第九章信号的调理与转换

第九章信号的调理与转换 9.1 测量仪表的电源 9.1.1 AC/DC电路 AC/DC电路是将220V交流电变换为所需直流电压的电源电路，当前这类电路主要以开关式变换电源为主。单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无工频变压器开关电源等显著优点。三端单片开关电源是20世纪90年代才开始流行的新型开关电源芯片，采用它制作高频开关电源，不仅简化了电路，同时可以改善电源的电磁兼容性能，降低制作成本。 TOPSwitch 有三种封装形式，其中，TOP221Y～TOP227Y采用TO-220封装，有3个引脚； TOP221P/G～TOP224P/G采用DIP-8封装及SMD-8封装，有8个引脚，但8只管脚中有6只管脚实际是连在一起作为S端，故可简化成3只管脚，这样它仍系三端器件。3个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。

图9-1 单片式开关电源工作原理 电路工作原理如图9-1所示，交流电AC(范围为120V～265V) 由两个AC接点输入，经Ci和Li组成的EMI滤波器抑制电磁噪声，进入整流电路。由于TOP221Y具有频率抖动特性，可有效抑制噪声干扰，因而在小功率开关电源中，只需简单的EMI滤波器，并采用合理的接地技术，即可符合有关电磁兼容性要求。BR为整流电路，这里选用快恢复特性的整流桥2KPB06M，整流后的脉动直流电经CIN滤波，提供给TOP221Y开关调制电路，同时供给高频变压器。高频变压器在电路中具各能量存储、隔离输出和电压变换3大功能。由图可见，高频变压器初级绕组Np的极性（同名端用黑点表示），恰好与次级绕组 Ns、反馈绕组NF的极性相反。

这表明在TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式存储在初级绕组中，此时VD2截止。当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级，此即反激式开关电源的特点。鉴于在TOPSwitch关断时刻，由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压Ui和感应电压UO上，可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片，为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。这表明在TOPSwitch导通时，电能就以磁场能量形式存储在初级绕组中，此时VD2截止。当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级，此即反激式开关电源的特点。鉴于在TOPSwitch关断时刻，由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压Ui和感应电压UO上，可使功率开关管的漏极电压超过700V而损坏芯片，为此在初级绕组两端必须增加漏极钳位保护电路。高频变压器的次级绕组有两个，一个是主绕组Ns，它提供电源的主能量，高频电压经快速二极管VD2（SB540）整流后由滤波电容COUT滤波,再向负载输出。输出电压Uo的大小由初级绕组Np与次级绕组 Ns的匝数比决定。另一个次级绕组组成反馈电压绕组NF，由二极管VD3整流后加在光耦器的光敏三极管两端，输出的反馈电压加在光耦的二极管正极上，电阻R1和稳压管VDZ2组成基准电压源，为光耦提供基准电压，这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电压控制的，经光耦耦合到TOP221Y的控制端C，从而实现脉宽的可控，达到稳压目的。

图9-2 PI ExpertTM设计的典型电路 TOPSwitch—GX系列产品应用电路的典型结构如图9-2所示。电路设计可利用Power In—tegrations(PI)公司提供的电源设计软件“PI ExpertTM”完成。该软件是由Power Integrations(PI)司免费提供的(www．powerint．corn)。TOPSwitch—GX系列产品输出功率为9~290 W。

TEAl52x是Philips Semiconductors公司生产的单片开关电源电路，系列产品包括TEAl520P～TEAl524P、TEAl520T～TEAl523T和TEAl522AJM～TEAl524AJM，共12种型号，属于工作在不连续模式下的电压控制型反激式开关电源。产品适用于交流80～276 V输入电压，开关频率范围为10～200 kHz，50 W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。 TEAl52x利用反馈电压调节占空比来实现稳压，例如：当输出电压VO下降时，反馈电压VREC也随之降低，VREC与内部2.50 V基准电压(VREF)进行比较和放大后，产生误差电压Vr，Vr控制PWM脉宽调制器调节输出脉冲信号的占空比，使占空比增大，迫使VO升高，最终使VO保持不变。当开关频率ƒ=100 kHz时，占空比的调节范围为0～75%。当输出功率很小、误差电压Vr≤1.8V时，振荡器就进入低频工作模式，通过延长振荡周期来提高电源效率。

图9-3 TEAl52x构成的开关电源电路 采用TEAl52x构成的开关电源电路如图9-3所示。该电路采用整流桥进行AC／DC变换，由CF1、LF和CF2构成Ⅱ型滤波器，交流电源电压U经过整流滤波后获得直流高压，给高频变压器初级供电。由DZ和D1构成的钳位保护电路，可将漏感产生的尖峰电压衰减到安全范围内，避免损坏芯片。次级绕组电压通过D3、C5整流滤波后，获得输出电压VO。

图9-4 传统的电源外形 由于AC/DC变换电源是大量在工业控制和测量系统中采用，相应的各专业生产厂众多，已经成为大量的定型化产品，在实际应用中只需要按技术参数、要求选用。开关型直流电源有2种外形，一种是沿用了早期使用分立元件构造的直流电源外形，如图9-4所示。

图9-5 微、小功率电源 图9-6 带EMI滤波器的交流电源插座另一种外形如图9-5所示，这是用于小功率电源的外形，可以焊到PCB电路板上。常用于仪表电路中。这类微、小功率的开关电源都省去了抑制交流电源噪声的EMI滤波器，因此在电源电路设计时，应在220VAC输入端加上EMI滤波器。EMI滤波器也有多种型号，A1CL系列EMI滤波器的外形见图9-6所示。

9.1.2 DC/DC电路 在测量仪器仪表中，有各种电路需要不同的电压。如激励传感器的电压、放大滤波电路的电压、继电控制的电压等等。有的需要单电源、有的需要如±12V这样的双电源，能在市面上购买的AC/DC电源很难满足多种复杂的需要。在仪表电路内部也存在某些大电感的器件应用，这些大功率的器件通常在控制电路中，它们造成直流电源电路上的电压波动，对仪表中的其它电路产生严重干扰，需要从电源电路中将这些干扰隔开，供给测量电路稳定的电压。DC/DC电路正是为了满足这些不同的需要。正是这些需求的存在，很多集成电路生产厂设计制造了多种满足DC/DC电路要求的芯片，也有许多厂商利用这些芯片制造出多种DC/DC器件。下面仅以TL497A芯片为例，讲解用这种芯片构造的电路。

图9-7 TL497A构成的升压式开关稳压器电路 TL497A的芯片内部包含1.2 V基准电压、限流采样电路、振荡器电路及功率晶体管输出电路等。 (1) 升压式开关稳压器电路 TL497A构成的升压式开关稳压器电路如图9-7所示。峰值开关电流IPK小于500 mA；也可以使用外部功率晶体管扩展输出功率。

图9-8 TL497A构成的降压式开关稳压器电路 图9-9 TL497A构成的电压极性反转式开关稳压器电路 (2) 降压式开关稳压器电路 TL497A构成的降压式开关稳压器电路如图9-8所示。峰值开关电流IPK小于500 mA；也可以使用外部功率晶体管扩展输出功率。 (3)电压极性反转式开关稳压器电路 TL497A构成的电压极性反转式开关稳压器电路如图9-9所示。峰值开关电流IPK小于500 mA；也可以使用外部功率晶体管扩展输出功率的电路形式。

图9-10 DC/DC器件外形图 图9-10是各厂商制造的DC/DC器件，有升压/稳压/降压等多种规格，输入/输出电压固定不可调。特别是有将3.3V（锂电池电压）升到12V（ICP型压电加速度传感器所需）的规格。

9.1.3 稳压源电路 一．基准电压源基准电压源是一种可作为电压标准的高稳定度集成电压源。目前，它已被广泛应用于数字仪表、智能仪表及测试系统中。基准电压源的关键技术是电压温度系数αT，它表示由于温度变化而引起输出电压的漂移量，简称温漂，单位是l0-6／℃ (即lppm／℃)。目前国内外生产的基准电压源典型产品大致分成三类：精密型、较精密型、普通型，αT依次为(0.3~5)×10-6／℃、(10～20) ×10-6／℃、(30～100) ×10-6／℃。其中AD584属于可编程基准电压源，改变引脚的接法即可从10V、7.5V、5V、2.5V中任选其一。

（a）引脚排列；（b）电路符号； （c）应用电路图9-11 MC1403引脚与应用电路 1．MCl403型基准电压源 MCl403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CHl403。它采用DIP一8封装，引脚排列如图9-11(a)所示。 MCl403的典型应用如图9-11(c)所示。RP为精密多圈电位器，用于精确调整输出的基准电压值。C是消噪电容(亦可不用)。实测MCl403的输入．当Ui从10V降至4.5V时，Uo只变化0.0001V，变化率仅为-0.0018％。

(a)引脚排列；（b）结构框图； （c）电路符号图9-12 LM399的结构 2．LM399型精密基准电压源图9-12 LM399的结构在目前生产的基准电压源中，以LMl99／299／399的电压温度系数为最低，性能最佳。它们均属于四端器件，可等效于带恒温器的稳压二极管。以LM399为例，其结构如图9-12所示。 LM399的基准电压，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点。此外它还具有恒温特性，只要环境温度TA<90℃，就能消除温度变化对基准电压的影响，使αT=0.3×10-6／℃(典型值)，这是其他基准电压源难以达到的指标。

图9-14 由LM399构成的功率级基准电压源 能输出0～20V、1A的功率基准电压源如图9-14所示。现使用LM399、LMl08、LMl95各一片。LMl08属于低温漂精密运算放大器，国产型号为CFl08。LMl95是集成化功率晶体管，内含恒流源、过流及过热保护电路、两只晶体管以及过压保护二极管，输出电流大于1A。调节RP可获得0～20V范围内的任何基准电压值。

图9-15 线性集成稳压器的基本构成 二．稳压电压源基准电压源器件的输出电压通常基准电压使用，通常仅有2mA左右的供电能力。但是在许多高精度的测量应用中既需要稳定的电压又需要足够的电流激励传感器，前面的DC/DC电路因为采用高频开关方式，输出是通过高频变压器，再经半波整流而获得的，其输出电压中不可避免的存在波纹。为了获得更平稳的电压供应，可采用线性集成稳压器来实现这一目的。线性集成稳压器的基本构成如图9-15所示，它主要由基准电压、比较放大器、取样电路、调整电路、启动电路和保护电路等几部分组成。

图9-16 LM317/337的外形及引脚 三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种输出电压。代表产品有LM317/LM337等。其中，LM317为可调正电压输出稳压器，LM337为可调负电压输出稳压器，其外形与引脚配置如图9-16所示。这种集成稳压器有3个引出端，即电压输入端Ui、电压输出端Uo和调节端ADJ，没有公共接地端，接地端往往通过接电阻再到地。

图9-17 LM317可调集成稳压器应用电路 1. LM317/337稳压电路 LM317/337可调三端稳压电路是依靠外接电阻来调节输出电压的，为保证输出电压的精度和稳定性，要选择精度高的电阻，可调电阻选用高精度多圈电位器。同时在电路布局上电阻要紧靠稳压器，防止输出电流在连线上产生误差电压。图9-17为LM317可调集成稳压器应用电路图。为保证空载情况下输出电压的稳定，R1不要大于240Ω。R2的大小根据输出电压的调节范围确定。图9-17中，最大输出电流2.2A，输出电压可在1.25～37V间调节，输入电压UIN至少应比UOUT高2～3V。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317。

图9-18 78XX/79XX的外形及引脚 2. 78××系列集成稳压电路 78××系列集成稳压器是一种串联调整式稳压器。典型产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列。其封装形式和引脚功能如图9-18所示，其中，图（a）为78XX系列的正电压输出，图（b）为79XX系列的负电压输出。

图9-19 78XX的基本电路 图9-19所示为78XX的基本应用电路，为了改善纹波特性，在输入端加接电容CI，一般取值为0.33μF；在输出端加接电容Co，一般取值为0.1μF，其目的是改善负载的瞬态响应，防止自激振荡和减少高频噪声。电路中的外接二极管VD起输入短路保护作用。若输入端短路时使Co通过二极管放电，以便保护集成稳压器的内部调整管。

3. 集成稳压器TL499AC TL499AC是TI公司生产的一种将可调线性稳压器与升压型开关稳压器两者合二为一的单片电源集成电路。目前广泛使用的稳压电源分为线性串联负反馈稳压电源和开关稳压电源，这两种类型稳压器各有特色，通常分别将其做成单片稳压集成电路，然而集成稳压器 TL499AC的与众不同之处在于它内部同时具有可调线性串联稳压器和升压型开关稳压器两套完整电路。该集成电路除了外接反馈取样电阻(用于调节输出电压)以及电感、电容等少数元件外，两种类型稳压器所必须的其它部件均集成在了内部，所以，使用非常方便。 OUTPUT 8 串联稳压输入 1 7 开关管E 2 反馈输入开关管C 6 开关稳压输入 3 接地 5 4 开关管电流控制图9-20 TL499AC的引脚排列

L Vcc 1 Vo 8 7 2 TL499AC VR 3 6 ＋＋ 4 5 C2 E － R1 图9-21 TL499AC组成的实际稳压电路 Ci 0.1μF R2 4.7KΩ 由TL499AC组成的实际稳压电路见图9-21。在该电路中，VCC(该电压通常由交流电经整流、滤波获得)经串联稳压器向负载供电，因此，正常时VCC应至少高于输出电压2V。E为备用电源，在要求不间断供电的电路中一般为可充电电池，当交流供电正常时对其进行涓流充电(图9-21电路中，在TL499AC的1、3脚之间加接一电阻即可)。当停电时开关电源立即自行启动由备用电源向负载供电。该电路特别适合在如下几种场合应用： (1) 要求不断电的场合。 (2) 要求供电电压较高，但电流不大的便携式电子产品。　　 (3) 要求高低压供电的场合。

图9-22 三极管构成的恒流源 9.1.4 恒流源电路恒流源用于向传感器提供恒定的电流。工业上许多阻抗变换型传感器探头（2线制）要求供给一个恒定的电流，当被测量变化时，阻抗相应地改变，由于通过的电流不变，因而被测量的变化变成探头两端的电压变化。阻抗变换电路元件少，易于集成到一块芯片中，它是集成一体化传感器的发展方向，是传感器中抗线路传输干扰最强的一类探头。但是在它的应用中对电流的稳定精度有很高的要求，供给电流的波动必然变为探头两端的电压波动，产生对测量的干扰误差。最常用的简易恒流源如图9-22所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I = Vbe/R1。

图9-23 运算放大器构成的恒流源电路 为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图9-23所示，如果电流不需要特别精确，其中的图9-23 运算放大器构成的恒流源电路场效应管也可以用三极管代替。这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。

电流测量电阻R Vin 稳压控制器件 V1 V2 传感器可变阻抗图9-24 利用稳压控制器件构成恒流源的原理图从以上两个电路可以看出，恒流源有个基本的规律，就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个规律，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。进一步讲，利用稳压控制器件对输出电压的反馈控制机能，保持在一个固定电阻上的压降不变，则通过这个电阻的电流恒定。基本原理框图如图9-24。图9-24原理图的核心是保持ΔV=V1-V2不变。如果将电流测量电阻R改为精密可调电阻，这就构成了可调恒流源电路。

图9-25 电路符号及典型接线 一、可调精密集成恒流源可调精密集成恒流源是目前性能最优良的恒流源，特别适合于制作精密型恒流源。可广泛用于传感器的恒流供电电路、放大器、光．电转换器、恒流充电器、基准电压源中。 4DH系列属于四端双极型集成电路，其IH值的调节范围非常宽，并且还可调节温度系数αT，调节范围是(＋2.0～－0．2)％／℃。电路符号及典型接线如图9-25所示。RSET1、RSET2为设定电阻，改变二者的电阻比即可调节αT。

二、LM134/234/334恒流源电路 1．LMl34／234／334的主要技术性能与特点 LMl34／LM234／LM334是National Semiconductor公司生产的三端可调电流源。其工作电流范围为10000：1，动态电压范围为1～40 V，电流调节仅需要利用一个外部电阻，可编程电流范围为1μ A～10 mA，电流精度为±3％，电流调节能力为0.02％／V，两端工作，是一个真正的浮电流源，不需要专门独立的电源。其工作温度范围：LMl34为－55～＋125℃；LM234为－25～＋100℃；LM334为0～＋70℃。在有些应用场合它们还用作电流输出型温度传感器。 2．LMl34／234／334的引脚封装形式与应用电路 LMl34／234／334采用TO一46、TO一92和SO一8三种封装形式。

图9-29 电流扩展电路 图9-27 基本恒流源电路图9-28 0温度系数恒流源电路 (1) 基本电流源电路基本电流源电路如图9-27所示 (2) 零温度系数的电流源零温度系数的电流源电路如图9-28所示。 (3) 输出电流扩展电路输出电流扩展电路如图9-29所示

图9-30 TL431的外形、符号和原理框图 三、TL431恒流源德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的

Vin VO R0 R1 RL V1(REF) TL431 R2 GND 图9-32 精密5V稳压器图9-31 TL431的稳压电路 1. 稳压电路 TL431是一个可调分流基准源，因此可以用来构造一个分流稳压电路，如图9-31所示。图9-32是改进后的稳压电路，图中电阻Rb的阻值应使在Vin最小时，通过TL431阴极的电流大于1 mA ，TL431的内阻为0.2Ω。

Vin Vin R1 IO R1 RS R2 TL431 TL431 图9-33 TL431 的恒流源电路图9-34 TL431给电桥供给恒流源电路 2、恒流电路图9-33是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不再赘述。但值得注意的是，TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。图9-34是一个已连成桥路的硅压力传感器的恒流源供电电路。Vref /R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流Ib。流经TL431阴极的电流I431由R1和电源电压Vin决定，但一定要注意大于1mA。

9.2 测量放大电路 大多数传感器的输出信号是很微弱的，有的传感器输出电压仅有0.1μV，这样微弱的信号很容易被周围的电磁场环境及测量系统电路自身的元器件噪声所淹没。也不能被显示、处理仪表所分辨，这就需要足够的放大并抑制各种干扰。也有的传感器信号来自大功率、高电压设备。环境中的在某种事故情况下，或环境中的电磁感应产生的高电压会作用到电测仪表，造成仪表的损坏。这就需要使各系统之间相互隔离，特别是复杂的工业现场是必需采取隔离措施的。 9.2.1 阻抗匹配器传感器输出的阻抗一般都比较高，如果其输出电压型信号直接连到测量电路，将因信号电流过大，使信号电压产生较大的衰减。为了防止传感器输出信号的衰减，通常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常用的阻抗匹配器有晶体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器以及运算放大器阻抗匹配器。

图9-35 晶体管阻抗匹配器 一、晶体管阻抗匹配器晶体管阻抗匹配器如图9-35所示，晶体管的集电极直接与电源+E相连接，负载电阻接人发射极。实际上就是一个晶体管射极输出器，又称射极跟随器。该电路具有以下三个特点： (1) 输出信号能够跟随输入信号的变化，且能对输入信号进行小倍数的电流放大和功率放大。 (2) 输入阻抗大，防止传感器微弱输人信号的衰减。 (3) 输出阻抗小，有较强的负载能力。晶体管阻抗匹配器的抗干扰能力较弱，而且容易引入自身噪声干扰，但成本最低廉，主要用于精度要求低的民用级测控系统电路。

图9-36 场效应管阻抗匹配器 二、场效应管阻抗匹配器由场效应管组成的阻抗匹配器电路如图9-36所示。实际上它就是一个场效应管源极输出器，它的电路结构与晶体管阻抗匹配器相类同。由于场效应管是一种电压控制元件，它的漏极电流只取决于栅极电压，而栅极加上电压时基本不获取电流，它与晶体管相比具有更高的输入阻抗，一般可达上百兆欧甚至几千兆欧。为此场效应管阻抗匹配器更适宜于作为微弱输入信号的阻抗匹配器，它常用作前置级信号的阻抗变换器，有时就直接安装在传感器内，以减少外界的干扰。

图9-37 电压跟随器作阻抗匹配器 三、运算放大器阻抗匹配器 1．电压跟随器阻抗匹配器图9-37是运算放大器组成的电压跟随器电路，它是同相比例放大器的特殊情况(同相比例放大器将在下节中讲述)，它的放大增益为它有输入阻抗很高，输出阻抗很低的特点，因此它是一个放大倍数为1的理想阻抗匹配器。

图9-38 运算放大器作阻抗匹配器 2．放大倍数可选配的阻抗匹配器运算放大器和电阻参数的选配，可构成高输入阻抗和放大倍数适当可选定电路，这种电路可以满足传感器信号，阻抗匹配器的要求。图9-38给出运算放大器阻抗匹配器电路图，它由运算放大器和Rb，R2，R1三个电阻相连接而成。该电路的输入阻抗Rin和放大倍数K可由下面的表达式进行计算，即根据这两个表达式，根据传感器输出信号的要求和特点，适当选择Rb，R2，R1三个电阻就可组成相应的阻抗匹配器。

9.2.2 运算放大器 传感器输出信号一般比较微弱，为此在大多数情况下都需要放大器进行放大处理，以便为测量电路提供高精度的模拟输入信号，它对检测系统的精度起着关键作用。目前检测系统的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成其放大电路。这里我们对由运算放大器构成的传感器常用的几种放大电路作一概括的介绍。最常用的运算放大器有下列型号：低电压飘移的运算放大器：OP07、OP77 低噪音精密运算放大器：OP27 低噪音高精密运算放大器：OP37 精密低电压微功耗运算放大器：OP90

图9-39 反相比例放大器 一、反相比例放大器图9-39为反相比例放大器电路，R1为输入端电阻，RF为反馈电阻，R称为平衡电阻。此电路因为输入信号在器件反相输入端输入而得名，其反馈方式为电压并联负反馈，输出电压Uout通过RF反馈到反相输入端。在该电路中，其放大增益K和平衡电阻R的公式如下

图9-40 同相比例放大器 二、同相比例放大器图9-40是同相比例放大器电路。输入电压Uin直接从同相输入端输入，输出电压Uout通过RF反馈到反相输入端。该电路的放大增益K为由该式可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于RF与R1的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器多1。

图9-41 差动放大器 三、差动放大器图9-41是差动放大器的电路图。两个输入信号U1和U2分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压则经RF反馈到反相输入端。电路要求R1=R2，RF=R3。差动放大器又称减法器，它可以求出两个输入电压之差，其输出电压Uout为差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零。在差动放大器中温度变化和电源电压波动所引起输入信号的变化，都相当于共模信号，都能被差动放大器所抑制，可使它的零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以差动放大器有极强的抗干扰能力。

图9-42 交流放大器 四、交流放大器如果传感器输出的电信号是交流信号，此时就需要交流放大器。图9-42是交流放大器电路，它是在直流反相比例放大器电路的基础上，增加了反馈电容CF和直流信号隔离电容C1。其电压放大增益为式中

图9-43 反向加法器 五、反相加法器图9-43为反相加法器电路，实际上它是反相比例放大器电路的扩展，把原来的一个输入端扩展成n个输入端。该电路用来求两个以上的电压之和，其输出电压为

图9-44 比较器 六、比较器有些传感器的输出信号是开关信号的形式，有的情况下传感器输出信号虽不是开关信号，但也需要检测输出信号的峰值。在这些情况下就需要对传感器的输出信号进行电平检测，这时需要用比较器进行输出信号的电平比较。由运算放大器组成的比较器如图9-44所示，它的输出电压为当U2≥U1时，Uout=高电平；当U2<U1时， Uout=低电平。

七、积分运算器 图9-45是积分运算电路，对于被测信号是由多个不同频率的正、余弦信号合成的混合信号而言，积分运算电路具有低通滤波的功能。这是因为积分运算电路对不同频率的信号有不同的增益，低频信号的增益比高频信号的增益大，频率愈高，增益愈小。当增益<1，就是衰减。输入/输出电压的关系为

八、微分运算器 微分运算电路对由不同频率信号合成的混合信号的响应特性与积分电路恰好相反，因为微分电路输出的信号是输入信号的变化率，低频信号变化率低，高频信号的变化率高，所以微分电路对高频信号的增益比低频信号大。电路图如图9-46所示，输入/输出电压的关系为

图9-47 仪用放大器结构原理图 9.2.3 测量放大器测量放大器是在单运放基础上发展的专用集成放大器；它具有差动输入阻抗高、共模抑制比高、偏置电流低、温度稳定性好等优点，特别适合于在传感器电路中应用。测量放大器的基本结构为三运放结构，如图9-47所示。图中A1、A2为两个同相输入的放大器，RG为增益调节电阻，整个芯片仅有RG为外接元件，其他均为芯片内结构元件。运放A3，显然是放大增益为1的差动输入放大器。测量放大器的增益K按下式计算：式中，RG为用于调节放大倍数的外接电阻，通常RG采用多圈精密电位器，改变RG可使放大倍数在1～1000范围内调节。

目前，国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片测量放大器芯片，供用户选用。如美国Analog Devices公司生产的AD612、AD614、AD622、AD620、AD52l和AD522等。Burr-Brown公司生产的INA114、INA118等。国内生产的有ZF603、ZF604、ZF605、ZF606等。AD612和AD614型测量放大器是根据测量放大器原理设计的典型三运放结构单片集成电路。其他型号的测量放大器虽然电路有所区别，但基本性能是一致的。 AD612和AD614是一种高精度、高速度的测量放大器，能在恶劣环境下工作，具有很好的交直流特性。其内部电路结构如图9-48所示。电路中所有电阻都是采用激光自动修刻工艺制作的高精度薄膜电阻，用这些网络电阻构成的放大器增益精度高，最大增益误差不超过±10×10-6/℃，用户可很方便地连接这些网络电阻的引脚，获得l～1024倍二进制关系的增益，这种测量放大器在工业测量、数据采集系统中应用广泛。

图9-48 AD612和AD614测量放大器内部电路 当A1的反相端(1)和精密电阻网络的各引出端(3)～(12)不相连时，RG=∞，K=l。当精密电阻网络引出端(3)～(10)分别和(1)端相连时，按二进制关系建立增益，其范围为21～28。另一种非二进制增益关系的测量放大器与一般三运放测量放大器一样，只要在(1)端和(2)端之间外接一个电阻RG，则其AD612和AD614的增益为：

图9-49 测量放大器输入端的正确连接 不管是采用哪一种测量放大器，在使用时都应注意以下几点。 (1) 差动输入端的连接。测量放大器不论是三运放结构还是单片结构，它的两个输入端都是有偏置电流的，使用时要特别注意为偏置电流提供回路。如果没有回路，则这些电流将对分布电容充电，造成输出电压不可控制的漂移或处于饱合。因此，对于浮置的，例如变压器耦合、热电偶以及交流电容耦合的信号源，必须对测量放大器的每个输入端构成到电源地的直流通路，电路正确连接如图9-49所示。

第九章 信号的调理与转换