要求，如量程和经济性等。1精度高对于测控电路，高精度是主要指标之一，准确地测量被测对象的状态与参数，是可靠、精确控制的基础。为实现高精度，测控电路应具备下列性能。1）低噪声与高抗干扰能力 在精密测量中，传感器输出信号的变化往往是很微小的。要精确测得被测参数的微小

5、变化，必须要求电路具有低噪声与高抗干扰能力，包括： * 合理设计电路，合理布线与接地，选用低噪声器件，采取适当的隔离与屏蔽等。* 对信号进行调制，合理安排电路的通频带，对抑制干扰有重要作用。* 采用具有高共模抑制比的电路，对抑制干扰也有重要作用。因2）低漂移、高稳定性首先应选择温漂小即对温度不敏感的元器件；其次应尽量减小电路的、特别是关键部分的温度变化，包括减小电路中的电流，让大功率器件远离前级电路，安排好散热等。还要注意电路的长期工作稳定性、要采取相应的措施克服元器件的老化、开关与接插件的弹性疲劳和氧化引起接触电阻变化等因素引起的漂移。3）线性与保真度好大多数情况下，要求系统的输入与输出间具

6、有线性关系。因为线性关系使用方便，如线性标尺便于读出，在换挡时不必重新定标，进行模数转换、细分、伺服跟踪时不必考虑非线性因素，波形不失真等等。但若系统按线性设计，电路不能保证线性，便会带来误差。保真是指信号处理前后的波形不发生变化，这除要求电路的良好线性，还要求在信号所占有的频带内，有良好的频率特性。4） 有合适的输入与输出阻抗即使电路满足上述的各种要求，但如果某一测控系统中各单元电路输入输出阻抗的不匹配，也仍有可能给系统带来误差。若与传感器相连的测量电路输入阻抗太低，会使传感器的信号过多地衰减。如果该测量电路输入阻抗太高，输入端噪声也会很大，因此合理的要求是使电路的输入阻抗与前级的输出阻抗相

7、匹配。同样若电路的输出阻抗太大，在接入输入阻抗较低的负载后，也会使电路输出下降。因而电路的输出阻抗与后级的输入阻抗也应当相匹配。2. 动态性能好动态性能好包括响应快和动态失真小。测量电路没有良好的频率特性、高的响应速度，就不能准确地测出被测对象的运动状况，无法对被测系统进行准确控制。对一个存在高速变化因素的运动系统，控制的滞后可能引起系统振荡，振荡的幅度还可能越来越大，导致系统失去稳定。为了能够测出快速变化的参数，为了使一个高速运动系统稳定，要求测控电路有高的响应速度和良好的频率特性。3 高灵敏度和高分辨能力电路的灵敏度是指输出变化量与引起该变化的输入变化量的比值，其表达式为可见，灵敏度的本质

8、是电路的增益，其增益越大，灵敏度越高。分辨能力是指电路能够检测出的最小输出量。提高测控电路分辨输入信号的能力是保证测量精确的前提，只有分辨出信号，高灵敏度才能发挥作用。不能在分辨力不高的情况下盲目提高灵敏度。4转换灵活为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求测控电路具有灵活地进行各种转换的能力。1）模数与数模转换测控电路所面对的客观存在物理量多为模拟量，传感器的输出信号也以模拟信号居多。在计算机测控系统中，为有效、可靠地处理、存储、传输所测量的信号，需要将模拟信号转换为数字信号，输入到计算机，这就是模数转换。另一方面，控制执行机构的动作，又常需要模拟信号驱动，这时又需要将计算机系统的数字信号

9、转换为模拟信号，这就是数模转换。2）信号形式的转换为了满足信号处理与传输上的需要，还常需要进行直流与交流、电压与电流信号之间的转换。一个信号的大小，可以用它的幅值、相位、频率、脉宽等表示，为了信号处理、传输与控制上的需要，也常需要进行幅值、相位、频率与脉宽信号等之间的转换。3）量程的变换当测控系统面对大范围信号幅度时，常需要设置多个量程，以保证所需要的灵敏度和分辨力。若用大量程测量微小的量值变化，达不到所需的灵敏度和分辨力，从而不能保证测量精度。反之，用小量程测量大的变化量，则会引起饱和与失真。故要求电路应能根据信号的大小进行量程的变换。4）信号的处理与运算在测量与控制中应能方便地对信号进行处

10、理与运算，如求平均值、差值、峰值、绝对值，微分、积分运算等。还包括对线性化处理与误差补偿，进行复杂函数运算及逻辑判断等。5可靠性高所谓可靠是指测控电路无故障工作，一般用平均无故障工作时间来衡量。测控电路所面对的环境非常复杂，工作条件千差万别，如：高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、遥测、高压力、高电压、深水、强场、易爆等等。在这些不同的条件下都要求测控电路能可靠工作。从某种意义上看，可靠性是测控电路的生命。6. 经济性好若一个测控电路可以应用到各种场合，被广泛应用，则不能忽略对电路的成本要求。设计电路时，应在满足性能要求的基础上，尽可能地简化电路，尽量采用通用部件实现所要求的性能，没有必要无谓

11、地追求高性能。1.1.2 测控电路的信号及基本组成1.1.2.1 测控电路的输入与输出信号测控电路的输入信号来自传感器，因此，测控电路的输入信号的类型因传感器的不同而各异，测控电路的输出信号也随传输对象的不同而变换成各种形态，这些信号的类型和形态可归纳为模拟信号和数字信号两类1 模拟信号模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 测控电路中表现为与被测信息或者给定信息连续对应的信号。包括非调制信号和调制信号。Oxt12图1-2 非调制模拟信号（1） 非调制信号在幅度和相位上与被测信息的大小、波形直接对应的信号。如图1-2所示，曲线1代表被测信号，曲线2代表测控电路的输入信号。二者在大小

12、与波形上具有直接对应关系。如采用热电偶测温时接收到的电信号，采用压电传感器测量压力时所获得的信号，采用光电二极管测量亮度的信号等，其大小和波形与所测的物理量均一一对应。（2） 已调制信号图1-3 交流电桥调幅电路调制就是用一个信号（调制信号）去控制另一个作为载体的信号（载波信号）让后者的某一参数（幅度、频率、相位等）按前者的值变化。通过调制，将被测信号调制后生成已调制信号。在信号调制中，常以一个高频正弦信号作为载波信号，可以用测量信号对该正弦信号的幅值、频率和相位进行调制，分别称为调幅、调频和调相，形成已调制信号。如图1-3所示，将应变片接入交流电桥来测量梁的变形，此时与应变片电阻的变化所对应

13、的电桥的输出就是调幅信号，其信号幅值为应变片的电阻信号所调制。2 数字信号数字信号指幅度的取值是离散的，如二进制码就是一种数字信号。通常需要采集的数字逻辑信号包括频率信号、逻辑编码信号、开关信号等。（1） 增量码信号即脉冲频率信号。被测量值与传感器输出的脉冲成正比，即测量值的大小由脉冲数的增量所决定。如光栅测位移、磁电式或霍尔式转速测量、电磁式流量测量等传感器的输出信号就是增量码信号。步进电机的控制信号也是一种增量码信号，电机的转角大小由测控电路输出的脉冲数决定。（2） 绝对码信号绝对码信号是一种与状态相对应的信号。实际上是一种逻辑编码信号，如码盘，它的每一个方位角度对应一组编码。现在有的传感

14、器是数字型的，它输出的直接是编码的逻辑信号，如温度传感器DS1820，在测量范围内它的每一个温度值对应一组编码。各种串行通信的信号也都是绝对码信号。（3） 数字I/O信号又称为开关信号，是一位绝对码信号。开关信号只有0和1两种状态。光电开关、触发式传感器的输出信号，以及电磁铁，继电器等通、断控制信号均属于数字I/O信号。 1.1.2.2 测控电路的基本组成1. 模拟式测量电路的基本组成图1-4是模拟式测量电路的基本组成。传感器通常是非电量测量部件，其输出已是电量；根据被测量的不同以及分辨力的要求，可进行相应的量程切换；传感器的输出信号一般较小，故常需要放大；在采用信号调制的场合，信号调制与解调

15、用同一振荡器输出的信号作载波信号和参考信号；利用信号分离电路（常为滤波器），将信号与噪声分离，将不同成分的信号分离，取出所需信号；有的被测参数比较复杂，或者为了控制目的，还需要进行运算；对于传统的典型模拟式电路，无需模数转换电路和计算机，而直接通过显示执行机构输出。现在，越来越多的模拟信号测量电路输出数字信号，需要模数转换电路以及计算机系统，以实现较复杂的数字和逻辑运算或较大量的信息存储。图中所示各个组成部分不一定都需要。例如，对于输出非调制信号的传感器，就无需用振荡器向它供电，也不用解调器。另外，图中运算电路、模数转换电路、数模转换电路和计算机等部件被画在虚线框内，表示电路中可以没有这些部分

16、。图1-4 模拟式测量电路的基本组成传感器电 源振荡器量程切换电路放大器解调器信号分离电路运算电路数模转换电路数模转换及驱动电路执行机构计算机系统显示系统测控电路2. 数字式测量电路的基本组成增量码数字式测量电路的基本组成如图1-5所示。一般来说增量码传感器输出的周期信号也是比较微小的，需要首先将信号放大；又是需要对信号进行整形，以适应数值信号的要求；传感器输出信号一个周期所对应的被测量值往往较大，为了提高分辨力，需要进行内插细分；在有的情况下，增量码一个周期所对应的量不是一个便于读出的量，需要对脉冲当量进行变换；被测量增大或减小，增量码都作周期变化，需要采用适当的方法辨别被测量变化的方向，辨

17、向电路按辨向结果控制计数器作加法或减法计数；在有的情况下辨向电路还同时控制细分与脉冲当量变换电路作加或减运算；采样指令到来时，将计数器所计的数送入锁存器；传统数字测量系统将该信号送到显示执行机构进行显示，或按测量值执行相应动作。而现代数字式测量系统无一不采用计算机进行处理。图1-5 增量码数字式测量电路的基本组成电路驱动电路执行机构计算机系统显示系统传感器电 源计数器放大器细分电路脉冲当量变换电路整形电路锁存器辨向电路指令传感器绝对码和开关式测量电路比较简单，它基本上就是一套逻辑电路。以适当方式译码，进行显示和控制。3.控制电路的基本组成控制方式可分为开环控制与闭环控制两种，这两类控制系统的组

18、成也不同。1）开环控制开环控制系统的基本组成如图1-6所示。在控制系统的输入端通过给定机构设置给定信号；通过设定电路将它转换成电压信号，经放大和转换后控制执行机构改变加热电阻丝中的电流，使炉子（被控对象）获得所需温度。只要让输入的设定信号按设定规律变化，可以让输出按所要求的规律变化。图中点画线框内所示部分为控制电路。图1-6 开环控制系统的基本组成给定机构设定电路控制电路执行机构被控对象输出显然，这种控制系统难以保证系统的输出符合所需要求。首先，系统能够获得正确的输出是建立在输入与输出有确定的函数关系基础上的。也就是说系统的模型，或者说它的传递函数正确、不变。系统的传递函数的任何变化将引起输出

19、的变化。其次，不可避免地会有扰动因素作用在被控对象上，引起输出的变化。2）闭环控制图1-7 闭环控制系统的基本组成输出给定机构设定电路被控对象转换电路执行机构校正电路放大电路比较电路传感器控制电路扰动闭环控制系统的基本组成如图1-7所示。它的主要特点是用传感器直接测量输出量，将它反馈到输入端与设定电路的输出相比较，当发现它们之间有差异时，进行调节。这里系统和扰动的传递函数对输出基本没有影响，影响系统控制精度的主要是传感器和比较电路的精度。在图1-7中，传感器反馈信号与设定信号之差经放大后，不直接送执行机构，而先经过一个校正电路。考虑到从发现输出量发生变化到执行控制需要一段时间，为了提高响应速度

20、常引入微分环节。另外，当输出量在扰动影响下作周期变化时，由于控制作用的滞后，可能产生振荡。为了防止振荡，需要引入适当的积分环节。也可能需要先进行某些运算或处理。在实际电路中，往往比较电路的输出先经放大再送入校正电路，视需要可能再次放大(图中未表示)。图1-7为原理性构成。加入转换电路的目的是使执行机构获得所需类型的控制信号。1.2集成运算放大器基础知识集成运算放大器是测控电路中应用最广泛的单元电路之一，简称集成运放。在现代测控系统中，电路设计的技巧主要体现在对集成运放的应用上，是测控电路设计的难点所在。因此，有必要了解和掌握集成运放的基础知识。1.2.1 集成运放的基本特性及其分类1.集成运放

21、的特性图1-8 运算放大器特性及等效电路集成运放是一种差分输入、单端输出的放大器，这种放大器能借助不同的外部反馈连接实现各种运算功能，因此被称之为运算放大器。其符号如图1-8(a)所示。其中“vN”和“vP”符号的输入代表反相和同相输入端。“vo”是输出端。运算放大器没有接地端，输出信号赖以参考的接地端是由正负电源的公共端在运放的外部建立起来的。图中用VCC代表正电源，用VEE代表负电源。图1-8(b)是运算放大器的等效电路。这个等效电路包括差分输入电阻rd，电压增益a和输出电阻ro。由图可知，差模输入电压 当输出不加负载时 （1-1）虽然两个输入端对地都具有独立的电位，但（1-1）式表明，运

22、算放大器的输出仅仅对两个输入电压的差作出反应，因此运算放大器也是一种差分放大器。 图1-9 同相结构反馈放大电路运算放大器只有在添加外部反馈后才能正常工作，如图1-9所示的是典型的同相结构反馈放大电路。为求得电路的闭环增益，可在节点vN和vo处，根据基尔霍夫定律将电流相加，得 消去vN，并设A=vo/vi，求解得到 （1-2）通常，集成运放的增益a105，输入阻抗rd106，输出阻抗ro105，有些可达107级；实际运放的输入阻抗大都106，甚至高达1012；而实际运放的输出阻抗大多数都在100欧姆以下；实际运放的频率响应特性是随着频率的增加而下降的，但只要限制在一定频率范围内，也可以按照理想

23、运放的方法进行分析和设计。1.2.3运算放大器误差及其补偿1.输入失调电压对理想运算放大器，输入电压为零，输出电压也必然为零。然而，实际运算放大器中，由于运放前置级正负两部分之间存在固有的适配，输出电压常常不为零。必须在输入端加上某一校正电压后才能使输出为零，这一校正电压便称为输入失调电压Vos。这种失调电压随时间和温度而变化，即零点在变动，常称零点漂移。如图1-11所示的反相放大器输入失调示意图，给出了输入失调电压产生的内部机理。当输入电压ui为零时输出电压不为零，这时输出端的电压称为输出失调电压uo，在忽略失调电流Ib的情况下，可用下式表示：图1-11 反相放大器输入失调示意图（1-7）由

24、上式可知，输入失调电压相同的情况下，增益(R2/R1)越大，输出失调电压越大，所以失调电压是影响运放精度不可忽视的因素。2.输入失调电流普通运算放大器的输入端都是晶体管的基极，会吸收少量电流，如图1-11所示，输入端有直流偏置电流Ib1、Ib2流过。将两电流的均值称为输入偏置电流 （1-8）由于输入级正负两部分的差异，Ib1和Ib2必然失配，将其差值称为输入失调电流 （1-9）即使在无外加信号时，Ib1、Ib2始终存在，于是就在R2和R3两端产生电压降u1和u2，u1直接引起输出电压的变化，u2相当于作用在同相端的输入电压，所以在输出端产生的失调电压uo2为 （1-10）若取R3=R1/R2，

25、则 （1-11）由上式可知，当Ib1Ib2，即输入失调电流Ios0时，R2越大，由输入失调电流所引起的输出失调电压越大。因此，为了减小输入失调电流对输出失调电压的影响，反馈电阻R2不能取得太大，通常取R2100K。3.输入失调电压和输入失调电流实测为了正确地设计信号放大电路，需要对所选用的运算放大器的输入失调电压、输入失调电流和温度特性进行实测。实测的方法有多种，这里介绍一种常用的实测方法，如图1-12所示。该方法对电阻的选取，要求R1R3，通常取R1R3，满足要求。例1.2.2 设计由LM358型集成运放组成的反相放大器的调零电路（同相端接入），放大器的输入电阻为10k，放大倍数为10。LM

26、358输入失调电压的最大值UOSm=9mV，输入偏置电流最大值IIBM=500nA。解：选择电路图如图1-13 （b）。（1） 电源电压取15V。取R1=10k（放大器的输入电阻），因为放大倍数=10，所以取R2=100k。（2）取RP=100k线绕电位器。则IRP=0.3mA（3）选择R3+R5为 取R5=51，R3=9.1k，VosM/IBM=910-3/(510-7)=18kR3 +R5，符合要求。（4）选择R4。取ua=15mV。 取系列值R4=51k。1.2.4运放电路的稳定性及相位补偿在集成运放应用的过程中，有时会出现工作不稳定的现象，表现为：放大电路在无输入信号的情况下，却输出一

27、定频率的信号。放大器输入直流或低频交流信号，却输出频率较高的信号。这些现象被称为自激振荡。1负反馈放大器的稳定条件多数运放都工作于反馈状态，如图1-14所示。图中ui为电路的输入电压，uo为电路的输出电压，uf为电路的反馈电压，uio为运放的输入电压，A为运放的开环增益，为反馈电路所决定的反馈系数。由图可知 图1-14 具有负反馈的放大电路A（放大）（反馈）ufuiuiouo 则 从而 于是，闭环放大倍数 （1-11）运放的开环放大倍数A是随着输入信号频率的增高而逐渐减小的，如果在某个频率下，A=1，则Af。此外，负反馈电路在低频段具有180的固定相移，随着频率的增高，放大器和反馈网络会产生附

28、加相移，一旦这种附加相移达到180，使整个回路的相移达到360，负反馈将转化为正反馈，此时，如果A=1，则放大电路将在该频率下产生自激振荡。即反馈放大器处于临界稳定的条件可用相应的幅值条件和相位条件来表示 （1-12） （1-13）所以，A=1频率处的输入输出相位是决定负反馈电路稳定性的参数。从工程实际的观点来看，仅仅在临界状态下保证不发生自激振荡是远远不够的，因为使用条件稍有变化就可能使原先稳定的放大器产生振荡。因此，实际应用中要求放大器不仅是是稳定的，还要有一定的稳定裕量，通常用相位裕度和增益裕度来描述。如图1-15所示。相位裕度：与回路增益A=1的频率相对应的附加相移与180之间的差值。

29、 (A=1)式中，c0，称为相位裕度，通常工程上选c45。增益裕度：当回路增益的相角达到180时所对应的回路增益模值 (=-180)图1-15 增益裕度和相位裕度的图形表示fxfxcAc-180ff|A |(dB)A00-90-180通常用dB来表示。该数值为负，则理论上系统稳定。为保证系统具有足够的相位裕度和增益裕度，通常在电路中的适当位置施加补偿网络进行补偿。补偿方法分为内部补偿和外部补偿。内部补偿是将补偿网路接入运放的内部，通过改变运放的开环频率特性来满足稳定条件的。外部补偿是将补偿网络接入运放外部输入回路或反馈回路，通过修改运放的开环特性A（j）或反馈系数(j)的特性来满足稳定条件的。

30、现代集成运放大都具有固定的频率特性，无法从运放内部实施相位补偿，因此，以下部分只讨论外部补偿。2.增益补偿当电压反馈的运放电路中，闭环增益与环路增益相关，可以通过改变闭环增益使电路变得稳定。如图1-16所示是对反相放大电路进行增益补偿的实用电路。该电路通过在输入端上跨接一个电阻实现增益补偿。由图可得图1-16 增益补偿电路整理，得即 （1-16）则选择适当的Rc，使得 （1-17）即可达到电路稳定的目的。3相位补偿从本质上讲，相位补偿就是在运放的电路中引入某种RC网络，在整个回路的开环频率特性中引入新的零点或极点，以达到修改其固有频率特性的目的。相位补偿的着眼点：在整个回路的附加相移达到180

31、以前的频段上将整个回路增益A降到1以下或在回路增益A等于1的频段上保证回路的附加相移小于180。图1-17 输入滞后补偿电路1） 输入滞后补偿使回路增益的附加相移增大的相位补偿，能够降低中频段的回路增益，以实现使运放电路稳定的目的，这种方法称为滞后补偿。如图1-17所示是在增益反相放大器采用增益补偿基础上，增加一个电容，将其与输入端跨接的电阻相串联，从而实现滞后补偿的实用电路。由图可得由uo=-AV-整理，得则 式中的零点频率f0和极点频率fp分别为 （1-18） （1-19）式中，f0fp。只要适当地选择零点频率f0和极点频率fp的位置，就可以在放大器回路增益等于1时，使回路的附加相移小于1

32、35，满足稳定要求。通常，极点频率fp选择在运放开环增益曲线（图1-15）的第一个转折点f1之前，零点频率f0选择在第二个转折点f2的1/10处。即则在按增益补偿方式确定Rc的基础上，可以确定Cc： 2） 反馈超前补偿采用反馈电容使回路增益的附加相位减小的补偿方式，称为超前补偿。其作用是通过产生超前相位达到稳定目的。图1-18 反馈超前补偿电路如图1-18所示为超前补偿的实用电路。这个电路将电容设在反馈通路上产生超前相位。由图可得 取R3=R1/R2，可导出 式中，零点频率fz和极点频率f0分别为 （1-20） （1-21）由于R3fz。设需要增大的相位频率 则 超前补偿的优点是能够更好地滤除

33、内部产生的噪声。不过也存在一些限制：（1）只有当R2R1时，才具有较好的补偿效果；（2）当R2很大，要求的fz又很高的情况下，Cf必定很小，补偿效果也不理想；几种补偿电路中，增益补偿是最简单的方式。如果一个运放电路可以通过增益补偿方式实现稳定，那就尽量采用这种电路。输入滞后补偿方式有助于提高运放的上升速率，可以获得最好的闭环频率特性，但也增加了高频噪声。另外一个缺点是降低了闭环差分输入阻抗。1.2.5 标准运放反馈电路实际的运放反馈电路可分为三种基本类型：同相放大电路、反相放大电路及差分放大电路。利用理想运算放大器的特性，可以轻松设计出标准的运放反馈电路。1. 同相放大电路1）闭环增益图1-1

34、9 同相放大电路同相放大电路的基本形式如图1-19所示。由图可知 可得其闭环增益为 （1-22） 式中，R2可按下式选取 其中，ro为集成运放的输出电阻；rid为集成运放的输入电阻；电阻R3是为消除偏置电流及漂移的影响而设置的补偿电阻，考虑前级电路输出阻抗Rn的情况，若RnR1/R2，则 且 图1-20 高内阻信号源同相放大电路其中，Vio和Iio分别为集成运放的输入失调电压和输入失调电流。当RnR1/R2时，电路演变为图1-20所示形式，此时 同相比例放大器的闭环增益Af仅与外部电路元件R2、R1有关，而与放大器本身参数无关。此外，同相比例放大器的闭环增益总是大于或等于1。2）输入阻抗外部元

35、件为纯电阻时，电路的输入阻抗Ri为 （1-23）式中 rid运算放大器的开环输入阻抗；A运算放大器的开环增益。3）输出阻抗不考虑负载的情况下，电路的输出电阻 （1-24）同相放大电路具有高输入阻抗，但也有易受干扰和精度低的不足。例1.2.4 试设计用于红外线传感器的放大电路。要求增益Af=60；红外传感器的输出阻抗为180k，输出直流信号范围0200mV。解：（1）鉴于传感器输出阻抗较高，选取图1-20所示电路。 （2）选用OP07超低失调集成运放，查产品手册可得其rid=60M，ro=60。（3）电路的输出电压最大值Uom=AfUim=0.260=12V，故取电源电压为15V。 （4） 选择

36、电阻取E192系列标称值，R2=324K。 取E192系列标称值，R1=5.49K。 因为Rn=180k，故RnR1/R2。选取1 取E192系列标称值，R3=174K。2.电压跟随器将基本同相放大器的中的输出端Vo与反相输入端V-短路，即构成电压跟随器，如图1-21所示。它是同相放大电路的一种极端形式，其电压增益图1-21 电压跟随器基本电路电路的输入阻抗Ri为电路的闭环输出阻抗非常小，其值接近于0。使用电压跟随器电路时，特别要注意堵塞现象。即加在同相端和反相端的共模电压超过集成运放的共模输入电压的指标时，会导致运放内部输入级晶体管的饱和，而无法接收输入信号。即使输入信号消失，这种饱和现象也

37、不会立即解除，严重时还会烧毁器件。通常采用下述方法防止堵塞现象。图1-22 电阻分压法消除堵塞电路1) 电阻分压法当信号源的环境出现异常或强烈干扰时，输入信号有可能会超出集成运算的共模电压范围，从而引起堵塞现象。如果可以预测到这种异常信号的幅度，则可以利用电阻分压的方法避免堵塞现象的发生。具体电路如图1-22所示。设运放的最大共模输入电压为VICM，可预测的异常信号为Uicx，则分压电阻满足下列关系时可以避免堵塞。即，Rn1和Rn2应满足以下关系：图1-23 限流法消除堵塞电路 图中电阻R1、R2、R3的选择可考虑对分压所造成的衰减进行补偿，按同相放大器的设计方法确定。2) 限流法如图1-23

38、所示。在电压跟随器的反馈回路中采用反馈电阻（RF）限制反馈电流，可以削弱或消除堵塞。RF取值为210k，RP为平衡电阻，取RP=RF。3) 限制输入法限制输入法是将输入电压箝位到特定的电压，用以防止发生堵塞。分为二极管限制输入和稳压管限制输入两种方法。采用二极管限制输入法的防堵塞电路有两种，分别如图1-24(a)、(b)所示。图中VD1和VD2选择1N4148型高速开关二极管，正向压降小于1V，最高反向为75V，正向电流为150mA，反向电流为0.025A。 图1-24 二极管限制输入法防堵塞电路(b)(a)图1-25 稳压管限制输入法防堵塞电路图1-25所示的是采用稳压管限制输入的防堵塞电路

39、。电源电压为15V，若VS1和VS2选择MTZ10A型稳压管，稳压管的稳压范围UZ为9.129.59V左右，正向压降UF为0.7V，则箝位电压为（UZ+UF）=（9.8210.29）V。3. 反相放大电路1）基本反相放大电路（1）增益反相放大电路的基本形式如图1-26所示，由图可知图1-26 反相放大电路 可得闭环增益为 （1-25）式中，R2可按下式选取 其中，ro为集成运放的输出电阻；rid为集成运放的输入电阻；电阻R3是为消除偏置电流及漂移的影响而设置的补偿电阻，可由下式求出： （1-26）且 其中，Vio和Iio分别为集成运放的输入失调电压和输入失调电流。（2）输入阻抗外部元件为纯电阻

40、时，电路的输入阻抗Ri为 （1-27）设计电路时，R1的选取应满足下式 其中，Rn为前级电路的输出阻抗。（3）输出阻抗不考虑负载的情况下，电路的输出电阻 （1-28）反相放大电路的优点是性能稳定，缺点是输入阻抗比较低，但一般能够满足大多数场合的要求，因而在电路中应用较多。例1.2.x2 试设计增益Af=10的反相直流放大电路。输入直流信号范围ui=00.8V，信号源内阻Rn=20。解：（1）选取图1-26所示反相直流放大电路。 （2）选用A741通用集成运放，查产品手册可得其rid=2M，ro=75，Vio=1mV，Iio=20nA。（3）电路的输出电压最大值uom=Afuim=0.810=8

41、V，故取电源电压为12V可满足要求。 （4） 选择电阻取E24系列标称值，R2=30K。 取E24系列标称值，R1=3K。 取E24系列标称值，R3=2.7K。R3Vio/Iio=50k，满足要求。2）单电源反相放大电路图1-27 单电源反相放大电路通常，集成运放构成的反相放大电路由双电源供电，即对称的正、负两组电源。但有些场合由于条件的限制需要单电源供电。单电源供电的反相放大电路如图1-27所示。利用理想运放的特性可得到如下关系：联立上式，得如果取R1=R3，R2=R4则 （1-29）若选用轨对轨运放，则输入信号的变化范围被设定为 即输出电压在VCC/2的基础上变化。4. 差分运算放大电路在实际的测量