第6章 信號(hào)放大技術(shù)-2014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20:10412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13:30413班第七周周五（4月18日）下午16:10至20:10第八周周三（4月23日）上午10:00至13:20第九

2、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.書書233233頁頁 10.3.1 10.3.1：實(shí)驗(yàn)1、2、3、4；2.書書240240頁頁 10.3.2 10.3.2：實(shí)驗(yàn)1、2、3、4任其一。書書245245頁頁 10.4.1 10.4.1：實(shí)驗(yàn)1、2、3、4任選一個(gè)；書書247247頁頁 10.4.2 10.4.2：實(shí)驗(yàn)5 心電信號(hào)

3、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；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

4、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與與噪聲功率噪聲功率P PN N 之比，或之比，或有用信號(hào)有用信號(hào)電壓電壓U US S與與噪聲電壓噪聲電壓U UN N 之比。之比。 S/N=10lg(PS/PN)=20lg(US/UN)（dB） 測(cè)量中應(yīng)盡量測(cè)量中應(yīng)盡量提高信噪比，提高信噪比，以減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)以減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)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)或沖擊機(jī)械振動(dòng)或沖擊使電子元使電子元件發(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

5、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來降低系統(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(永久固定方式)； c)減振等效機(jī)械圖(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

6、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)熱量、溫度波動(dòng)、不均勻溫度場(chǎng)不均勻溫度場(chǎng)對(duì)檢測(cè)裝置干擾體對(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： 低溫漂元件低溫漂元件；軟、硬件溫度補(bǔ)償措施軟、硬件溫度補(bǔ)償措施；

7、低功耗、低發(fā)低功耗、低發(fā)熱元件熱元件；儀器前置輸入級(jí)遠(yuǎn)離發(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、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 固有噪聲固有噪聲：電路中，電子元：電路中，電子元件本身產(chǎn)生的具有件本身產(chǎn)生的具有隨機(jī)性、隨機(jī)性、寬頻帶寬頻帶的噪聲。的噪聲。 固有噪聲源固有噪聲源：電阻熱噪聲電阻熱噪聲、半導(dǎo)體散粒噪聲半導(dǎo)體散粒噪聲和和接觸噪聲接觸噪聲等。等。 措施措施：選用：選用低噪聲元器件低噪聲元器件、減小流過器件的電流減小流過器件的電流、減小減小電路的帶寬電路的帶寬等。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：電磁干擾源

8、分為兩大類：自然界干擾源自然界干擾源和和人為干人為干擾源擾源。v自然界干擾源：自然界干擾源：地球外層空間的地球外層空間的宇宙射電噪聲宇宙射電噪聲、太陽耀斑輻射噪聲太陽耀斑輻射噪聲以及以及大氣層的天電噪聲大氣層的天電噪聲。后者。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：人為干擾源：有意發(fā)射干擾源和無意發(fā)射干擾源。有意發(fā)射干擾源和無意發(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

9、 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： 通過共用的電源通過共用的電源插插座座；以空間；以空間電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)傳輸?shù)姆绞接呻娨晜鬏數(shù)姆绞接呻娨暀C(jī)的天線接收。機(jī)的天線接收。3. 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)上的是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的噪聲電壓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)端是兩個(gè)信號(hào)端相對(duì)參相對(duì)參考點(diǎn)考點(diǎn)

10、所共有的。被側(cè)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往存在一定的電位差電位差，這種信號(hào)稱為共模干這種信號(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電容耦合：又稱：又稱電場(chǎng)耦合電場(chǎng)耦合或或靜電耦合靜電耦合，由于分布電容的，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

11、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2（干擾接收電路）； 3噪聲源v互感耦合互感耦合：又稱磁場(chǎng)耦合。由于內(nèi)部或外部空間：又稱磁場(chǎng)耦合。由于內(nèi)部或外部空間電磁場(chǎng)感應(yīng)電磁場(chǎng)感應(yīng)耦合。耦合。屬于場(chǎng)的形式的干擾屬于場(chǎng)的形式的干擾導(dǎo)線間分布互感流過導(dǎo)線1電流互感電壓11/2MIMI 2V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

12、路的的電流流經(jīng)一個(gè)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壓降壓降正確接線正確接線圖 通過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：干擾源噪聲傳播三要素：干擾源，干擾傳輸通道干擾傳輸通道和和對(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

13、蔽。1.靜電屏蔽：防止靜電耦合干擾。原理：處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)為等電勢(shì)，即導(dǎo)體內(nèi)部無電力線。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 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。 外層銅網(wǎng)附有一根裸線，

14、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。 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)。* 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

15、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)體的表面金屬導(dǎo)體的表面，這稱為，這稱為集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)（也稱趨膚效（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)。等有關(guān)。頻率頻率f f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。越高，電渦流的滲透的深度就越淺，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)舉例電磁爐的工作原理 高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋 內(nèi) 的 食 物。n磁屏蔽

16、：防止低頻磁通干擾。磁場(chǎng)傳播過程中，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。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。6.1.3 6.1.3 接地技術(shù)接地技術(shù)地：

17、在一個(gè)電路或系統(tǒng)中用作地：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： 指指信號(hào)的大小及極性的參考電位信號(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)中指系統(tǒng)中電流的公共回路電流的公共回路和和電壓電壓0 0位參考點(diǎn)位參考點(diǎn)。v機(jī)殼地：機(jī)殼地： 是指是指機(jī)殼的電位值機(jī)殼的電位值。v大地：是指地球，也是大地：是指地球，也是絕對(duì)零位電位點(diǎn)絕對(duì)零位電位點(diǎn)。

18、對(duì)于對(duì)于儀器、通訊、計(jì)算機(jī)儀器、通訊、計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)來說，等電子技術(shù)來說，“地地”多是多是指指電信號(hào)的基準(zhǔn)電位電信號(hào)的基準(zhǔn)電位，也稱為，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)的是模擬信號(hào)的零信號(hào)電位零信號(hào)電位公共線公共線。因?yàn)槟M信號(hào)電壓多數(shù)情況下均較。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，弱，易受干擾，易形成級(jí)間不希望的反饋，所以所以模擬信號(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)的是數(shù)字信號(hào)的零電平公共零電平公共線線

19、。由于數(shù)字信號(hào)處于。由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)脈沖電流脈沖電流在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為在接地阻抗上產(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)微弱模擬信號(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，對(duì)模擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜為宜。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)地線分開設(shè)置）2.2.接地方式接地方式 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

20、感的電路都應(yīng)靠近公共參考點(diǎn)放置。 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)：無干擾問題。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(10MHz) 必須使用多點(diǎn)接地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。 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)源信號(hào)調(diào)理

21、電路信號(hào)調(diào)理電路 能完成被測(cè)信號(hào)的變換、放大、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。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)直流放大器直流放大器

22、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

23、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：12876543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)集成運(yùn)放的電路圖符號(hào)U0U+U-同相輸入同相輸入反相輸入反相輸入+12V輸出輸出6513724-12

24、V調(diào)零電位器調(diào)零電位器外部接線外部接線圖圖（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； 開環(huán)差動(dòng)電壓增益為無窮大；開環(huán)差動(dòng)電壓增益為無窮大； 差動(dòng)輸入阻抗為無窮大。差動(dòng)輸入阻抗為無窮大。（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)等電位點(diǎn)) )； “虛短虛短” 理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端都沒有電流流入或流出。理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端都沒有電流流入或流出?！疤摂嗵摂唷保?）技術(shù)指標(biāo)）技術(shù)指標(biāo)開環(huán)增益：開環(huán)增

25、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，放大器開環(huán)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之比大器開環(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)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

26、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：超過值，將導(dǎo)致運(yùn)放共模抑制比超過值，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

27、開環(huán)時(shí)，兩個(gè)輸入端差模電壓的運(yùn)放開環(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 開環(huán)輸出電阻。開環(huán)輸出電阻。運(yùn)放開環(huán)時(shí)，其輸出級(jí)輸出電阻，表運(yùn)放開環(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)

28、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 ViVoR1RfRpViVoR1RfRpV+V-V-V+1fOfiRVAVR 11fOfiRVAVR v 電流電流- -電壓變換器電壓變換器v 加法器加法器 IofRVopROofVI R1212()ffoRRVVVRR 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、極性差模信號(hào)：大小相等、極性相反相反 增益：增益： 共模信號(hào)：大小相等、極性共模信號(hào)：大小相等、極性相同相同 增益：增益： 共模抑制

29、比：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)之比信號(hào)的放大倍數(shù)之比 20loguducACMMRA12()/2icucocicuuuAuu12idudodiduuuAuu20loguducACMMRAv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)211foudRUAUUR11fffoucgRRRUAURR 3. 電橋放大器電橋放大器許多傳感器都通過電橋的連接方式，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 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（

30、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)：放大器由二級(jí)串聯(lián)。前級(jí)：兩個(gè)同向放大器，兩個(gè)同向放大器，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)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。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)：后級(jí)：差動(dòng)差動(dòng)放大器，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。 2021-7-27 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：2021-7-27圖圖 差動(dòng)放大器對(duì)共

31、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457RRRVVgo1A 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)過程推導(dǎo)過程2021-7-27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？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2021-7-27 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：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)

32、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， Af=1+（80k）/ （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)換開關(guān)，用數(shù)碼去控制開關(guān)的通與斷，可方便地進(jìn)行增益控制。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. 2021-7-272.

33、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)測(cè)量放大器通過電纜與信號(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 Vcm2021-7-273.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。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

34、伏）伏）。l隔離放大器是一種能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有直接的電路連接，即信號(hào)在傳輸過程中沒有公共的接地端。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)過程控制系統(tǒng)等）業(yè)過程控制系統(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R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuisoa) 變壓器耦合

35、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。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LEDV 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)的傳遞是通過光束進(jìn)行的，所以光電耦合器的輸出端對(duì)輸入端無反饋?zhàn)饔?，處于隔離狀態(tài)。 4. 4. 通用隔離放大電路通用隔離放大電路v AD277 AD277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268

36、73419515V15V13121016（U）100k100k1M141115（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)，使得光電耦合器的合器的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇靜態(tài)工作點(diǎn)選擇極為重要。極為重要。下拉電阻：下拉電阻：確確定定A2靜態(tài)工靜態(tài)工作點(diǎn)和發(fā)光管作

37、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 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： 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)過程會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲也來自電源和被測(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。如果周圍其它的電路對(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