精密儀器設(shè)計-精密電路設(shè)計

精密儀器設(shè)計-精密電路設(shè)計第一頁，共79頁。一、電子電路在精密儀器中的地位精密儀器幾乎都由傳感器件或傳感器、信號或數(shù)據(jù)處理器、顯示器或記錄器等幾大部分組成。傳感元件(一次轉(zhuǎn)換)放大器或信號調(diào)理電路信號轉(zhuǎn)換電路激勵電路數(shù)字顯示器筆錄儀模擬電表模擬指示波形記錄數(shù)字指示被測非電量傳感器信號處理器顯示、記錄器單參數(shù)檢測精密儀器結(jié)構(gòu)示意圖（不帶微處理器）2第二頁，共79頁。單參數(shù)精密儀器結(jié)構(gòu)示意圖（帶微處理器）傳感元件(一次轉(zhuǎn)換)放大器信號調(diào)理電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器激勵電路CRT、LCD硬盤數(shù)字顯示器數(shù)字顯示數(shù)據(jù)存儲文字、表格、圖形顯示被測非電量微處理器打印機數(shù)據(jù)或圖形記錄傳感器信號或數(shù)據(jù)處理器一、電子電路在精密儀器中的地位3第三頁，共79頁。多參數(shù)綜合精密檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖傳感器2運放電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器顯示器硬盤模出接口輸入2微處理器打印機多路選通器傳感器1輸入1傳感器N輸入N一、電子電路在精密儀器中的地位4第四頁，共79頁。為何電子電路會有如此廣泛的應(yīng)用，占有如此重要的地位？主要原因：——提高測量儀器的精度和靈敏度

——擴充量程和多功能實現(xiàn)自動化測量

——排除機構(gòu)活動件，提高工作可靠性及壽命尤其是現(xiàn)代化精密儀器，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，只有合適的電子電路才能使其功能和自動化程度達到更高的水平。一、電子電路在精密儀器中的地位5第五頁，共79頁。二、精密儀器電路的內(nèi)容與功用1、內(nèi)容精密儀器電路對傳感器輸出的測量信號進行放大、處理、轉(zhuǎn)換和線性化處理后，驅(qū)動顯示或控制執(zhí)行機構(gòu)動作。精密儀器電路擔(dān)負著選擇、放大、運算、信號轉(zhuǎn)換、邏輯處理等任務(wù)，是精密儀器不可缺少的組成部分。6第六頁，共79頁。精度高2、功能：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化①易于實現(xiàn)高倍率放大↑分辯率、↓讀數(shù)誤差②易于實現(xiàn)量程切換解決了量程與分辯率的矛盾③通過信號的調(diào)制解調(diào)、選頻與濾波、共模抑制電路方便地選取有用信號、抑制無用信號；減少噪聲、干擾與非被測參數(shù)的影響。④利用電路可對儀器誤差進行自動校正零點的自動校正、放大倍數(shù)的自動校正、非線性誤差的修正⑤利用差動電路補償電路、平衡電路使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小7第七頁，共79頁。使用方便①電路可方便信號傳輸，使它便于讀出或?qū)崿F(xiàn)控制、執(zhí)行；②電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路讀取更方便；③電路的反應(yīng)速度高，信息傳輸快，利用信號鎖存，便于實現(xiàn)動態(tài)采樣；④利用電路可進行巡回采樣或同時讀取多路信號；⑤利用信號分離電路，可讀取各成分參數(shù)；⑥通過計算機與邏輯處理電路，便于實現(xiàn)信號的運算處理，直接讀取所需的復(fù)雜參數(shù)值；⑦便于利用電路存儲測量結(jié)果。易于自動化：通過電路可實現(xiàn)邏輯判斷、處理、功放、反饋控制等。2、功能：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化8第八頁，共79頁。計算機的廣泛應(yīng)用是儀器電路功能的延伸和新發(fā)展主要功用①大量數(shù)據(jù)的動態(tài)和自動采樣；②大量數(shù)據(jù)的存儲；③完成較為復(fù)雜多樣的運算；④較為復(fù)雜多樣的誤差自動修正；⑤較高水平的智能化。計算機完成這些任務(wù)都需要儀器電路對信號進行預(yù)處理，并通過接口將計算機與儀器溝通。特點：運算速度快、儲存量大、智能化、圖形化發(fā)展：PC儀器、智能儀器、虛擬儀器三、精密儀器電路的特點與主要要求9第九頁，共79頁。三、精密儀器電路的特點與主要要求精密儀器電路的特點：①高精度與高穩(wěn)定性；②高靈敏度、高分辯率，可檢測微弱信號；③檢測信號的多樣性；④信號的處理要求；⑤儀器化的電路設(shè)計，要滿足操作方便、自動測試、

工作可靠等要求。10第十頁，共79頁。三、精密儀器電路的特點與主要要求對精密儀器電路的要求1.信號的拾取與抗干擾能力首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)）；其次，采取恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地，電路本身

的合理設(shè)計。2.穩(wěn)定性----是對儀器電路乃至整個精密儀器的最基本的要求。①溫漂－－導(dǎo)致儀器的示值在一次運行中發(fā)生漸變；②長期穩(wěn)定性－－由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀

器性能在長期運行中發(fā)生變化；③短期穩(wěn)定性－－表示為示值重復(fù)性。由輸入信號的信噪比、電

路本身的噪聲和抗干擾能力決定。11第十一頁，共79頁。電路的穩(wěn)定性不僅包括零點和放大倍數(shù)（靈敏度）的穩(wěn)定性，還應(yīng)包括線性度、頻率特性、輸入輸出阻抗的穩(wěn)定性等。提高穩(wěn)定性的措施：①減小溫漂－－選溫漂小經(jīng)老化處理的元件，合理安排熱源，

采取深度負反饋和補償措施。②提高短期穩(wěn)定性－－選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器

件、適當(dāng)布線與接地及采取合適的抗干擾措施，還常采取

深度負反饋、差動或平衡電路。靜態(tài)下：多次重復(fù)取樣取平均、↑濾波器的時間常數(shù)→↓示值分散性。三、精密儀器電路的特點與主要要求12第十二頁，共79頁。3.頻率特性與響應(yīng)速度

－－是衡量儀器動態(tài)性能的指標。被測對象頻率范圍，從直流開始，高端可至1011Hz，以致更高。→頻率特性同時巡回采樣，巡回點越多，要求采樣速度越高?！憫?yīng)速度4.線性度－－是儀器精度的又一重要指標。xy0實際曲線規(guī)定曲線通常要求儀器的輸入輸出間具有線性關(guān)系①線性標尺便于讀出；②換檔時只須改變分度值，不必另行定標；③記錄波形曲線不失真；④進行A/D轉(zhuǎn)換、細分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時均不考慮非線性因素，比較方便。精密儀器的非線性度主要由傳感器、電路、顯示執(zhí)行機構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。三、精密儀器電路的特點與主要要求13第十三頁，共79頁。5.分辯率提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。模擬儀表：最小刻度值的一半?！唷糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)。數(shù)字儀表：數(shù)字顯示最低位1個字對應(yīng)的被測量。

↓量化誤差→↓最低位1個字對應(yīng)的被測量↗細化電路↘↑A/D位數(shù)6.輸入與輸出阻抗－－要與相應(yīng)的傳感器和所驅(qū)動的顯示執(zhí)行機構(gòu)阻抗匹配。一般要求電路輸入阻抗很高。（∵有的傳感器輸出阻抗大108Ω以上）但不是所有情況（∵輸入阻抗↑→輸入端噪聲↑）合理的要求是輸入級的輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達最大值。7.計算與邏輯控制功能通常檢測儀器需要完成一定的計算，以獲得所需的被測參數(shù)值；儀器電路還要完成一系列邏輯判斷處理，以保證儀器正常工作。三、精密儀器電路的特點與主要要求14第十四頁，共79頁。四、精密儀器電路的發(fā)展趨勢電子管時期－－電子管放大器放大應(yīng)變電橋的輸出信號， 組成電阻應(yīng)變儀。50年代中后期－－晶體管發(fā)展到了實用階段。各種電子管電路

隨之改為晶體管電路。60年代－－數(shù)字頻率計、數(shù)字電壓表等數(shù)字儀表發(fā)展到了實用

階段。各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場。70年代－－各種模擬、數(shù)字集成電路大批量投入生產(chǎn)，價格大

大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開辟了廣闊前景。70年代中期－－微機系統(tǒng)開始在檢測儀器中得到實際應(yīng)用。 顯著提高了檢測儀器的性能和自動化程度。80年代－－大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷完善，以單片集成

模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。15第十五頁，共79頁。四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢（一）優(yōu)質(zhì)化優(yōu)質(zhì)化的一個重要方面就是提高電路的工作可靠性。例：一個含有104個晶體管的電路若單個晶體管可靠性為0.9999整個電路可靠性為0.999910000≈0.37若單個晶體管可靠性為0.99999整個電路可靠性為0.9999910000≈0.905若單個晶體管可靠性為0.999999整個電路可靠性為0.99999910000≈0.99為使整個電路的工作可靠性達到99%，則單個器件可靠性必須達到0.999999（二）集成化趨勢（1）集成塊的密集度越來越高；（2）采用集成塊的范圍越來越廣。16第十六頁，共79頁。四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢（三）數(shù)字化能較好地解決量程和分辯率的矛盾；（1）易于集成化；（2）抗干擾能力強；（3）便于動態(tài)采樣，便于記憶存儲；（4）便于與計算機聯(lián)用。但數(shù)字電路不能完全取代模擬電路。（四）通用化（1）一個電路盡量采用相同的單元電路；（2）整個儀器的構(gòu)成采用電路模塊化、積木化；（3）推廣通用儀器。（五）自動化與智能化（六）虛擬化17第十七頁，共79頁。導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體功率模塊功率放大器件P型N型三極管場效應(yīng)管PN結(jié)PN結(jié)集成運算放大器分立元件五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展半導(dǎo)體：體積小、重量輕、壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高摻雜擴散、漂移電流放大作用18第十八頁，共79頁。

集成運放有源濾波器運算加減微積分線性非線性乘除對、指數(shù)運放處于線性放大狀態(tài)（負反饋）運放處于非線性狀態(tài)（開環(huán)或正反饋）比較器振蕩器五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展19第十九頁，共79頁。01數(shù)字電路模擬電路ADDA線性電源開關(guān)電源電池電源按鍵顯示五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展20第二十頁，共79頁。集成運算放大器:實現(xiàn)信號的組合和運算的放大器。集成運放：模擬器件。運放電路:器件＋外圍。集成運放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，構(gòu)成功能和特性完全不同的電子電路，它是各種電子電路(儀器電路)中最基本的組成環(huán)節(jié)。集成運放電路優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。1、定義五、精密檢測電路--運算放大器21第二十一頁，共79頁。（1）電路一般采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，而不采用阻容耦合結(jié)構(gòu)；（2）輸入級采用差動放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，從而改進單管的性能；（4）大量采用恒流源設(shè)置靜態(tài)工作點或做有源負載(電流源具有交

流電阻大的特點)，提高電路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工藝制造出來的，故具有同相偏

差。元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、集成運放特點五、精密檢測電路--運算放大器22第二十二頁，共79頁。3、基本構(gòu)成

集成運放是以雙端為輸入、單端為輸出的直接耦合型高增益放大器,其內(nèi)部組成原理框圖用圖1.2表示,

它由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等四部分組成。集成運算放大器內(nèi)部組成原理框圖五、精密檢測電路--運算放大器23第二十三頁，共79頁。4、集成放大器封裝形式1金屬圓帽封裝(8/10/12腳)2雙列直插封裝(8/14腳)3貼片封裝(8/14腳)1塑料封裝（－10～70度）2陶瓷封裝（－50～125度）價格相差2個數(shù)量級3金屬－陶瓷封裝（更高）5、集成放大器封裝材料五、精密檢測電路--運算放大器24第二十四頁，共79頁。五、精密檢測電路--運算放大器6、集成運放主要參數(shù)25第二十五頁，共79頁。五、精密檢測電路--運算放大器6、集成運放主要參數(shù)26第二十六頁，共79頁。7、集成運放的種類通用運放低功耗低溫漂高輸入阻抗低噪聲高速運放高壓運放多元運放單電源跨導(dǎo)型運放五、精密檢測電路--運算放大器27第二十七頁，共79頁。8、集成運放的使用合理選擇消振調(diào)零保護擴流先消振、后調(diào)零五、精密檢測電路--運算放大器28第二十八頁，共79頁。五、精密檢測電路--運算放大器9、精密儀器電路信號放大電路（小信號、低漂移直流、高輸入阻抗、電荷、低噪音等）信號處理電路（濾波、特征值檢測、采樣保持等）調(diào)制與解調(diào)電路（振幅、頻率、相位、脈沖等）……29第二十九頁，共79頁。集成運放理想化的條件：開環(huán)電壓放大倍數(shù)AO∞;差模輸入電阻ri開環(huán)輸出電阻rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞.－＋＋u－u＋ouAO五、精密檢測電路--運算放大器30第三十頁，共79頁。理想運放對于理想運放Ao,ri“虛短路”原則（2）“虛斷路”原則（1）uuouiu=Ao=–-+集成運放工作在線性區(qū)的特點：uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+

0i-=i+=0uiri

i-=i+=u-u+=,五、精密檢測電路--運算放大器31第三十一頁，共79頁。當(dāng)u+>u-時，u0=UO+iiuO+rid+輸出電壓u0只有兩種可能：當(dāng)u+<u-時，u0=UO－“虛斷”的條件原則上仍成立，即ii≈0“虛短”原則上不成立，即u+和u-不一定相等！工作在非線性區(qū)的特點uiuO_++u-u+五、精密檢測電路--運算放大器32第三十二頁，共79頁。VoR1Rf

+ViI1IfR2常用電路01：反相比例運算電路ABC增益1）分析電路結(jié)構(gòu)；2）分析工作原理；3）理想運放+線性疊加原理列方程。

（環(huán)路電壓、節(jié)點電流）33第三十三頁，共79頁。VoR1Rf

+ViI1IfR2注意：有共模電壓輸入常用電路02：同相比例運算電路34第三十四頁，共79頁。反相輸入VoR1Rf

+Vi2I1IfRpVi1R2I2R1＝R2＝R常用電路03：加法運算電路35第三十五頁，共79頁。同相輸入VoR2Rf

+Vi2I1IfRpVi1R3I2R1R2＝R3＝RP常用電路03：加法運算電路36第三十六頁，共79頁。VoR1

+Vi2I1IfRpVi1R2I2RfR1＝R2；

Rp＝Rf常用電路04：減法運算電路37第三十七頁，共79頁。I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++1）電路結(jié)構(gòu)；同相放大器、跟隨器、取樣電阻2）工作原理；V02=Vp2I0=(V01-Vp2)/R03）列方程：理想運放+線性疊加原理

（環(huán)路電壓、節(jié)點電流）R1=R2=R3=R4=R38第三十八頁，共79頁。I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++3）理想運放+線性疊加原理列方程。

（環(huán)路電壓、節(jié)點電流）N1點節(jié)點電流：-VN1/R=(VN1-V01)/R∴V01=2VN1=2VP1P1點節(jié)點電流：(Vi-VP1)/R=(VP1-V02)/R∴V02=2VP1-Vi=VP2∴I01=(V01-VP2)/R0=[2VP1-(2VP1-Vi)]/R0=Vi/R0

即跨導(dǎo)放大器R1=R2=R3=R4=R39第三十九頁，共79頁。I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++I0=(V01-VP2)/R0=(V01-V02)/R0

即必須求出V01、V02A1組成同相放大電路

∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1R1=R2=R3=R4=R方法2：等效簡化電路法40第四十頁，共79頁。I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++R1=R2=R3=R4=RI0UoUiI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R441第四十一頁，共79頁。常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器I0UoViI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R4VP1=R4/(R3+R4).Vi+R3/(R3+R4).V02=1/2(Vi+V02)∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1=Vi+V02∴I0=(V01-VP2)/R0=(Vi+V02-V02)/R0=Vi/R0戴維南線性疊加原理42第四十二頁，共79頁。常用電路06：儀用運算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V021）電路結(jié)構(gòu)；

A1A2R1R2對稱，雙輸入單輸出，同相端輸入、差動放大2）工作原理；V0=(1+R2/R1).V3+-R2/R1.V01=(1+R2/R1).R2/(R1+R2)V02-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)差分電路3）列方程：理想運放+線性疊加原理

（環(huán)路電壓、節(jié)點電流）V1V243第四十三頁，共79頁。常用電路06：儀用運算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V02方法1：歐姆定律(V01-V02)/(2R3+RG）

=(V1-V2)/RG∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V244第四十四頁，共79頁。常用電路06：儀用運算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V02方法2：合比定理(V01-V1)/R3=(V1-V2)/RG

=(V2-V02)/R3∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V245第四十五頁，共79頁。常用電路06：儀用運算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V02方法3：線性疊加V01=(1+R3/RG).V1-R3/RG.V2V02=(1+R3/RG).V2-R3/RG.V1∴V02-V01=(1+2R3/RG）(V2-V1）∴V0=(1+R2/R1).[R2/(R1+R2).V02]-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)=R2/R1.(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V246第四十六頁，共79頁。常用電路7：回差電壓比較器一、振鈴現(xiàn)象電平檢測器(任意電平比較器)，當(dāng)達到比較電平時，立即翻轉(zhuǎn)，用它檢測信號電壓時，靈敏度高。但若被測信號疊加一定的干擾信號，可能使比較器產(chǎn)生振蕩，造成誤翻轉(zhuǎn)－－這就是所謂的電平比較器的振鈴現(xiàn)象。Un0VMUiNPQUoUiUoA－＋Un~47第四十七頁，共79頁。常用電路7：回差電壓比較器二、回差電壓比較器為克服振鈴現(xiàn)象，可采用回差電壓比較器(滯后比較器、施密特觸發(fā)器)。1組成－－在比較器的同相端加入少量的正反饋，即可構(gòu)成滯后比較器。其傳輸特性具有滯后特性。UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H48第四十八頁，共79頁。2原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ⑴當(dāng)輸入電壓Ui大于同相端電壓U+(即Ui>U+)時，輸出電壓Uo處于低電平UL在R1中的電流I1為正(I1>0)，DZ2反向擊穿(DZ1導(dǎo)通)，則有UoUi0U0LU+LU0HU+H①②③

UΣ-

UZ=

Uo

UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)臨界條件解得:Uo=

-

UZ(1+R2/R3)=U0L(輸出低電平)

UΣ=U+=(Uo+UZ)=-(R2/R3)UZ=U+L

(輸出低電平時同相端電位、下比較電平)常用電路7：回差電壓比較器49第四十九頁，共79頁。⑵當(dāng)Ui逐漸減小時，只要Ui>U+L[-(R2/R3)UZ]時，I1不換向，則，比較器狀態(tài)不改變，輸出電平為Uo=U0L=

-UZ(1+R2/R3)⑶當(dāng)Ui<U+L[-(R2/R3)UZ]時，I1換向(從正→負)，則DZ1反向擊穿(DZ2導(dǎo)通)比較器輸出Uo轉(zhuǎn)為高電平(UL→U0H)。因同相端的正反饋作用加速翻轉(zhuǎn)過程。這時↗UΣ+

UZ=

Uo↘UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)解得↗Uo=

UZ(1+R2/R3)=U0H(輸出高電平)↘UΣ=U+=(Uo+UZ)=(R2/R3)UZ=U+H

(輸出高電平時同相端電位、上比較電平)常用電路7：回差電壓比較器UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ50第五十頁，共79頁。2原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑷Ui繼續(xù)下降，輸出維持高電平端電壓Uo=U0H[(R2/R3)UZ]

，

而同相端和反相端電平翻轉(zhuǎn)到

U+H[(R2/R3)UZ]

⑤⑸若Ui上升，只要Ui<U+H[=Ums=(R2/R3)UZ]時，輸出電平仍為：Uo=U0H[UZ(1+R2/R3)]，比較器狀態(tài)不改變。⑥⑦常用電路7：回差電壓比較器51第五十一頁，共79頁。2原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑤⑥⑹當(dāng)Ui>U+H時，I1換向(從負→正)，則DZ2反向擊穿(DZ1導(dǎo)通)比較器輸出Uo又轉(zhuǎn)為低電平[U0→U0L=-(1+R2/R3)UZ]。

此時，UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ⑦⑺Ui繼續(xù)上升，輸出仍維持低電平Uo=

U0L；而同/反相端電平已轉(zhuǎn)為UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ。常用電路7：回差電壓比較器52第五十二頁，共79頁。

①比較器的傳輸特性具有遲滯回線的形式，所以稱為遲滯比較器，由于比較門限電平的回差變化，又稱回差比較器。

②此零電平比較器的比較電平不再是單一的零電平(UR=0)而是具有位于零電平附近的兩個電平↗上(大)比較電平U+H=(R2/R3)UZ

↘下(小)比較電平U+L=-(R2/R3)UZ兩者之差稱為滯后電平。ΔU=

U+H–U+L=(UoH–UoL)R2/(R2+R3)

↗U+H

=UoHR2/(R2+R3)

↘U+L=UoLR2/(R2+R3)

③

ΔU可由R2R3調(diào)節(jié)，適當(dāng)選取ΔU，可消除“振鈴”現(xiàn)象。但ΔU的存在檢測靈敏度∴ΔU不宜過大，通常R2<<R3

常用電路7：回差電壓比較器53第五十三頁，共79頁。Notes：任意電平滯后比較器，可用相同方法分析：

⑴參考電壓UR在同相端UiUoR1A－＋R3R2URUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU輸入電壓Ui從低值達到上比較電平U+H時，比較器輸出從高電平→低電平(UoH→UoL)，這種滯后特性稱為下行滯后特性，簡稱下行特性。常用電路7：回差電壓比較器54第五十四頁，共79頁。

⑵

參考電壓UR在反相端URUoR1A－＋R3R2UiUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU輸入電壓Ui從低值達到上比較電平U+H時，比較器輸出從低電平→高電平(UoL→UoH)，這種滯后特性稱為上行滯后特性，簡稱上行特性。常用電路7：回差電壓比較器55第五十五頁，共79頁。常用電路8：峰值保持電路峰值保持電路－－能使持續(xù)期短的信號在時間上可以擴展的電路。1、原理:①當(dāng)Ui>0時，D導(dǎo)通，電容C被充電到的峰值－－峰值跟蹤階段，0A段。②當(dāng)Ui過峰值而下降時，D反偏而截止，由于的反向電阻較大，電容C上的電荷因無放電回路而被保持下來－－保持階段，AB段。③此后只有當(dāng)Ui上升到大于電容C上的電壓(Ui>UC)，D才導(dǎo)通，使輸出Uo跟蹤輸入Ui，直到新的峰值，并保持下來。UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想Uo實際56第五十六頁，共79頁。常用電路8：峰值保持電路2、誤差分析①實際二極管并不是理想元件。②電路輸出端總有一定負載電阻(RL)。③信號源也有一定內(nèi)阻(Rs)。跟蹤階段－－電容C上電壓UC無法完全跟蹤Ui，按一定的時間常數(shù)上升。保持階段－－UC將通過RL進行放電，從而使Uo偏離被測信號峰值。偏離的程度與元件的質(zhì)量、取值有關(guān)。元件參數(shù)一旦確定，偏離值的大小又與被測信號Ui有直接關(guān)系。UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想Uo實際57第五十七頁，共79頁。常用電路8：峰值保持電路一、改善二極管的非線性及消除不靈敏區(qū)－－將二極管放在運放的反饋回路中。UiA1－＋UoDA2－＋C此時，D的等效開啟電壓為Ui’=UD/A1d

式中A1d

－－A1的開環(huán)增益，一般在80dB以上(即1000倍)。

UD

－－二極管死區(qū)(不靈敏區(qū))電壓，硅管UD

≈0.5V。

Notes：①Ui’是一個很小的值，Ui’≈0。這就消除了二極管的不靈敏區(qū)。

②當(dāng)D導(dǎo)通后，A1工作在電壓跟隨狀態(tài)，從而消除了D的非線性影響。58第五十八頁，共79頁。二、增加保持時間實際↗D的反向電阻及A1A2的輸入阻抗并非無窮大。

↘存儲電容C也存在漏電流。→在保持階段電容C上的電壓將通過A1A2D及C的等效漏電阻而放電，從而引起保持電壓的漂移，其漂移率為

D=ΔUo

/Δt=I漏

/C式中，I漏

=Ib

+ID+IC

Ib

－－A1A2的偏置電流和漏電流之和；

ID

－－D的反向飽和漏電流；

IC

－－C的漏電流。常用電路8：峰值保持電路59第五十九頁，共79頁。Notes：要↓D(電壓漂移率)，增加↑保持時間，可↑C和↓I漏

⑴實際電容C值受工作速度的限制，且↑C其漏電流IC

漏也大。⑵有效的方法是↓I漏

，其途徑有二：①選用優(yōu)質(zhì)元件↗C－－選聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏電流小(IC

漏↓)的電容

→A1A2－－選場效應(yīng)管作輸入級的運放

↘D－－選開關(guān)特性好的形狀二極管，或用場效應(yīng)管代替②改進電路－－如盡可能減小加在峰值檢測二極管上的反向電壓等。常用電路8：峰值保持電路60第六十頁，共79頁。常用電路8：絕對值檢測電路整流－－把正負極性交變的信號轉(zhuǎn)換成單極性的直流信號，稱為整流。線性整流－－單極性的直流輸出電壓與輸入交流信號的幅值呈線性比例關(guān)系的整流，稱為線性整流，又稱精密檢波。絕對值電路－－又稱全波整流電路。它的特點是能將交變的雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號。在自動檢測儀表中常用這一特點來對信號進行幅值檢測。~ui＋RL－uituRLtI0UDVαr=ctgαuiuDr61第六十一頁，共79頁。常用電路9：絕對值檢測電路~ui＋RL－uituRLt利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詫崿F(xiàn)較大信號的檢波，但由于二極管的正向伏安特性的非線性(r)及其閾值電壓(UD)的存在，無法實現(xiàn)精密的線性檢波。二極管的伏安特性為：I0UDVαr=ctgαuiuDr

UD－－二極管的閾值(導(dǎo)通)電壓。r－－二極管的動態(tài)電阻，表示當(dāng)偏壓高于UD后特性曲線的斜率。二極管的特性可用等效電路來描述。這里忽略了二極管的反向漏電流，實際上對于硅二極管，這種反向漏電流是相當(dāng)小的。62第六十二頁，共79頁。二極管的非線性決定了用它無法實現(xiàn)良好的線性轉(zhuǎn)換uiuoDR例如：當(dāng)輸入信號為線性的三角波時，經(jīng)二極管檢波電路后的輸出波形，將產(chǎn)生明顯的畸變。I0UDUuo=IR0UDttui

↗輸入信號越小，畸變越嚴重；↘當(dāng)輸入信號<UD，輸出Uo=0，電路失去檢波作用。常用電路9：絕對值檢測電路63第六十三頁，共79頁。uiuoDR為實現(xiàn)精密線性檢波，必須解決兩個問題：改善二極管的非線性特性，以實現(xiàn)良好的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系；

減小二極管閾值電壓(UD)的影響，使其能對盡可能小的輸入信號進行轉(zhuǎn)換。

利用運放與普通二極管有源檢波電路，能有效解決以上兩個問題。按檢波特性，可把精密檢波電路分為↗精密半波檢波電路

→精密全波檢波電路

↘峰值檢波電路常用電路9：絕對值檢測電路64第六十四頁，共79頁。A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2兩二極管(D1D2)分別接在運放的反饋回路，運放接成反相放大器形式。設(shè)輸入信號為正弦信號Uo

=Uinsinωt①Ui正半周(Ui>0):Uo’為負(<0)D1導(dǎo)通，D2截止

D1導(dǎo)通，使運放處于深度負反饋狀態(tài)。從而保證了運放的反相輸入端“虛地”(Uin-=0)，由于輸出信號(Uo)是從“虛地”取出，R2無電流流過，∴Uo=0常用電路10：精密半波檢波電路65第六十五頁，共79頁。A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2②Ui負半周(Ui<0)：Uo’為正(>0)D1截止，D2的狀態(tài)取決于Uo’的大?。喝鬠o’<UD，D2截止，運放工作于開環(huán)狀態(tài)。此時Uo’=-AoUi≤UD，即Ui≤UD/Ao?！哌\放開環(huán)增益很高(一般Ao為104~105),∴Ui很小，Uo=Ui也很小，可看作零。這就相當(dāng)于把二極管的閾值電壓UD降低1/Ao，從而有效地克服了UD對檢波性能的影響，大大提高了電路對小信號的檢波能力。常用電路10：精密半波檢波電路66第六十六頁，共79頁。A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2一旦Uo’>UD，D2導(dǎo)通，運放處于反相比例放大工作狀態(tài)，Uo=-(R2/R1)Ui，若取R1=R2，則Uo=-Ui。顯然，D2導(dǎo)通，使A處于深度負反饋閉環(huán)工作狀態(tài)，而D2又在反饋回路中。因此，D2導(dǎo)通后的非線性特性，由于負反饋的作用而明顯改善，使檢波電路的輸出與輸入之間具有良好的線性關(guān)系。由以上分析Uo=↗0，Ui>0↘|Ui|，Ui<0常用電路10：精密半波檢波電路67第六十七頁，共79頁。①檢波波形和檢波特性。uituot波形uoui檢波特性②若需對的正半周進行檢波，只要將電路中的兩個二極管(D1D2)同時反接即可。③為定量說明二極管閾值電壓UD和非線性電阻r所產(chǎn)生的非線性誤差，可畫等效電路。A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr在的負半周內(nèi)：常用電路10：精密半波檢波電路68第六十八頁，共79頁。A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr此式表明：在精密半波檢波電路中，UD和r仍會影響電路輸出，造成誤差。但由于負反饋的作用，把這種影響減少到原來的1/Aoβ④需要提出的是：精密半波檢波電路的工作頻率↗在大信號時，會受到運放壓擺率(SR)的限制；

↘在小信號時，會受到運放-3dB帶寬(f0)的限制。

必須根據(jù)實際工作頻率選擇合適的集成運放，才能保證檢波器的檢波精度。常用電路10：精密半波檢波電路69第六十九頁，共79頁。1、簡單絕對值電路：由半波檢波電路和加法器兩部分組成。UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3①Ui正半周(Ui＋>0):∵A1是反相輸入D2截止，D1導(dǎo)通，此時，半波檢波電路的輸出電壓(即A1的輸出電壓)Uo1=－Ui＋R2/R1加法器對兩電壓進行求和運算，其輸出電壓為

Uo＋=(-Ui＋R6/R4-Uo1R6/R5)=-(R6/R4-R6R2/R5R1)Ui＋若取R2=R1，R6=R4=2R5

則

Uo＋=Ui＋常用電路11：絕對值電路70第七十頁，共79頁。UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3②Ui負半周(Ui＋<0):∵A1是反相輸入D1截止，D2導(dǎo)通，則，Uo1被切斷，不能輸入到A2的輸入端?！郩o－=－Ui－R6/R4=－Ui－此時，Ui－<0，－Ui－>0，∴Uo=|Ui|常用電路11：絕對值電路71第七十一頁，共79頁。Notes：①絕對值電路波形和檢波特性。uituot波形uoui檢波特性②將電路中的(D1D2)同時反接，即可獲得負輸出的絕對值電路。③簡單絕對值電路在頻率較低時，能得到滿意的結(jié)果。當(dāng)頻率較高時，

由于前面的半波檢波電路會產(chǎn)生相移，破壞了加法電路所實現(xiàn)的運算

關(guān)系，使輸出波形失真而引起誤差，應(yīng)采用頻率補償來這種誤差。常用電路11：絕對值電路72第七十二頁，共79頁。Notes：uituot波形