第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版

1、HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 第第6 6章章 信號(hào)放大技術(shù)信號(hào)放大技術(shù) 實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)安排 第一次實(shí)驗(yàn)第一次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn) 411班第六周周五（4月 11日）下午16:10 至20:10 第八周周二（4月 22日）下午13:00 至16:20 第八周周五（4 月25日）下午 16:10至20:10 412班第七周周六（4月 19日）上午8:30至 13:30 第八周周二（4月 22日）下午13:00 至16:20 第八周周六（4 月26日）上午 8:30至13:30 413班第七周周五（4月 18日）下午16:10 至20:10 第八周

2、周三（4月 23日）上午10:00 至13:20 第九周周一（4 月28日）上午 10:00至15:00 陳賡班 第六周周四（4月 10日） 下午14:00 至19:00 待定待定 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)要求 第一次實(shí)驗(yàn)第一次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容1.信號(hào)調(diào)理電路實(shí)驗(yàn)2.傳 感器特性測(cè)試及應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 3.傳感器應(yīng)用電路 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 4.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) 綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 項(xiàng)目1.書(shū)書(shū)233233頁(yè)頁(yè) 10.3.1 10.3.1： 實(shí)驗(yàn)1、2、3、4； 2.書(shū)書(shū)240240頁(yè)頁(yè) 10.3.2 10.3.2： 實(shí)驗(yàn)1、2、3、4任其一。 書(shū)書(shū)245245頁(yè)頁(yè) 10

3、.4.1 10.4.1： 實(shí)驗(yàn)1、2、3、4任 選一個(gè)； 書(shū)書(shū)247247頁(yè)頁(yè) 10.4.2 10.4.2： 實(shí)驗(yàn)5 心電信號(hào)自 動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 預(yù)備預(yù)習(xí)報(bào)告 重點(diǎn)：儀器設(shè)備使用 預(yù)習(xí)報(bào)告 重點(diǎn)：設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn) 電路，并仿真通過(guò) 預(yù)習(xí)報(bào)告 重點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)電路分 析 要求2人一組；按學(xué)號(hào)組合2人一組；按學(xué)號(hào)組 合；4月3日上報(bào)選 題 1.實(shí)驗(yàn)室設(shè)備：3人 一組；自由組合； 2.4自行設(shè)計(jì)：2人 一組；自由組合； 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 本章目的：本章目的： 掌握有關(guān)干擾的一般常識(shí)； 掌握差動(dòng)放大器和儀用放大器的工作原理； 掌握隔離放大器的工作原理。 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 干擾的一般概念；儀用放大器測(cè)量

4、原理及應(yīng)用 本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)： 共模干擾抑制比，儀用放大器專用芯片使用 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 6.16.1信號(hào)的干擾與噪聲信號(hào)的干擾與噪聲 v6.1.1 6.1.1 基本概念基本概念 1.1.干擾與噪聲干擾與噪聲 什么是噪聲？什么是噪聲？ 什么是信噪比？什么是信噪比？ 有用信號(hào)功率有用信號(hào)功率P PS S與噪聲功率與噪聲功率P PN N 之比，或有用信號(hào) 之比，或有用信號(hào) 電壓電壓U US S與噪聲電壓與噪聲電壓U UN N 之比。 之比。 S/N=10lg(PS/PN)=20lg(US/UN)（dB） 測(cè)量中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)測(cè)量中應(yīng)盡量提高信噪比，以減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)

5、 果的影響。果的影響。 2. 噪聲源及干擾源 (1)機(jī)械干擾 機(jī)械振動(dòng)或沖擊使電子元機(jī)械振動(dòng)或沖擊使電子元 件發(fā)生震動(dòng)，改變系統(tǒng)的件發(fā)生震動(dòng)，改變系統(tǒng)的 電氣參數(shù)而造成的影響。電氣參數(shù)而造成的影響。 處理辦法：處理辦法： 選用專用減振彈簧選用專用減振彈簧- -橡膠橡膠 墊腳或吸振橡膠海綿墊墊腳或吸振橡膠海綿墊來(lái)來(lái) 降低系統(tǒng)的諧振頻率，吸降低系統(tǒng)的諧振頻率，吸 收振動(dòng)的能量，從而減小收振動(dòng)的能量，從而減小 系統(tǒng)的振幅。系統(tǒng)的振幅。 橡膠橡膠 海綿軟墊海綿軟墊 橡膠墊腳及彈簧 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 圖 兩種減振方法 a)用減振彈簧一橡膠墊腳(可移動(dòng)方式)； b)用橡膠或海 綿墊吸收振動(dòng)能量(永

6、久固定方式)； c)減振等效機(jī)械圖 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 (2) (2) 濕度及化學(xué)干擾濕度及化學(xué)干擾 用絕緣漆浸漬過(guò) 的控制變壓器 浸漆可防止水分 進(jìn)入線圈內(nèi)部 v濕度增加濕度增加物體表面附著水膜物體表面附著水膜滲滲 入入材料內(nèi)部材料內(nèi)部降低絕緣強(qiáng)度降低絕緣強(qiáng)度漏電、漏電、 擊穿和短路擊穿和短路 v潮濕潮濕 加速加速金屬材料腐蝕金屬材料腐蝕原電池原電池 化學(xué)干擾化學(xué)干擾 v高溫潮濕高溫潮濕使霉菌生長(zhǎng)使霉菌生長(zhǎng)引起有機(jī)引起有機(jī) 材料霉?fàn)€材料霉?fàn)€ 保護(hù)措施：保護(hù)措施： 浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等。浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等。 (3) (3) 熱干擾熱干擾 v 熱量、溫度波動(dòng)、不均勻溫

7、度場(chǎng)對(duì)檢測(cè)裝置干擾體熱量、溫度波動(dòng)、不均勻溫度場(chǎng)對(duì)檢測(cè)裝置干擾體 現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 元件參數(shù)的變化（溫漂）；元件參數(shù)的變化（溫漂）； 接觸熱電勢(shì)干擾；接觸熱電勢(shì)干擾； 壽命和耐壓等級(jí)降低。壽命和耐壓等級(jí)降低。 v 克服熱干擾的防護(hù)措施：克服熱干擾的防護(hù)措施： 低溫漂元件；軟、硬件溫度補(bǔ)償措施；低功耗、低發(fā)低溫漂元件；軟、硬件溫度補(bǔ)償措施；低功耗、低發(fā) 熱元件；儀器前置輸入級(jí)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件；加強(qiáng)散熱、熱元件；儀器前置輸入級(jí)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件；加強(qiáng)散熱、 采用熱屏蔽等。采用熱屏蔽等。 ( (4 4) )固有噪聲干擾固有噪聲干擾 固有噪聲：電路中，電子元固有噪聲：電路中，電子元 件本身產(chǎn)

8、生的具有隨機(jī)性、件本身產(chǎn)生的具有隨機(jī)性、 寬頻帶的噪聲。寬頻帶的噪聲。 固有噪聲源：電阻熱噪聲、固有噪聲源：電阻熱噪聲、 半導(dǎo)體散粒噪聲和接觸噪聲半導(dǎo)體散粒噪聲和接觸噪聲 等。等。 措施：選用低噪聲元器件、措施：選用低噪聲元器件、 減小流過(guò)器件的電流、減小減小流過(guò)器件的電流、減小 電路的帶寬等。電路的帶寬等。 （5 5） 電、磁噪聲干擾電、磁噪聲干擾 電磁干擾源分為兩大類：自然界干擾源和人為干電磁干擾源分為兩大類：自然界干擾源和人為干 擾源。擾源。 v自然界干擾源：地球外層空間的宇宙射電噪聲、自然界干擾源：地球外層空間的宇宙射電噪聲、 太陽(yáng)耀斑輻射噪聲以及大氣層的天電噪聲。后者太陽(yáng)耀斑輻射噪聲

9、以及大氣層的天電噪聲。后者 的能量頻譜的能量頻譜30MHz30MHz以下，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響較大。以下，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響較大。 v人為干擾源：有意發(fā)射干擾源和無(wú)意發(fā)射干擾源。人為干擾源：有意發(fā)射干擾源和無(wú)意發(fā)射干擾源。 電吹風(fēng)機(jī)干擾電視機(jī)的演示 X X光機(jī)產(chǎn)生大功率光機(jī)產(chǎn)生大功率 高頻干擾高頻干擾 閃電產(chǎn)生電磁場(chǎng)干擾 雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生大功率高頻干擾雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生大功率高頻干擾 變 電 站 會(huì) 產(chǎn) 生50Hz的高次 諧波干擾 電吹風(fēng)機(jī)干擾電視機(jī)的演示 兩種途徑：兩種途徑： 通過(guò)共用的電源插通過(guò)共用的電源插 座；以空間電磁場(chǎng)座；以空間電磁場(chǎng) 傳輸?shù)姆绞接呻娨晜鬏數(shù)姆绞接呻娨?機(jī)的天線接收。機(jī)的天線接收。 3.

10、 3. 干擾的傳導(dǎo)模式干擾的傳導(dǎo)模式 v串模干擾串模干擾 是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的噪聲電壓是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的噪聲電壓 串模干擾串模干擾:特點(diǎn)是干擾大小相等，極性相反。也稱為差模干擾、特點(diǎn)是干擾大小相等，極性相反。也稱為差模干擾、 常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。 注意：在一 般情況下， 差模干擾幅 度小、頻率 低、所造成 的干擾較小。 v共模干擾共模干擾 是兩個(gè)信號(hào)端相對(duì)參是兩個(gè)信號(hào)端相對(duì)參 考點(diǎn)所共有的。被側(cè)考點(diǎn)所共有的。被側(cè) 信號(hào)的參考地和檢測(cè)信號(hào)的參考地和檢測(cè) 系統(tǒng)的參考地之間往系統(tǒng)的參考地之間往 往存在一定的電位差，往存在一定的電位差， 這種信號(hào)稱為共模干

11、這種信號(hào)稱為共模干 擾擾 。 共模干擾：特點(diǎn)是干擾大小相等、極性相同。來(lái)源：由 電網(wǎng)串入、地電位差等形成。 圖 共模干擾典型例子 注意：此干擾在檢測(cè)儀表的兩個(gè)輸入端子上同時(shí)出 現(xiàn)，不直接影響測(cè)量結(jié)果，但是當(dāng)信號(hào)輸入電路參 數(shù)不對(duì)稱時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。 4. 4. 干擾噪聲耦合方式干擾噪聲耦合方式 電容耦合：又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合，由于分布電容的電容耦合：又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合，由于分布電容的 存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。屬于場(chǎng)的形式的干屬于場(chǎng)的形式的干 擾擾 圖 兩平行導(dǎo)線之間的電場(chǎng)耦合 a)導(dǎo)線走向示意 b)等效電路 1導(dǎo)線1（干擾傳輸線）； 2導(dǎo)線

12、2（干擾接收電路）； 3 噪聲源 v互感耦合：又稱磁場(chǎng)耦合。由于內(nèi)部或外部空間互感耦合：又稱磁場(chǎng)耦合。由于內(nèi)部或外部空間 電磁場(chǎng)感應(yīng)耦合。電磁場(chǎng)感應(yīng)耦合。屬于場(chǎng)的形式的干擾屬于場(chǎng)的形式的干擾 導(dǎo)線間分布互感 流過(guò)導(dǎo)線1電流 互感電壓 1 1 / 2 MI MI 2 V 導(dǎo)線1中電流與導(dǎo) 線2交鏈磁通 其大小與干擾頻率 和互感量成正比 圖 磁場(chǎng)耦合干擾圖 a)熱電偶引線與工頻強(qiáng)電流輸電線路互感耦合； b)等效電路 v公共阻抗耦公共阻抗耦 合：合：屬于路屬于路 的形式的干擾的形式的干擾 發(fā)生在兩個(gè)電路發(fā)生在兩個(gè)電路 的電流流經(jīng)一個(gè)的電流流經(jīng)一個(gè) 公共阻抗。公共阻抗。 負(fù)載負(fù)載 電流電流 干擾干擾

13、壓降壓降 正確接線正確接線 圖 通過(guò)泄漏電阻引起的干擾 v由泄漏電阻引起的干擾由泄漏電阻引起的干擾屬于路的形式的干擾屬于路的形式的干擾 6.1.2 6.1.2 干擾與噪聲的抑制技術(shù)干擾與噪聲的抑制技術(shù) 噪聲傳播三要素：干擾源，干擾傳輸通道和噪聲傳播三要素：干擾源，干擾傳輸通道和 對(duì)干擾敏感的接收電路。對(duì)干擾敏感的接收電路。 v消除或抑制干擾源：消除或抑制干擾源： v切斷干擾傳遞途徑：切斷干擾傳遞途徑： v削弱接收電路對(duì)干擾的敏感性：削弱接收電路對(duì)干擾的敏感性： 屏蔽的目的是隔斷場(chǎng)的耦合，即抑制場(chǎng)的干 擾。 屏蔽的種類：靜電屏蔽，電磁屏蔽，磁屏蔽。1.靜電屏蔽：防止靜電耦合干擾。 原理：處于靜電

14、平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)為等 電勢(shì)，即導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 靜電屏蔽工業(yè)實(shí)現(xiàn)： 1）用銅或鋁等導(dǎo)電性良好的金屬為材料制作成封 閉的金屬容器，并與地線連接，把需要屏蔽的電路 置于其中。2）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（特別是自動(dòng)化程度高的工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)）采用許多種類的滿足靜電屏蔽要求的屏蔽 電纜如圖所示。 a)a)銅箔包覆的動(dòng)力設(shè)備用電纜；銅箔包覆的動(dòng)力設(shè)備用電纜； b)b)測(cè)控系統(tǒng)用的信號(hào)電纜測(cè)控系統(tǒng)用的信號(hào)電纜 圖圖 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電纜舉例工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電纜舉例 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 圖b）的信號(hào)電纜外部 用銅網(wǎng)包覆，對(duì)整個(gè)電纜 提供靜電屏蔽；每對(duì)絞扭 的信號(hào)線用鍍鋁塑料膜包 扎，提供第二層屏蔽

15、。 外層銅網(wǎng)附有一根裸線， 用于與儀表機(jī)殼一起接地 （注意：只準(zhǔn)一端接地）； 內(nèi)層鋁膜所附的裸線用于 與測(cè)控電路的地相接。對(duì) 于三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的儀表放大 器，接GUARD引腳。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 2.電磁屏蔽：防止高頻電磁場(chǎng)的干擾。 原理：高頻電磁場(chǎng)在屏蔽層（導(dǎo)電良好）金屬內(nèi)部 產(chǎn)生電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消干擾磁場(chǎng)。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 * 電渦流效應(yīng) 電渦流電渦流效應(yīng)產(chǎn)生的電流強(qiáng)弱與激勵(lì)源頻率效應(yīng)產(chǎn)生的電流強(qiáng)弱與激勵(lì)源頻率f f、 工件的電導(dǎo)率工件的電導(dǎo)率 、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 、線圈距工件的距離、線圈距工件的距離 等有關(guān)。等有關(guān)。 在電渦流效應(yīng)中，在電渦流效應(yīng)中，當(dāng)當(dāng) 信號(hào)源頻率

16、為信號(hào)源頻率為高頻高頻 （100kHz左右）左右）時(shí)，時(shí)，被被 測(cè)導(dǎo)體產(chǎn)生測(cè)導(dǎo)體產(chǎn)生的的電渦流在金電渦流在金 屬導(dǎo)體的縱深方向并不是屬導(dǎo)體的縱深方向并不是 均勻分布的，而只集中在均勻分布的，而只集中在 金屬導(dǎo)體的表面，這稱為金屬導(dǎo)體的表面，這稱為 集膚效應(yīng)（也稱趨膚效集膚效應(yīng)（也稱趨膚效 應(yīng)）。應(yīng)）。 *集膚效應(yīng)集膚效應(yīng) 集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f f、工件的電導(dǎo)率、工件的電導(dǎo)率 、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 等有關(guān)。頻率等有關(guān)。頻率f f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，越高，電渦流的滲透的深度就越淺， 集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 電渦流與集膚效應(yīng)舉例電渦流與集膚效應(yīng)舉例 電磁爐的工

17、作原理 高頻電 流通過(guò)勵(lì)磁 線圈，產(chǎn)生 交變磁場(chǎng)， 在鐵質(zhì)鍋底 會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù) 的電渦流， 使鍋底自行 發(fā)熱，燒開(kāi) 鍋 內(nèi) 的 食 物。 n磁屏蔽：防止低頻磁通干擾。 磁場(chǎng)傳播過(guò)程中，總是選擇導(dǎo)磁性能好的材料（坡莫 合金）作為自己的路徑,據(jù)此可以對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行磁屏 蔽。實(shí)際利用導(dǎo)磁性物質(zhì)將磁場(chǎng)“鎖”在一定范圍。 低頻磁場(chǎng)一般 由馬達(dá)、發(fā)電 機(jī)、變壓器等 設(shè)備產(chǎn)生。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 低頻磁屏蔽工業(yè)實(shí)現(xiàn)： 1）儀器的鐵皮外殼就起到低頻磁屏蔽的作用。若進(jìn) 一步將其接地，又同時(shí)起靜電磁屏蔽作用。 2）在干擾嚴(yán)重的地方常使用復(fù)合屏蔽電纜，其最外 層是低磁導(dǎo)率、低飽和的鐵磁材料，內(nèi)層是高磁導(dǎo)率、 高

18、飽和鐵磁材料，最里層是銅質(zhì)電磁屏蔽層，以便一 步步地消耗干擾磁場(chǎng)的能量。 3）在工業(yè)中常用的辦法是將屏蔽線 穿在鐵質(zhì)蛇皮管或普通鐵管內(nèi)，達(dá)到 雙重屏蔽的目的。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 6.1.3 6.1.3 接地技術(shù)接地技術(shù) 地：在一個(gè)電路或系統(tǒng)中用作電壓參考的點(diǎn)或等位面地：在一個(gè)電路或系統(tǒng)中用作電壓參考的點(diǎn)或等位面 接地起源于強(qiáng)電技術(shù)， 它的本意是接大地， 主要著眼于安全。這 種地線也稱為“保安 地線”。它的接地電 阻值必須小于規(guī)定的 數(shù)值。圖是電氣設(shè)備 接大地的示意圖。 圖 單相三線交流配電 接地保護(hù)原理圖 1.”1.”地地”的種類的種類 v信號(hào)地：信號(hào)地： 指信號(hào)的大小及極性的參考電位

19、。指信號(hào)的大小及極性的參考電位。 v系統(tǒng)地：系統(tǒng)地： 指系統(tǒng)中電流的公共回路和電壓指系統(tǒng)中電流的公共回路和電壓0 0位參考點(diǎn)。位參考點(diǎn)。 v機(jī)殼地：機(jī)殼地： 是指機(jī)殼的電位值。是指機(jī)殼的電位值。 v大地：是指地球，也是絕對(duì)零位電位點(diǎn)。大地：是指地球，也是絕對(duì)零位電位點(diǎn)。 對(duì)于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，對(duì)于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，“地地”多是多是 指電信號(hào)的基準(zhǔn)電位，也稱為指電信號(hào)的基準(zhǔn)電位，也稱為“公共參考端公共參考端”。 信號(hào)地線又可分為以下幾種：信號(hào)地線又可分為以下幾種： 模擬信號(hào)地線模擬信號(hào)地線：是模擬信號(hào)的零信號(hào)電位公是模擬信號(hào)的零信號(hào)電位公 共共線線。因?yàn)槟M信號(hào)電

20、壓多數(shù)情況下均較弱，。因?yàn)槟M信號(hào)電壓多數(shù)情況下均較弱， 易受干擾，易形成級(jí)間不希望的反饋，所以易受干擾，易形成級(jí)間不希望的反饋，所以 模擬信號(hào)地線的橫截面積應(yīng)盡量大些。模擬信號(hào)地線的橫截面積應(yīng)盡量大些。 數(shù)字信號(hào)地線數(shù)字信號(hào)地線：是數(shù)字信號(hào)的零電平公共線。是數(shù)字信號(hào)的零電平公共線。 由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)脈沖由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)脈沖 電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱 模擬信號(hào)的干擾源，為了避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模模擬信號(hào)的干擾源，為了避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模 擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜。擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜。

21、 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 圖 數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾 a)錯(cuò)誤的接法； b)正確的接法（模、數(shù)地線分開(kāi)設(shè)置） 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 2.2.接地接地方式方式 a) 單點(diǎn)串聯(lián)接地 幾種典型信號(hào)電路接地： 缺點(diǎn)： 每個(gè)電路輸出信號(hào)都是相對(duì)于不同參考點(diǎn)的電壓，干擾源很 顯著。 使用注意： l只要電路的供電電流不同，就不應(yīng)使用這種接地方法。 l在任何情況下，較敏感的電路都應(yīng)靠近公共參考點(diǎn)放置。第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 b) 單點(diǎn)并聯(lián)接地 c) 多點(diǎn)并聯(lián)接地 缺點(diǎn)： 復(fù)雜的物理布局。 優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)干擾問(wèn)題。 使用范圍： 是低頻接地的優(yōu)選方法。 優(yōu)點(diǎn)： 較低的接地阻抗。 使用范圍： 對(duì)于高頻電路 (

22、10MHz) 必須使用 多點(diǎn)接地 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 d d）混合接地）混合接地 3.3.雙絞線傳輸雙絞線傳輸 一種：一根用做作屏蔽，另一根用做信號(hào) 傳輸線； 另一種：采用金屬網(wǎng)狀編織的屏蔽線，金 屬網(wǎng)做屏蔽層，芯線用于傳輸信號(hào)。 一般的原則是：抑制靜電感應(yīng)采用金屬網(wǎng) 屏蔽線，抑制電磁感應(yīng)干擾應(yīng)采用雙絞線。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 雙絞線對(duì)外部干擾的抑制： 外部干擾 信號(hào)對(duì)扭 絞雙線回 路的干擾 干擾信號(hào)源 干擾電流 外部干擾 信號(hào)對(duì)未 扭絞雙線 回路的干 擾 干擾電流 干擾信號(hào)源 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路 能完成被測(cè)信號(hào)的變換、放大

23、、調(diào)解， 除噪等使之達(dá)到某種水準(zhǔn)的電路或設(shè) 備統(tǒng)稱為 不一定是具體電路，可是專用測(cè)量模 塊，也可是一臺(tái)檢測(cè)儀器。 在工程上，可自行設(shè)計(jì)電路，也可直 接選用專用信號(hào)調(diào)理裝置。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 傳感器及被測(cè)傳感器及被測(cè) 信號(hào)信號(hào) 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路 名稱名稱作用作用 應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀提供電橋電源，放大、相敏提供電橋電源，放大、相敏 檢波濾波檢波濾波 壓電傳感器壓電傳感器電荷、電壓放大電荷、電壓放大 器器 阻抗變換、電壓放大、濾波阻抗變換、電壓放大、濾波 電容、電感電容、電感載波放大器載波放大器提供電橋電源、放大提供電橋電源、放大 熱電勢(shì)熱電勢(shì)直流放大

24、器直流放大器電壓、功率放大電壓、功率放大 壓阻傳感器壓阻傳感器直流放大器直流放大器提供電橋電源、放大提供電橋電源、放大 光電信號(hào)光電信號(hào)光電放大器光電放大器放大、整形、輸出脈沖放大、整形、輸出脈沖 通斷信號(hào)通斷信號(hào)波形變換器波形變換器波形變換、輸出脈沖波形變換、輸出脈沖 噪聲與干擾噪聲與干擾帶通或?yàn)V波器帶通或?yàn)V波器濾波濾波 高壓信號(hào)高壓信號(hào)衰減器衰減器降壓降壓 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 6.2 儀用放大器和隔離放大器儀用放大器和隔離放大器 v6.2.1 6.2.1 運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ)運(yùn)算放大器應(yīng)用基礎(chǔ) v1.1.集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻集成運(yùn)算放

25、大器是一種高電壓增益、高輸入電阻 和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，一般由和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，一般由 四部分組成。四部分組成。 左圖所示為左圖所示為A741A741集成運(yùn)算放大器的芯片實(shí)物外形圖集成運(yùn)算放大器的芯片實(shí)物外形圖 從實(shí)物外形圖上可看出，從實(shí)物外形圖上可看出，A741A741集成運(yùn)放有集成運(yùn)放有8 8個(gè)個(gè) 管腳，管腳的排列圖、電路圖符號(hào)如下：管腳，管腳的排列圖、電路圖符號(hào)如下： 12 8765 43 空腳空腳 正電正電 源端源端 輸出輸出 端端 調(diào)零調(diào)零 端端 調(diào)零端調(diào)零端 反相反相 輸入輸入 端端 同相輸同相輸 入端入端 負(fù)電負(fù)電 源端源端 集成運(yùn)放的電路圖符號(hào)集

26、成運(yùn)放的電路圖符號(hào) U 0 U + U- 同相輸入同相輸入 反相輸入反相輸入 +12V 輸出輸出 6 5 1 3 7 2 4 -12V 調(diào)零電位器調(diào)零電位器 外部接線外部接線 圖圖 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 （1 1）理想運(yùn)算放大器的三個(gè)基本特性：）理想運(yùn)算放大器的三個(gè)基本特性： 輸入的偏置電流為零；輸入的偏置電流為零； 開(kāi)環(huán)差動(dòng)電壓增益為無(wú)窮大；開(kāi)環(huán)差動(dòng)電壓增益為無(wú)窮大； 差動(dòng)輸入阻抗為無(wú)窮大。差動(dòng)輸入阻抗為無(wú)窮大。 （2 2）理想運(yùn)算放大器電路的兩條設(shè)計(jì)定則：）理想運(yùn)算放大器電路的兩條設(shè)計(jì)定則： 理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的電壓為零理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的電壓為零( (等電位點(diǎn)等電

27、位點(diǎn)) )； “虛短虛短” 理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端都沒(méi)有電流流入或流出。理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端都沒(méi)有電流流入或流出。 “虛斷虛斷” （3）技術(shù)指標(biāo)）技術(shù)指標(biāo) 開(kāi)環(huán)增益：在標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓和規(guī)定的負(fù)載電阻條件下，放開(kāi)環(huán)增益：在標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓和規(guī)定的負(fù)載電阻條件下，放 大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比大器開(kāi)環(huán)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比 。 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 ：輸入電壓為零時(shí)，為使集成運(yùn)放的輸出電壓輸入電壓為零時(shí)，為使集成運(yùn)放的輸出電壓 為零，而施加在輸入端的補(bǔ)償電壓叫輸入失調(diào)電壓為零，而施加在輸入端的補(bǔ)償電壓叫輸入失調(diào)電壓 。 輸入偏置電流：當(dāng)輸入偏置電流：當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，流入放大器兩個(gè)

28、輸入端輸出電壓為零時(shí)，流入放大器兩個(gè)輸入端 的電流平均值即為輸入偏置電流的電流平均值即為輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流：是指在上述情況下二個(gè)輸入端電流的差值輸入失調(diào)電流：是指在上述情況下二個(gè)輸入端電流的差值 。 溫度漂移：溫度漂移：放大器的溫漂主要由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電放大器的溫漂主要由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電 流引起，輸入失調(diào)電壓溫漂是對(duì)集成運(yùn)放電壓漂移特性的度流引起，輸入失調(diào)電壓溫漂是對(duì)集成運(yùn)放電壓漂移特性的度 量輸入失調(diào)電流溫漂是對(duì)放大器電流漂移的度量。量輸入失調(diào)電流溫漂是對(duì)放大器電流漂移的度量。 v 最大差模輸入電壓：最大差模輸入電壓：放大器的反相和同相輸入端所能放大器的反相和同相輸入

29、端所能 承受的最大電壓值。承受的最大電壓值。 v 最大共模輸入電壓：最大共模輸入電壓：超過(guò)值，將導(dǎo)致運(yùn)放共模抑制比超過(guò)值，將導(dǎo)致運(yùn)放共模抑制比 顯著下降。顯著下降。 v 差模輸入電阻：差模輸入電阻：運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，兩個(gè)輸入端差模電壓的運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，兩個(gè)輸入端差模電壓的 變化量與由它所引起的電流變化量之比，稱為差模輸入電變化量與由它所引起的電流變化量之比，稱為差模輸入電 阻，其值一般在幾十千歐到幾十兆歐左右。阻，其值一般在幾十千歐到幾十兆歐左右。 v 開(kāi)環(huán)輸出電阻。開(kāi)環(huán)輸出電阻。運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，其輸出級(jí)輸出電阻，表運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，其輸出級(jí)輸出電阻，表 示運(yùn)放的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。示運(yùn)放的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。 v 全功率帶

30、寬。全功率帶寬。在正弦電壓作用下，如運(yùn)放接成單位增在正弦電壓作用下，如運(yùn)放接成單位增 益，且處于全功率輸出狀態(tài)，這是繼續(xù)增加正弦電壓頻率，益，且處于全功率輸出狀態(tài)，這是繼續(xù)增加正弦電壓頻率， 當(dāng)輸出信號(hào)失真到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦頻率為全功率帶度，當(dāng)輸出信號(hào)失真到規(guī)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦頻率為全功率帶度， 用表示。用表示。 2. 常用運(yùn)算放大器常用運(yùn)算放大器 v反向放大器反向放大器 v同向放大器同向放大器 Vi Vo R1 Rf Rp Vi Vo R1 Rf Rp V+ V- V- V+ 1 f O f i R V A VR 1 1 f O f i R V A VR v 電流電流- -電壓變換器電壓變換

31、器 v 加法器加法器 Io f R Vo p R Oof VI R 12 12 () ff o RR VVV RR v差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 差模信號(hào)：大小相等、極性相反差模信號(hào)：大小相等、極性相反 增益：增益： 共模信號(hào)：大小相等、極性相同共模信號(hào)：大小相等、極性相同 增益：增益： 共模抑制比：差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù)共模抑制比：差動(dòng)放大器對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù) 與對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)之比與對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)之比 20log ud uc A CMMR A 12 ()/2 icucocic uuuAuu 12idudodid uuuAuu 20log ud uc A CM

32、MR A v差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù) v共模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù) 211 f o ud R U A UUR 11 fff o uc g RRR U A URR 3. 電橋放大器電橋放大器 許多傳感器都通過(guò)電橋的連接方式，將被測(cè)非 電量轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)輸出，并用放大器 進(jìn)一步放大。 電橋電源接地式 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 6.2.2 儀用放大器儀用放大器 對(duì)微弱信號(hào)及具有較大共膜干 擾的場(chǎng)合，可采用測(cè)量放大器 （或稱為儀用放大器、數(shù)據(jù)放大 器）進(jìn)行放大。 1. 儀用放大器基本結(jié)構(gòu)儀用放大器基本結(jié)構(gòu) 放大器由二級(jí)串聯(lián)。前級(jí)：兩個(gè)同向放大器，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)放大器由二級(jí)串聯(lián)。前級(jí)：兩個(gè)同向放

33、大器，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào) 加在此處，具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級(jí)：差動(dòng)加在此處，具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級(jí)：差動(dòng) 放大器，切斷共模干擾的傳輸，將雙端輸入方式變換成單端輸出方放大器，切斷共模干擾的傳輸，將雙端輸入方式變換成單端輸出方 式，以適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。式，以適應(yīng)對(duì)地負(fù)載的需要。 對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù) 測(cè)量放大器的放大倍數(shù)可用疊加定理計(jì)算： 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 圖圖 差動(dòng)放大器對(duì)共模信差動(dòng)放大器對(duì)共模信 號(hào)的抑制原理圖號(hào)的抑制原理圖 4 57 R RR V V g o 1 A 對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù) 思考題：請(qǐng)給出思考題：請(qǐng)給出 推導(dǎo)過(guò)程推導(dǎo)過(guò)程 第6章信

34、號(hào)放大技術(shù)課堂版 思考： 1.外接電阻RG有什么作用： 2.對(duì)前級(jí)兩個(gè)差動(dòng)放大器有什么要求？ 3.如何提高電路的抗共模干擾的能力？ 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 2.集成儀用放大器集成儀用放大器 AD612和和AD614測(cè)量放大器內(nèi)部電路測(cè)量放大器內(nèi)部電路 高精度薄膜電阻 ： 采用激光自動(dòng)修刻工藝制作，放大器增益精度高，最大誤差不超 過(guò)：1010-6/C。 增益可控： 非二進(jìn)制增益： 1、2端之間外接一電阻RG，增益為：Af=1+（80k）/ RG 二進(jìn)制增益： 當(dāng)A1的1端與精密電阻網(wǎng)絡(luò)2至12端不相連時(shí)： RG=， Af=1； 當(dāng)A1的1端與精密電阻網(wǎng)絡(luò)3端相連時(shí)： RG斷開(kāi)， Af=1+（8

35、0k）/ （80k）=21 ； 當(dāng)A1的1端與精密電阻網(wǎng)絡(luò)4端相連時(shí)： RG=， Af=1+（80k）/ （26.67k）=4=22 ； 電路特點(diǎn)： 結(jié)論：只要在(1)端和(3)(12)端之間加一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)， 用數(shù)碼去控制開(kāi)關(guān)的通與斷，可方便地進(jìn)行增益控制。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 1.1.輸入端的連接輸入端的連接 三三 測(cè)量放大器的使用注意事項(xiàng)測(cè)量放大器的使用注意事項(xiàng) 圖 測(cè)量放大器輸入端的正確連接 運(yùn)放兩個(gè)輸入端都是有偏置電流,這些電流將對(duì)分布電容充電， 造成輸出電壓不可控制的漂移或處于飽和. 2.2.護(hù)衛(wèi)護(hù)衛(wèi)(guard)(guard)端的連接端的連接 圖 電纜屏蔽層接地的影響 當(dāng)

36、測(cè)量放大器通過(guò)電纜與信號(hào)源連接時(shí)，電纜的屏蔽層應(yīng)連 接到測(cè)量放大器的護(hù)衛(wèi)端。如果電纜的屏蔽層不接護(hù)衛(wèi)端而接 地，那么對(duì)交流共模干擾Vcm就不能有效地抑制。 分析原因： Vcm Vcm 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 3.R 3.R 端、端、S S 端的連接端的連接 圖 測(cè)量放大器的R端和S端 S端稱為敏感(Sence)端，R端稱為參考(Reference) 端。一般情況下，R端接電源地，S端接輸出端。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 6.2.3 6.2.3 隔離放大器隔離放大器 1隔離放大器的作用 l測(cè)量放大器只能承受有限的共模電壓（通常只能承受有限的共模電壓（通常1515伏）伏）。 l隔離放大器是一種能

37、在其輸入端與輸出端之間提供電輸入端與輸出端之間提供電 阻隔離的放大器阻隔離的放大器。隔離放大電路的輸入、輸出與電源電 路之間沒(méi)有直接的電路連接，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有 公共的接地端。 2. 應(yīng)用場(chǎng)合 隔離放大電路主要用于便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控便攜式測(cè)量?jī)x器和某些測(cè)控 系統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工系統(tǒng)（如生物醫(yī)學(xué)人體測(cè)量、自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備、工 業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等）業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、 高共模抑制能力傳送信號(hào)。 3. 隔離放大器的工作原理 組成及符號(hào) 輸 入 放大器 R1 R1 R2 Riso Ciso R2 uo 隔離器 輸 出 放大器 ud uc uis

38、o 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 a) 變壓器耦合 輸出 浮置電源 輸 入 調(diào) 制 放 大 器 耦合變壓器 輸 出 解 調(diào) 放 大 器輸入 隔離放大器按耦合方式的不同，可以分為變壓器(載波 調(diào)制放大器)耦合、光電耦合等。 變壓器耦合器是由 變壓器和調(diào)制解調(diào)電 路組成，以變壓器方 式進(jìn)行耦合。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 b) 光電耦合 浮置電源 光耦合器 輸 入 放大器 輸 出 放大器 輸出 輸入 LED V 光電耦合器是由發(fā)光器件 和光敏器件組成，以光-電方 式進(jìn)行耦合。由于電信號(hào)的 傳遞是通過(guò)光束進(jìn)行的，所 以光電耦合器的輸出端對(duì)輸 入端無(wú)反饋?zhàn)饔?，處于隔離 狀態(tài)。 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 4

39、. 4. 通用隔離放大電路通用隔離放大電路 v AD277AD277變壓器耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器 隔離 電源 振蕩器 調(diào)制器 輸入屏蔽 解調(diào)器 輸出屏蔽 2 6 8 7 3 4 1 9 5 15V 15V 13 12 10 16 （U） 100k 100k 1M 14 11 15（U） - + + N1 - + + N2 信號(hào)傳輸通道信號(hào)傳輸通道 電源能量傳送通道電源能量傳送通道外電源外電源15V 將直流電壓變?yōu)楦哳l交流電壓將直流電壓變?yōu)楦哳l交流電壓 作為調(diào)制器的載波信號(hào)作為調(diào)制器的載波信號(hào) 解調(diào)用基準(zhǔn)信號(hào)解調(diào)用基準(zhǔn)信號(hào) 浮置電源浮置電源 一對(duì)光電耦合器構(gòu)成的隔離電路一對(duì)光電耦合器

40、構(gòu)成的隔離電路 關(guān)鍵要保證發(fā)光二極管和光電三極管工作在線性區(qū)，使得光電耦關(guān)鍵要保證發(fā)光二極管和光電三極管工作在線性區(qū)，使得光電耦 合器的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇極為重要。合器的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇極為重要。 下拉電阻：確下拉電阻：確 定定A2靜態(tài)工靜態(tài)工 作點(diǎn)和發(fā)光管作點(diǎn)和發(fā)光管 的陰極電位。的陰極電位。 使A1輸出 處在發(fā)光 管線性工 作區(qū)。 確定光敏確定光敏 三極管的三極管的 工作點(diǎn)。工作點(diǎn)。 在光電耦合在光電耦合 器和后級(jí)電器和后級(jí)電 路中起隔離路中起隔離 作用作用 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 3650、3652線性光電耦合器 放大器A1,發(fā)光管CR1和光電管CR3構(gòu)成負(fù)反饋回路： 光電管CR2和CR3是完全一致的，從CR1接收到的光量相同： 放大器A2與RK（內(nèi)置電阻 1M）構(gòu)成V/I轉(zhuǎn)換器： 第6章信號(hào)放大技術(shù)課堂版 5.5.隔離放大器應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)隔離放大器應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng) * 消除噪聲 調(diào)制解調(diào)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲也來(lái)自電源和被測(cè)對(duì)象。 * 降低輻射 變壓器耦合隔離放大器本身構(gòu)成一個(gè)電磁輻射源。如果周?chē)?它的電路對(duì)電磁輻射敏感，就應(yīng)設(shè)法予以屏蔽。 * 線性光耦的死區(qū) 線性光耦