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  1. 第4章测量放大器 4.2 测量放大器的电路原理 4.3 测量放大器的主要技术指标 4.1 概述 4.4 测量放大器集成芯片 4.5 测量放大器的使用

  2. 第4章 测量放大器 4.1 概述 问题: 在数据采集中, 经常会遇到一些微 弱的微伏级信号,例如热电偶的输 出信号,需要用放大器加以放大。 通用运算放大器 放大器类型 测量放大器

  3. 4.1 概 述 那么选择何种放大器来放大微弱信号? 目前市场上的放大器有以下特点。 通用运算放大器: 具有mV级失调电压、μV/℃的 温漂,不能用于放大微弱信号。 特点 测量放大器: 具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗 共模干扰、低温漂、低失调电压,广泛 用于放大微弱信号。一种精密差动电压增益器件)

  4. 第4章 测量放大器 4.2 测量放大器的电路原理 电路原理如图4.1所示。

  5. 4.2测量放大器的电路原理 + - R5 R3 U3 A1 R1 + + A3 IG RG R2 R4 - + R6 A2 U4 Ui1 UO Ui2 图4.1 测量放大器原理电路 第一级:两个同相放大器A1、A2 输入阻抗高。 有两级运放 第二级:普通差动放大器A3

  6. 4.2测量放大器的电路原理 两个技术问题: 测量放大器的增益 由上式可知,调节外接电阻的大小, 可以改变测量放大器的增益。

  7. 4.2测量放大器的电路原理 抗共模干扰能力 ⑴ 对直流共模信号,其抑制比为无穷大。 ⑵ 对交流共模信号,由于输入信号的传 输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、 C2, Ri1C1、 Ri2 C2分别对地构成回 路。 如图4.2所示。

  8. 4.2测量放大器的电路原理 C1 + - R3 R5 A1 Ri1 R1 - + A3 RG - + R2 R4 R6 Ri2 A2 C2 输入信号 的共模分 量传给屏 蔽体 + - A4 输入保护电路 ′ ′ R2 R1 Ui1 UO Ui2 图4.2 交流共模干扰影响及抑制方法 抑制交流共模信号干扰措施: 在其输入端接一个输入保护电路, 当R1′ = R2 ′时,由于屏蔽层和信号线间 对交流共模信号是等电位的,故C1、C2 的分 压作用不存在,从而降低共模干扰的影响。 当Ri1C1≠ Ri2 C2时,交流共模信号在两运 放输入端产生分压Ui1′、 Ui2′,Ui1 ≠ Ui2, 所以IG≠0,对输入信号产生干扰。 并将信号线屏蔽。

  9. 4.2测量放大器的电路原理 4.3 测量放大器的主要技术指标 1. 非线性度 非线性度—— 放大器实际输出输入关 系曲线与理想直线的偏 差。 非线性度与增益有关,且对数据采集 精度影响很大。

  10. 4.2测量放大器的电路原理 增益为1, 非线性偏差为0.025% 12位A/D 转换器 增益为500, 非线性偏差为0.1% 结果: 相当于把12位A/D转换器变成10位 以下的转换器。 结论: 一定要选择非线性度偏差小于 0.024%的放大器。

  11. 4.2测量放大器的电路原理 2. 温漂 测量放大器输出电压随温度 变化的程度。 温漂—— 例如: 一个温漂2V/℃的测量放大器, 当增益为1000时,测量放大器的 输出电压产生约20mV的变化。 这个数字相当于12位A/D转换 器在满量程为10V的8个LSB值。

  12. 4.2测量放大器的电路原理 应尽量选择温漂小的测量放大器。 3. 建立时间 建立时间—— 指从阶跃信号驱动瞬间至 测量放大器输出电压达到 并保持在给定误差范围 内所需的时间。

  13. 4.2测量放大器的电路原理 放大器输出电压 U 驱动信号 t U 误差上偏差 误差下偏差 t 建立时间 当增益>200时,为达到误差范围0.01%, 往往要求建立时间为50s ~100s。

  14. 4.2测量放大器的电路原理 4. 恢复时间 指放大器撤除驱动信号瞬 间至放大器由饱和状态恢 复到最终值所需的时间。 恢复时间—— 放大器的建立时间和恢复时间直接影 响数据采集系统的采样速率。

  15. 4.2测量放大器的电路原理 5. 电源引起的失调 电源引起的失调—— 电源电压每变化1%, 引起放大器的漂移 电压值。 该指标则是设计系统稳压电源的主 要依据之一。

  16. 4.2测量放大器的电路原理 6. 共模抑制比 共模抑制比CMRR 可用下式计算:

  17. 第4章 测量放大器 4.4 测量放大器集成芯片 1. AD521 AD521是集成测量放大器,采用14 脚双列直插式封装。

  18. 4.4测量放大器集成芯片 AD521基本连接如图4.4所示。

  19. 4.4测量放大器集成芯片 RS RG 引脚4,6用于 调整放大器零 点,将4,6 端接到10 KΩ 电位器的两个 固定端; 引脚10,13用 于外接电阻RS, 用于对放大倍 数进行微调。 U+ +IN 100KΩ 1 8 10 14 13 12 7 UOUT 11 6 2 4 5 3 当RS = 100 kΩ ±15%时,可 以得到比较稳 定的放大倍数。 10KΩ -IN 电位器滑动端 接负电源U- (脚5)。 U- 图4.4 AD521基本连接方法

  20. 4.4测量放大器集成芯片 引脚2,14 用于外接电阻RG,用于 调整放大倍数。 测量放大器的放大倍数按如下公式计算: 其放大倍数可在1~1000的范围内调整。 AD521的技术指标见P57表4-1。

  21. 第4章 测量放大器 4.5 测量放大器的使用 1.AD521芯片的使用示例 AD521与变压器信号、 热电偶信号 和交流耦合信号的连接如图4.7所示。

  22. 4.5测量放大器的使用 偏置电流回路 偏置电流回路 偏置电流回路 a) 热电耦直接相连;(b) 变压器相连;(c) 交流信号通过电容相连 解决方法: 注意: 问题: 如果没有回路,偏置电流就会对杂 散电容充电,使输出电压漂移得不 可控制。 在使用AD521等测量放大器时,要 特别注意为偏置电流提供回路。 AD521输入端1或3直接或通过电阻 与电源的地线构成回路。

  23. 第4章 测量放大器 4.6 隔离放大器 隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中,例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号,而测试现场的干扰比较大,对信号的传递精度要求又高,这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离,以保证系统的可靠性。

  24. 隔离放大器是一种既有一般通用运放的特性,又在其输入端与输出端之间(包括它们所使用的电源之间)无直接耦合通路的放大器,其信息传送是通过磁路来实现。隔离放大器是一种既有一般通用运放的特性,又在其输入端与输出端之间(包括它们所使用的电源之间)无直接耦合通路的放大器,其信息传送是通过磁路来实现。 隔离放大器一般由以下五部分组成:①高性能的输入运算放大器;②调制器和解调器;③信号耦合变压器;④输出运算放大器;⑤电源。

  25. 4.6.1 隔离放大器的结构

  26. 1. 输入模块 输入模块由输入运放、调制器和电源组成。其中,运算放大器 A1和调制器将输入的模拟直流信号放大后,再变成频率一定的交流信号输出。电源由DC/DC逆变器提供高频交流电压,交流电压用于调制器,整流后的直流电压一方面供给输入运算放大器,另一方面还可对外输出±15V的直流电(经1脚、脚9和脚15),最大电流可到15mA。图中6、7、8引脚为运算放大器A1的调零端。 2. 输出模块 输出模块由运算放大器A2、解调器和逆变器组成。其中,解调器将来自输入模块和输出模块间的耦合变压器的次级交流信号变换成直流信号,经运算放大器A2放大后输出。逆变器将来自15、16引脚的直流电源变成高频电源后,一方面送解调器,以保证解调器能与调制器同步工作;另一方面经耦合变压器向输入端电源提供高频交流电压。图中13引脚经1MΩ 电阻与运算放大器A2同相端相连可作为输出调零端。如不用时,应接地以避免由此引入干扰。在12和10引脚间接入不同电阻可得到不同的闭环增益,如果直接相连则增益为1。11引脚与必须外接电源地的16引脚形成通路,通常将11引脚直接接地或经一电阻接地。

  27. 4.6.2 隔离放大器的应用 构成同相比例放大器