數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)-4

1教學(xué)內(nèi)容第4章測(cè)量放大器

23.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)3.3多路開(kāi)關(guān)集成芯片3.4多路開(kāi)關(guān)的電路特性3.5多路開(kāi)關(guān)的配置第3單元

模擬多路開(kāi)關(guān)上一單元主要內(nèi)容

3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

圖1-1微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)顯示器打印機(jī)繪圖機(jī)定時(shí)與邏輯控制接口被測(cè)物理量數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)…多路開(kāi)關(guān)傳感器傳感器傳感器

44.1概述4.2測(cè)量放大器的電路原理4.3測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)4.4測(cè)量放大器集成芯片第4章測(cè)量放大器本章教學(xué)內(nèi)容

5第4章測(cè)量放大器4.1

概述

64.1概述

了解放大器的類(lèi)型

了解在數(shù)據(jù)采集中使用測(cè)量放大器的原因

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

74.1概述兩種誤解：1.凡是測(cè)量?jī)x器中使用的放大器，就是測(cè)量放大器；2.測(cè)量放大器只應(yīng)用在測(cè)量?jī)x器中。測(cè)量放大器（InstrumentationAmplifiers）又稱(chēng)儀用放大器、儀表放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)IA

84.1概述測(cè)量放大器的應(yīng)用非常廣泛。除了數(shù)據(jù)采集和測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域外，在通信，生物醫(yī)學(xué)工程，電子對(duì)抗、電子偵察，電子安防，自動(dòng)控制，視聽(tīng)設(shè)備等多個(gè)方面都發(fā)揮著重要的作用。

94.1概述問(wèn)題：在數(shù)據(jù)采集中,經(jīng)常會(huì)遇到一些微弱的微伏級(jí)信號(hào)（熱電偶的輸出信號(hào)），需要用放大器加以放大。放大器類(lèi)型通用運(yùn)算放大器測(cè)量放大器

104.1概述那么，選擇何種放大器來(lái)放大微弱信號(hào)？

114.1概述通用運(yùn)算放大器

具有mV級(jí)失調(diào)電壓、數(shù)μV/℃的溫飄，不能用于放大微弱信號(hào)。特點(diǎn)目前市場(chǎng)上的放大器有以下特點(diǎn)。測(cè)量放大器

124.1概述

?

測(cè)量放大器的輸入阻抗都在109歐姆以上，輸出阻抗通常只有幾個(gè)毫歐。這是普通運(yùn)放難以達(dá)到的。測(cè)量放大器的輸出可以近似看作理想的單端信號(hào)源。?通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)，并且平衡的差分輸入，使其對(duì)共模信號(hào)的抑制能力遠(yuǎn)高于通用運(yùn)放。?具有低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中被廣泛用于前置放大器。

13第4章測(cè)量放大器4.2

測(cè)量放大器的電路原理

144.2

測(cè)量放大器的電路原理

了解測(cè)量放大器的電路原理

了解測(cè)量放大器使用中的兩個(gè)指標(biāo)

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

154.2

測(cè)量放大器的電路原理

有兩級(jí)運(yùn)放第一級(jí)：兩個(gè)同相放大器A1、A2

輸入阻抗高。第二級(jí)：普通差分放大器A3Ui1Ui2+-A1-+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6圖4-1測(cè)量放大器原理電路IG

16使用測(cè)量放大器的兩個(gè)指標(biāo)：測(cè)量放大器的增益

由上式可知，調(diào)節(jié)外接電阻的大小，可以改變測(cè)量放大器的增益。4.2

測(cè)量放大器的電路原理

174.2

測(cè)量放大器的電路原理

抗共模干擾能力⑴對(duì)直流共模信號(hào)，其抑制比為無(wú)窮大。⑵對(duì)交流共模信號(hào)。如圖4.2所示。

184.2

測(cè)量放大器的電路原理

輸入信號(hào)的共模分量傳給屏蔽體輸入保護(hù)電路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′圖4-2交流共模干擾影響及抑制方法A4+-A2-+C1C2A1+-

由于輸入信號(hào)的傳輸線存在線阻Ri1、Ri2和分布電容C1、C2。Ri1C1

、Ri2

C2分別對(duì)地構(gòu)成回路。

當(dāng)Ri1

C1

≠

Ri2

C2時(shí)，交流共模信號(hào)在兩運(yùn)放輸入端產(chǎn)生分壓、，，所以

，對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾。

抑制干擾措施：在其輸入端接一個(gè)輸入保護(hù)電路。

當(dāng)R1′=R2′時(shí)，由于屏蔽層和信號(hào)線間對(duì)交流共模信號(hào)是等電位的，故C1

、

C2

的分壓作用不存在，從而降低共模干擾的影響。

19第4章測(cè)量放大器4.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

204.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

了解測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

了解技術(shù)指標(biāo)對(duì)使用的影響

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

214.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.

非線性度

非線性度

—放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。什么是〞非線性度〞

？

22

●非線性度通常用滿量程的百分比表示，

精密測(cè)量放大器的非線性度典型值為0.01%，特殊放大器的非線性度可達(dá)0.0001%。4.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

●非線性度是由芯片內(nèi)部缺陷造成

的，無(wú)法通過(guò)外部補(bǔ)償措施予以消除。

23

非線性度與增益有關(guān)，且對(duì)數(shù)據(jù)采集精度影響很大。4.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

12位A／D

轉(zhuǎn)換器

增益為1，非線性偏差為±0.025%增益為500，非線性偏差為±

0.1%結(jié)果：相當(dāng)于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下的轉(zhuǎn)換器。結(jié)論：一定要選擇非線性度偏差小于0.024%的放大器。

244.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

2.

溫漂什么是〞溫漂〞

？溫漂

—測(cè)量放大器輸出電壓隨溫度變化的程度。

254.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

例如：一個(gè)溫漂2V/℃的測(cè)量放大器，當(dāng)增益為1000時(shí)，測(cè)量放大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于12位A／D轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個(gè)LSB值。應(yīng)盡量選擇溫漂小的測(cè)量放大器。

264.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

3.

建立時(shí)間建立時(shí)間

—指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至測(cè)量放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。什么是〞建立時(shí)間〞

？

27放大器輸出電壓tUtU驅(qū)動(dòng)信號(hào)建立時(shí)間上偏差下偏差

當(dāng)增益>200時(shí)，為達(dá)到誤差范圍±0.01%，往往要求建立時(shí)間為50s～100s。4.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

284.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

4.

恢復(fù)時(shí)間什么是〞恢復(fù)時(shí)間〞

？恢復(fù)時(shí)間

—指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時(shí)間。

294.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

5.

失調(diào)電壓什么是〞失調(diào)電壓〞

？失調(diào)電壓

—對(duì)于理想放大器，輸入為零時(shí)，輸出也為零。但在實(shí)際的放大器中，輸入為零時(shí)，輸出不為零。為使放大器輸出為零，輸入端所加的補(bǔ)償電壓稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓。通常在幾十微伏。

304.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

6.

電源引起的失調(diào)什么是〞電源引起的失調(diào)〞

？電源引起的失調(diào)

—電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。

314.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

7.

共模抑制比(CMRR)

如果測(cè)量系統(tǒng)兩個(gè)差分輸入端同時(shí)輸入一個(gè)共模信號(hào)Vci，在輸出端得到一個(gè)輸出Vco.因?yàn)檩斎氲腣ci只有轉(zhuǎn)換成差模信號(hào)后，才會(huì)有輸出信號(hào)。假設(shè)Vci中有一部分轉(zhuǎn)換成了差模輸入Vdi，此時(shí)第一種CMRR定義為：共模信號(hào)只有轉(zhuǎn)換成差模信號(hào)后，才能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。關(guān)于CMRR有多種不同的定義方式：

324.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

定義：VCO是Vdi在測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出，若測(cè)量系統(tǒng)的差模增益為Gd,則CMRR1：評(píng)價(jià)系統(tǒng)輸入端抑制“共模信號(hào)轉(zhuǎn)換成差模信號(hào)的能力”

334.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

定義：Gc=VCO/Vci,為系統(tǒng)的共模增益，則有即共模抑制比是放大器的差模增益與共模增益的比值。

344.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

CMRR第二種定義:如果測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)差分輸入端同時(shí)輸入一個(gè)共模信號(hào)Vci,在輸出端得到一個(gè)輸出Vco,可以得出:

354.3

測(cè)量放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

共模抑制比用對(duì)數(shù)表示時(shí)：

36第4章測(cè)量放大器

4.4

測(cè)量放大器集成芯片

37

4.4

測(cè)量放大器集成芯片

了解測(cè)量放大器集成芯片的外形構(gòu)造

了解測(cè)量放大器集成芯片的使用調(diào)整本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

38

4.4

測(cè)量放大器集成芯片

1.AD521AD521是集成測(cè)量放大器，采用14腳雙列直插式封裝。圖4-3AD521引腳功能

39

4.4

測(cè)量放大器集成芯片

引腳4，6用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，將4，6端接到10KΩ電位器的兩個(gè)固定端;123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+圖4-4AD521基本連接方法

電位器滑動(dòng)端接負(fù)電源U-（腳5）。

引腳10，13用于外接電阻RS，用于對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

當(dāng)RS=100kΩ±15%時(shí)，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。

40

4.4

測(cè)量放大器集成芯片

測(cè)量放大器的放大倍數(shù)按如下公式計(jì)算：其放大倍數(shù)可在1