放大器與信號調(diào)節(jié)器

1、放大器與信號調(diào)節(jié)器1.1 簡介來自傳感器的信號通常沒有適合顯示的特征，記錄，傳播，或進(jìn)一步處理。例如，他們可能沒有振幅，功率，等級，或所需的帶寬，或者他們可能有附加的端口讓想得到的信息，無法正常顯示。信號調(diào)節(jié)器，包括放大器、傳感器信號應(yīng)該適應(yīng)接收機(jī)的要求(電路或設(shè)備)來連接。執(zhí)行的函數(shù)信號調(diào)整器的功能源于信號和接收器。通常，接收器需要單端，低頻(dc)和低輸出阻抗和電壓振幅范圍接近其供電電壓(s)。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)就是個典型的接收器。傳感器中的信號可以是模擬或數(shù)字信號。數(shù)字信號來自位置編碼器、開關(guān)、或基于震蕩器的傳感器連接到頻率計數(shù)器。數(shù)字信號的振幅必須兼容數(shù)字接收機(jī)的邏輯水平，以及

2、他們的邊緣必須足夠快，以防止任何不當(dāng)?shù)挠|發(fā)。大電壓可以用電壓分壓器減弱，緩慢的邊緣可以用施密特觸發(fā)器加速。模擬傳感器可自觸發(fā)的或調(diào)制。自觸發(fā)的傳感器產(chǎn)生一個電壓（熱電偶、光伏和電化學(xué)傳感器)或電流(壓電和熱釋電傳感器)的帶寬等于被測變量的。調(diào)制傳感器產(chǎn)生阻力的變化，電容，自感和互感，或其他電器數(shù)量。調(diào)制傳感器應(yīng)易觸發(fā)或偏置(基于節(jié)點半導(dǎo)體傳感器)，這樣可以提供一個輸出電壓或電流。阻抗變差傳感器通常放置在電壓兩腳規(guī)，也有在惠斯通橋(電阻傳感器)或交流電橋(電阻和變電抗傳感器)。信號調(diào)制傳感器信號的帶寬應(yīng)等于直流激光或有偏置的測量的傳感器，并是直流激光傳感器被測變量的兩倍(載波頻率的邊帶)。電容性

3、的和電磁感應(yīng)的傳感器需要一個交流勵磁，其頻率必須至少十倍于最大頻率變化測量范圍。帕拉斯-阿雷尼和韋伯斯特1給不同的傳感器作出了等效電路，分析其接口。電流信號可以通過電路串聯(lián)電阻器轉(zhuǎn)換成電壓信號。格雷姆2分析二極管電流-電壓轉(zhuǎn)換器，使其適用于其他信號源。此后，我們將參考電壓信號來分析信號調(diào)節(jié)器中的轉(zhuǎn)化。1.2 動態(tài)范圍被測變量的動態(tài)范圍是測量范圍和所需的分辨率的商。任何情況下，處理傳感器信號形式必須有一個動態(tài)范圍，即等于或大于被測變量。例如，測量以0.1°C為分辨率，從0到100°C的溫度，我們至少需要 (100 - 0)/ 0.1 = 1000(60 dB) 的動態(tài)范圍。因

4、此，10位ADC可很好的將信號數(shù)字化，因為210 =1024。讓我們假設(shè)我們有一個10位ADC，輸入范圍是0到10 V;其分辨率將試是10 V / 1024 = 9.8 mV。如果傳感器靈敏度是10 mV /°C，并連接ADC， 9.8 mV分辨率 的ADC的將導(dǎo)致9.8 mV /(10 mV /°C)= 0.98°C的分辨率！盡管有合適的動態(tài)范圍，我們不能得到所需的溫度分辨率，因為我們傳感器的輸出范圍(0到1 V)與ADC的輸入范圍 (0到10 V)不匹配。電壓放大器的基本功能是放大輸入信號，其輸出延伸到整個后續(xù)階段的輸入范圍。在上面的例子中，一個放大器的增益1

5、0，將傳感器輸出范圍匹配ADC輸入范圍。此外，放大器的輸出應(yīng)該只取決于輸入信號，和信號源連接放大器時不應(yīng)該受干擾。為了滿足這些需求，應(yīng)根據(jù)輸入信號的特點選擇合適的放大器。1.3 信號分類信號可被以下量劃分：振幅能級，源終端和地面之間的關(guān)系，帶寬，其輸出阻抗的值。低于約100 mV的信號被認(rèn)為是低能級，當(dāng)然他們需要被放大。若大的信號還需要放大，則取決于接收器的輸入范圍。單端和差分信號在恒定電壓下，單端信號源僅有兩個恒壓輸出終端中的一個。例如，圖1.1顯示了一個分壓器的終端L仍然是供電參考電壓，與傳感器電阻無關(guān)，如圖1.1所示。如果終端L是接地電位(圖1.1接地供電)，則信號是單端接地。如果終端L

6、從地面分離(例如，如果電池供電)，則信號是單端浮動的。如果終端L是恒壓地面，則信號是單端驅(qū)動遠(yuǎn)離地面。終端H的電壓是信號加中斷接地電壓的總和。因此， 中斷接地電壓與 H和L電壓相同;因此，它被稱為共模電壓。例如， 連著一個功率晶體管的熱電偶，提供一個的幅值基于晶體管外殼溫度的信號，與共模電壓是否等于外殼電壓也相關(guān)。圖1.1 據(jù)源終端的信號等級。分壓器(a)提供了一種單端信號(b)在終端L是恒壓?；菟雇姌騻鞲衅?c)提供了一個平衡微分信號，其區(qū)別是兩個電壓v和幅值相同符號相反，也和共模電壓v相關(guān)。對遠(yuǎn)小于共模電壓的差分信號，(e)為等效電路。如果參考點接地，信號(單端或差分)將接地;如果參考點

7、是浮動的，信號也會浮動。差分信號源有兩個輸出終端，電壓同時變化，大小相等但方向相反?；菟沟请姌蛟趫D1.1 c提供了一個差分信號。其等效電路(圖1.1 d)顯示，有一個與x成比例的差動電壓() x和一個沒有任何與x相關(guān)的信息共模電壓 ()。此外，兩個輸出阻抗是平衡的。我們因此有一個平衡的疊加共模電壓的差分信號。若輸出阻抗不同，信號將無法平衡。如果電橋電源接地，則差分信號接地;否則，它將浮動。當(dāng)差分信號與共模電壓相比非常小時，為了簡化電路分析通常使用等效電路如圖1.1e。一些差分信號(接地或浮動)沒有任何共模電壓。信號調(diào)節(jié)必須確保傳感器信號和接收器之間的兼容性，這取決于輸入終端和地面之間的關(guān)系。例

8、如，一個差分接地信號是不符合一個輸入端接地的放大器。因此，還必須根據(jù)他們的描述輸入放大器拓?fù)?。窄頻帶和寬頻帶信號窄頻帶信號對于其中心頻率有一個很小的頻率范圍。窄帶信號可以是直流電，或是靜態(tài)的，產(chǎn)生非常低的頻率，如熱電偶，磅秤，或交流電，比如來自于交流電驅(qū)動調(diào)制傳感器的信號，在這種情況下，增加的頻率(載體)成為中央頻率。圖1.1(接上圖)寬帶信號,比如來自聲音和振動傳感器, 相對于其中心頻率有一個大的頻率范圍。因此,中心頻率值是至關(guān)重要的,1Hz到10 kHz的信號是寬帶儀器信號,但是兩個大約1MHz的10 kHz信號被認(rèn)為是一個窄帶信號。交流窄帶信號的調(diào)節(jié)更簡單,因為調(diào)節(jié)器的性能只需要保證與載

9、波頻率相對應(yīng)。高低輸出阻抗信號信號的輸出阻抗決定信號調(diào)節(jié)器輸入阻抗。圖1.2顯示了一個電壓信號連接到一個輸入阻抗Z的設(shè)備。電壓檢測將是 因此，檢測到的電壓只有當(dāng)才等于信號電壓;否則，將會有一個負(fù)載效應(yīng)。此外，它可能發(fā)生，一個低擾亂傳感器，改變值,導(dǎo)致測量值無用，或者更糟的是，損壞傳感器。在低頻段，它甚至是相對容易的去實現(xiàn)大的輸入阻抗或高輸出阻抗信號，比如壓電傳感器。但是，在高頻段，偏離的輸入?yún)?shù)使其更加困難。對于窄帶信號來說，這不是一個難題，因為和的值將幾乎恒定并且任何由于負(fù)載效應(yīng)的衰減都可以在以后考慮。然而，如果寬帶信號的阻抗是頻變的，那么每個頻率信號產(chǎn)生的不同衰減也無法彌補(bǔ)。具備很高的輸出

10、阻抗信號最好建模為電流源，圖1.2 b。通過檢測器的電流將是圖1.2 連接到電壓檢測器的電壓信號的等效電路是(a)，連接到電流檢測器電流信號的等效電路是(b)。在（a）中，我們要讓，以防止任何負(fù)載效應(yīng)；在(b)中，要使，以防止任何分流效應(yīng)。為了，讓是比更容易實現(xiàn)。如果沒有足夠低，將會有一個分流效應(yīng)。1.4 通用放大器參數(shù)電壓放大器產(chǎn)生輸出電壓，輸入終端電壓差將比例復(fù)制，無論任何共模電壓及沒有加載電壓源。圖1.3是通用(微分)放大器的等效電路。如果一個輸入終端連接到一個輸出終端如圖1.3 b所示，放大器是單端的；如果這個共同的終端接地，放大器是單端接地的；如果常見的終端是與地面隔離，放大器是單端

11、和浮動的。在任何情況下，輸出功率來自電源，輸入信號僅控制輸出信號的形狀，其振幅是由放大器增益決定的，定義為圖1.3 通用放大器、微分(a)(b)或單端。輸入電壓控制輸出電壓的振幅，其電力來自于電力供應(yīng)。理想的放大器有所有信號所需的增益頻率。一個實際的放大器增益，由于寄生電容，將轉(zhuǎn)降于高頻。為了減少噪音和杜絕干擾，通常進(jìn)一步添加活性組件，以減小帶外頻率的增益。如果增益減少到10的n倍，當(dāng)頻率增加10，我們說的增益(向下)斜率是20 n dB /十。放大器角點(或-3dB)頻率f是帶通的收益的70%。(注:20log0.7 = -3dB)。f的增益誤差是30%，這對很多應(yīng)用來說太大了。如果一個最大

12、誤差e在給定頻率f下可接受，那么的轉(zhuǎn)角頻率放大器將是例如， = 0.01需要=7 f，= 0.001需要= 22.4 f。有頻率組件寬帶信號大于f，會使振幅失真。集中在某一頻率窄帶信號比f大，將以低于預(yù)期被放大增益，但如果實際增益被測量，增益誤差以后可以更正。每當(dāng)增益減小，輸出信號將延遲輸出。在上面的放大器中，一個輸入正弦波的頻率將導(dǎo)致輸出正弦波推遲到45°(與正弦波頻率相對衰減30%)。有頻率分量的復(fù)雜的波形接近將使形狀(或階段)失真。為了較好地復(fù)制輸出波形，相位延遲應(yīng)該零或與頻率成正比(線性相移)。這最后的要求很難得到實現(xiàn)。因此，對于寬帶信號，通常設(shè)計帶寬大于最大輸入頻率的放大器

13、。窄頻帶信號導(dǎo)致的延遲，可被測量和糾正。理想放大器有無限大的輸入阻抗。那么，與信號相連時，將沒有輸入電流流入，圖1.2中，信號源中沒有能量被利用，這將保持原狀。然而，實際放大器，是一個有限大容量且體積大，輸入阻抗在低頻中由于偏離輸入電容而在較大的頻率衰減。如果傳感器是通過同軸電纜帶接地屏蔽連接到調(diào)節(jié)器，對地電容可能非常大(70到100pF/m，取決于電纜直徑)。電容可以減少使用驅(qū)動屏蔽(或防護(hù)裝置)。如果使用雙絞線代替，導(dǎo)線之間的電容是只有大約5到8 pF/m，但可能存在電容干擾的風(fēng)險。與遠(yuǎn)程傳感器相連的信號傳感器，一定要被電壓和輸入電流所限制。電流可以通過插入一個功率電阻器(100到1000

14、，例如1 W)來限制，即在每個信號源引線和調(diào)節(jié)器輸入端口，加PTC電阻器或保險絲。輸入電壓可連接以下設(shè)備限制，穩(wěn)壓管，金屬氧化物壓敏電阻，氣體放電設(shè)備，或其他突波抑制非線性設(shè)備。從每個直流輸入行到供電線路或接地，這取決于特定保護(hù)設(shè)備。一些可用的商業(yè)電壓限值器如：Thyzorb®和Transzorb®(通用半導(dǎo)體-油墨輥)，Transil®和Trisil®(SGS-Thomson)SIOV®(西門子)，和TL7726(德州儀器)。理想的放大器也是零輸出阻抗。由于有限的輸入阻抗，在下面情況下沒有負(fù)載效應(yīng)，低輸出噪聲，無限的輸出功率。實際放大器確實可

15、以有低輸出阻抗和低噪音，但他們的輸出功率是非常有限的。常見的信號放大器提供最多約40 mA輸出電流，有時只有10mA。但是很明顯，功率增益作為輸入電流可以在微微安培級(A)和輸入電壓范圍的毫伏范圍( V)。10 V，10 mA輸出，將有著的功率增益。然而，可用的輸出功率很小(100mW)。功率放大器恰恰相反，他們有一個相對較小的功率增益，但提供了一個高功率輸出。信號和功率放大器，他們的輸出功率來自電源，而不是輸入信號。一些傳感器信號不需要放大但只要阻抗變換，例如，匹配其輸出阻抗的傳輸線。放大器用來阻抗變換(或匹配)。G = 1時被稱為緩沖區(qū)。1.5 儀表放大器儀表信號，所謂的儀表放大器(IA)

16、能在一個較低的成本(1.50美元)提供性能最理想的放大器。在圖1.4可看到IA的符號。圖1.4 b可看到輸入/輸出關(guān)系。在理想情況下是一條直線，斜率為G，經(jīng)過點(0，0)，但實際上它是一個不在零點的，看似直線，但斜率與G是有點區(qū)別的。.輸出電壓是取決于輸入電壓，第二項包括偏移、漂移、噪聲、抗干擾誤差。G是設(shè)計增益，是參考電壓，一般0 V(但不一定，允許輸出電平變化)。方程1.5描述了一個最壞的情況即加上了誤差源的絕對值。在實際應(yīng)用中，一些誤差源可忽略不計。圖1.5，誤差分析的電路模型，實際上IA連接到一個信號源(假定是微分完整)。阻抗每個輸入端對地 ()和輸入終端()都是有限的。此外，如果輸入

17、終端都接地，不為零而是與G相關(guān)，由決定。如果輸入終端通過電阻接地，值也取決于這些電阻；由電流源和建模，代表輸入偏置或電流泄漏。這些電流需要返回路徑，或要用第三根引線將信號源與放大器相連，或共同接地。和和都不是常數(shù)，而是隨溫度時間改變。即緩慢變化(< 0.01 Hz)叫漂移。、快速變化描述為噪聲(圖1.5中，都是噪聲源)。IAs常見的規(guī)格在參考3中定義。如果電壓同時應(yīng)用于輸入，則取決于和它的頻率。共模增益為為了描述由VC決定的輸出電壓作為輸入誤差，我們必須相應(yīng)的用G除以v(正?；虿钅Ｔ鲆?，G = G)。共模抑制比(CMRR)的定義是通常用分貝表示。輸入誤差電壓是圖1.4測量放大器。(a)符號。(b)理想和實際輸入/輸出關(guān)系。理想的響應(yīng)是一條通過點(0，0)和斜率G的直線。在上面的分析我們假設(shè);否則，如果有任何不平衡(例如圖1.5的源阻抗)，電壓源中的 會導(dǎo)致在放大器輸入中有差模電壓，這是由于被放大了。 圖1.5 實際測量放大器的模型,包括主要的誤差來源。然后,實際的的共模抑制比為CMRR單獨用IA的,表