▏隔离放大器与仪用放大器[优质内容]

1、智能仪器与系统,56学时 第二章 智能仪器的输入/输出通道及接口技术 （二）仪用放大器及隔离放大器,主要讲解的内容: 1)仪用放大器的作用及原理 2)仪用放大器的接口及使用 3)隔离放大器的作用及原理 4)隔离放大器的接口及使用,1,高级培训,重点：1）了解仪用放大器的基本工作原理 2)掌握程控指数增益仪用放大器和多 档程控仪用放大器的使用及接口形 式. 3）了解隔离放大器的基本工作原理 和使用,2,高级培训,用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高，只能用在要求不高，条件不太恶劣的场合，当它们的性能不能满足应用要求时，可以使用仪用放大器。仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件，它的特

2、点是：高输入阻抗，低偏置电流，低漂移，高共模抑制，平衡的差动输入和单端输出，放大增益可由用户选择电阻来设定。它的主要用途是作传感器信号的放大，或作差动小信号的前置放大。所以仪用放大器也是智能仪器中最常用的放大器之一。,一.仪用放大器（测量放大器）,1.仪用放大器的作用,3,高级培训,2.仪用放大器的工作原理,仪用放大器又称测量放大器或数据放大器。典型的仪用放大器电路结构为对称性结构如左图所示：它由三个运放和几个电阻组成。 由同相放大器A1,A2构成输入极,信号从A3输出,4,高级培训,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R3R4，R5R6。则放大器闭环增益为：,5,高级培训,从上式可看出:

3、由于电路参数选择对称形式,放大倍数和二个输入端的失调电压无关.所以输出信号不会受共模干扰的影响.即仪用放大器可抑制共模干扰. 改变电路参数RG或R都可改变其放大倍数. 一般为了保证电路参数的对称性，改变增益最合理，最简单的办法是改变RG的阻值。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻 若改变RG的阻值用程序控制,就可成为程控仪用放大器.,假设R3=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：,6,高级培训,2）仪用放大器特别适合用于长距离的测量。,3. 仪用放大器的特点及应用,1）仪用放大器由于采用对称结构且信号直接加在输入端，因此输入阻抗很高，有很强的抑制共模干扰能力

4、。,例如工业过程中的温度传感器热电偶就经常用在很恶劣的环境中，如用普通放大器放大这样微弱的传感器输出信号，放大器对干扰的抑制能力作用将很弱。一般使用差分仪用放大器. 如下图所示:,7,高级培训,图中使用可变增益放大器PGA203作为输出放大器,由二个运放OPA27作为输入放大器,电阻网络选择对称形式,使之构成的仪用放大器. 在原有的放大器的增益的基础上增加了100倍,分别得到了101,202,104,108的放大倍数,适当改变200(RG)的阻值,和程控放大器一样还可得到其它放大倍数.,8,高级培训,例如AD512, AD522， AD612，AD614 ,AD620，AD623都 是美国AD

5、公司生产的集成仪用放大器芯片，另外 INA114/118则是BB公司提供的二种高精度仪用放大器。 其主要性能指标均超过AD512, 还有MAX公司的 MAX4195/4196/4197等其中INA114是一种通用仪用放 大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 例1) INA114主要性能如下:,4. 集成程控仪用放大器,1) 典型的程控仪用放大器集成电路芯片,9,高级培训,电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值.对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一,10,高级培训,从上图可看出,由三个放大器和一些电阻构成,电阻选择对称形式.V0(6引脚)为输出信号,V1+和

6、V1-(2,3引脚)为对称输入信号,(4,7引脚)为供电电源,(1,8引脚)为外接可调电阻RG,(5引脚)为基准电压端. 使用时基本连接方法如下图所示:,11,高级培训,12,高级培训,50K二个内部反馈电阻之和,RG为外部可调电阻.,13,高级培训,利用仪用放大器AD612或AD614外接多路开关组成，其原理图如下：,例2 程控指数增益仪用放大器,14,高级培训,(23.24)引脚为 输入信号端, 14引脚为输出信 号端 3-12引脚为内部 可调电阻端,15,高级培训,使用2片模拟多路开关AD7503，AD7510，其中AD7503为八选一的 模拟多路开关接 3-10引脚用于选 择2-256

7、倍增益 电阻； AD751 接11-12引脚, 用于选择29.210 倍增益电阻.,16,高级培训,八选一多路开关,四选一多路开关,仪用放大器,控制端口用8031单片机的P1.0-P1.3，其输出控制代码NC与闭环增益A的关系是：,17,高级培训,由P1.3控制使能端,P1.0-P1.2控制增益的放大倍数. 当0 NC8时（低8位时）， P1.3=0，AD7503被选通，选通21 - 28的闭环增益； 当8 NC 9时，（高2位时） P1.3=1， AD7503被禁止， AD7510工作，选通29， 210的闭环增益。,18,高级培训,使用AD612或AD614外接电阻替代RG实现多档增益程

8、控仪用放大器。如下图所示：各档增益所需RG的阻值 可用下式计算：,其中Ai为各档所需闭环增益。,例3: 多档程控仪用放大器,程控仪用放大器,19,高级培训,在仪用放大器中，前级共模增益与电阻R1，R2，RG无关，因此可利用这一特点，通过改变R1，R2的阻值来改变整个放大器的闭环增益，可获得增益与控制代码成线性关系的程控仪用放大器。其原理图如下所示：,例4: 线性程控增益仪用放大器,20,高级培训,分别以N个等值电阻R的串联网络代替电阻R1和R2，为保证电阻的对称性,二组n选1的多路开关受控于同一个控制信号，同步切换与二组串联电阻的串接端,若控制信号代码所选通的开关与此开关串接入 反馈回路电阻R

9、的个数相同，则此时的闭环增益 为：,21,高级培训,图中R3=R4，R5=R6。显然通过选择R与RG， R5和R3的比值，可以得到所需的线性增益。 例如RG =2 R， R5= R3，则A=1+NC。,22,高级培训,在实际应用中，R1和R2的串联电阻网络和多路开关通常使用数字电位器来代替，其电路实现极为方便。下图给出了使用美国X i c or公司X9221双非易失性数控电位器实现的线性增益程控仪用放大器实例。,23,高级培训,数控电位器,0NC 63。最小增益为1，最大增益为12.7。增益步进值为0.2。,图中选用X9221芯片，VH端 和VL端电阻为40k，滑动端VW 步进电阻差值为794

10、 。 取RG =7.94 k，则程控增益为： A=1+0 . 2NC ， 其中， NC 为滑动端位置，,放大器使用8031的P1 .0口和P1 .1口作为X9221的串行总线时钟和通信线.,24,高级培训,二. 隔离放大器,1.隔离放大器的作用及使用场合,什么是隔离放大电器？ 隔离放大电器的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。 应用于何种场合？,隔离放大电器主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。隔离放大器的组成及表示符号如下图所示：,25,高级

11、培训,放大器分为输入（A）和（B）二个独立供电回路。,目前AD公司已生产出几种型号的隔离放大器，如277，284/286，289，290/292等。目前使用的隔离放大器主要有三种：,26,高级培训,光耦合式隔离放大器以光为耦合媒介,输入与输出在电气上完全隔离,通过光信号的传递,实现信号的传递.器件本身具有体积小，偏压系数低，漂移小，频带宽，漏电流极小，成本低等特点。有一些隔离放大器还提供了内置DC/DC变换器,给使用者提供更大灵活性,因此被广泛应用在各种输入输出隔离电路中。 其原理图如下:,2.光耦合式隔离放大器,27,高级培训,例如B-B公司推出的ISO100, ISO300,3650,3652等就是这样一种小型的廉价光耦放大器。还有惠普公司的HCPL7800,7800A/7800B等. 下面以3650为例介绍:,28,高级培训,29,高级培训,30,高级培训,3. 变压器耦合式隔离放大器,其原理图如下:,31,高级培训,下面以AD202为例介绍:,32,高级培训,33,高级培训,34,高级培训,35,高级培训,36,高级