基于三運(yùn)放的儀表放大器的設(shè)計(jì)與制作

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)（信號(hào)檢測(cè)部分）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)中心 編著重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)中心2015.3.27實(shí)驗(yàn)一、基于三運(yùn)放的儀表放大器的設(shè)計(jì)與仿真一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握儀表放大器的結(jié)構(gòu)原理：2 熟練應(yīng)用Proteus仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)電路原理圖；并生成電路板圖；3 掌握基本焊接技術(shù)。二實(shí)訓(xùn)工具：Proteus仿真平臺(tái)三三運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器的原理：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，運(yùn)算放大電路也得到廣泛的應(yīng)用。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器,且優(yōu)于運(yùn)算放大器。儀表放大器把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移

2、增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn),使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號(hào)放大、高速信號(hào)調(diào)節(jié)、醫(yī)療儀器和高檔音響設(shè)備等方面倍受青睞。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸入和相對(duì)參考端的單端輸出。與運(yùn)算放大器不同之處是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。儀表放大器的 2 個(gè)差分輸入端施加輸入信號(hào)，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻預(yù)置。這個(gè)特殊的差動(dòng)放大器，具有超高輸入阻抗，極其良好的CMRR，低輸入偏移，低輸出阻抗，能放大那些在共模電壓下的信號(hào)。

3、2. 構(gòu)成原理儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放A1，A2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的條件下，圖1電路的增益為：G=(1+2

4、R1/Rg)Rf/R3。由公式可見(jiàn)，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。3. 設(shè)計(jì)應(yīng)用儀表放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：第一類由分立元件組合而成；另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。由3個(gè)精密運(yùn)放OP07組成三運(yùn)放儀表放大器電路形式，輔以相關(guān)的電阻外圍電路，加上A1，A2同相輸入端的橋式信號(hào)輸入電路，如圖2所示。本儀表放大器是由三個(gè)OP27集成運(yùn)算放大器組成，OP27的特點(diǎn)是低噪聲，高速，低輸入失調(diào)電壓和卓越的共模抑制比。在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益（由 RG 來(lái)決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號(hào)將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率增益（差分輸入電壓）/（共

5、模誤差電壓）將增大。因此 CMR 理論上直接與增益成比例增加，這是一個(gè)非常有用的特性。 四、實(shí)驗(yàn)步驟：1）在Proteus仿真平臺(tái)上，設(shè)計(jì)三運(yùn)放組成的儀表放大器的原理圖。兩信號(hào)輸入端均接地，調(diào)節(jié)本單元的電位器W2，使輸出端U0電壓為零。2）在Ui1及Ui2的兩端輸入 正弦波信號(hào)，并用示波器觀測(cè)U0與Ui的幅值及相位關(guān)系，同時(shí)調(diào)節(jié)本單元的電位器W1，觀測(cè)輸出信號(hào)幅度的變化。將結(jié)果記入下表中。Ui(V)UO(V)Ui波形UO波形UO與Ui的關(guān)系五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.基本要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于三運(yùn)放儀表放大器組成的信號(hào)調(diào)理電路：（1）信號(hào)調(diào)理電路的輸入阻抗500KW；（2）測(cè)量輸入直流微電壓范圍±4

6、00mv，分辨率±10mv；輸出電壓范圍：±2000mv2.發(fā)揮部分（1）提高測(cè)量輸入直流微電壓范圍為±600mv或提高分辨率為±5mv，或兩者同時(shí)提高，誤差5%；（2）其它(如進(jìn)一步提高分辨率等)。實(shí)驗(yàn)二、基于單片機(jī)控制的直流微電壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、 任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一套直流微電壓測(cè)量裝置，用來(lái)測(cè)量輸入的正負(fù)直流微電壓，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。圖1 直流微電壓電流測(cè)量示意圖二、要求1.基本要求（1）信號(hào)調(diào)理電路的輸入阻抗500KW；（2）測(cè)量輸入直流微電壓范圍±400mv，分辨率±10mv；（3）測(cè)量結(jié)果顯示

7、在液晶屏上（負(fù)電壓在數(shù)值前顯示“”號(hào)），誤差10%。2.發(fā)揮部分（1）提高測(cè)量輸入直流微電壓范圍為±600mv或提高分辨率為±5mv，或兩者同時(shí)提高，誤差5%；（2）其它(如進(jìn)一步提高分辨率等)。三、說(shuō)明（1）整個(gè)系統(tǒng)采用5V電壓供電，可由直流電源提供。（2）MCU推薦采用TI的MSP430系列單片機(jī)。（3）輸入的直流微電壓可由儀表直接提供或儀表輸出分壓得到。（4）正負(fù)電壓由同一輸入端接入測(cè)量電路。參考文獻(xiàn)：ICL7135雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換芯片一、概述、特點(diǎn)ICL7135是采用CMOS工藝制作的單片4 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，只要附加譯碼器，數(shù)碼顯示器，驅(qū)動(dòng)器及電阻電容等元

8、件，就可組成一個(gè)滿量程為2V的數(shù)字電壓表。ICL7135主要特點(diǎn)如下：1 在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零操作。2 在±2000字（2V滿量程）范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換精度±1字。3 具有自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。4 輸出電流典型值1PA。5 所有輸出端和TTL電路相容。6 有過(guò)量程（OR)和欠量程（UR)標(biāo)志信號(hào)輸出，可用作自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)。7 輸出為動(dòng)態(tài)掃描BCD碼。8 對(duì)外提供六個(gè)輸入,輸出控制信號(hào)(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于數(shù)字電壓表外,還能與異步接收 /發(fā)送器,微處理器或其它控制電路連接使用。9 采用28外引線雙列直插式封裝，外引線功

9、能端排列如圖所示。各外引線功能端文字符號(hào)說(shuō)明如下：V- 負(fù)電源端;V外接基準(zhǔn)電壓輸入端;AGND模擬地;INT積分器輸出;外接積分電容（Cint)端;AZ外接調(diào)零電容（Caz)端;BUF緩沖器輸出，外接積分電阻（Rint)端;Rr+、Rr-外接基準(zhǔn)電壓電容（Cr)端; 圖1 ICL7135芯片INTO、INHI被測(cè)電壓（低、高）輸入端;V+正電源端;D5、D4、D3、D2、D1位掃描選通信號(hào)輸出端，其中D5（MSD）對(duì)應(yīng)萬(wàn)位數(shù)選通，其余依次為D4、D3、D2、D1（LSD，個(gè)位）;B8、B4、B2、B1BCD碼輸出端，采用動(dòng)態(tài)掃描方式輸出;BUST指示積分器處于積分狀態(tài)的標(biāo)志信號(hào)輸出端；CLK

10、時(shí)鐘信號(hào)輸入端；DGNG數(shù)字電路接地端；R/H轉(zhuǎn)換/保持控制信號(hào)輸入端；ST選通信號(hào)輸出端，主要用作外部寄存器存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的選通控制信號(hào)；OR過(guò)量程信號(hào)輸出端；UR欠量程信號(hào)輸出端。在電路內(nèi)部，CLK和R/H兩個(gè)輸入端上分別設(shè)置了非門和場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電路，以保證該兩端在懸空時(shí)為高電平。V+ = +5V，V- =-5V，TA=25，時(shí)鐘頻率為120KHz時(shí)，每秒可轉(zhuǎn)換3次。功耗：1000mW（MAX）；電源電壓：V+：+6V（MAX）；V-：-6V（MAX）二、ICL7135數(shù)字部分?jǐn)?shù)字部分主要由計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路開(kāi)關(guān)及控制邏輯電路等組成。ICL7135一次A/D轉(zhuǎn)換周期分為四個(gè)階段：1、自動(dòng)

11、調(diào)零（AZ）；2、被測(cè)電壓積分（INT）；3、基準(zhǔn)電壓反積分（DE）；4、積分回零（ZI）。具體內(nèi)部轉(zhuǎn)換過(guò)程這里不做祥解，(一)主要介紹引腳的使用。1、R/H（25腳）當(dāng)R/H=“1”（該端懸空時(shí)為“1”）時(shí)，ICL7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，每40002個(gè)時(shí)鐘周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換。若R/H由“1”變“0”，則7135在完成本次A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入保持狀態(tài)，此時(shí)輸出為最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，不受輸入電壓變化的影響。因此利用R/H端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。若把R/H端用作啟動(dòng)功能時(shí)，只要在該端輸入一個(gè)正脈沖（寬度300NS），轉(zhuǎn)換器就從AZ階段開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。注意：第一次轉(zhuǎn)換周期中的AZ階段時(shí)間為

12、9001-10001個(gè)時(shí)鐘脈沖，這是由于啟動(dòng)脈沖和內(nèi)部計(jì)數(shù)器狀態(tài)不同步造成的。2、/ST（26腳）每次A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，ST端都輸出5個(gè)負(fù)脈沖，其輸出時(shí)間對(duì)應(yīng)在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)的5個(gè)位選信號(hào)正脈沖的中間，ST負(fù)脈沖寬度等于1/2時(shí)鐘周期，第一個(gè)ST負(fù)脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后101個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生。因?yàn)槊總€(gè)選信號(hào)（D5-D1）的正脈沖寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期（*只有AZ和DE階段開(kāi)始時(shí)的第一個(gè)D5的脈沖寬度為201個(gè)CLK周期），所以ST負(fù)脈沖之間相隔也是200個(gè)時(shí)鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則ST無(wú)脈沖信號(hào)輸出。ST信號(hào)主要用來(lái)控制將轉(zhuǎn)換結(jié)果向外部鎖存器、UART

13、s或微處理器進(jìn)行傳送。3、BUSY（21腳）在雙積分階段（INT+DE），BUSY為高電平，其余時(shí)為低電平。因此利用BUSY功能，可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的遠(yuǎn)距離雙線傳送，其還原方法是將BUSY和CLK“與”后來(lái)計(jì)數(shù)器，再減去10001就可得到原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。4、OR（27腳）當(dāng)輸入電壓超出量程范圍（20000），OR將會(huì)變高。該信號(hào)在BUSY信號(hào)結(jié)束時(shí)變高。在DE階段開(kāi)始時(shí)變低。5、UR（28腳）當(dāng)輸入電壓等于或低于滿量程的9%（讀數(shù)為1800），則一當(dāng)BUST信號(hào)結(jié)束，UR將會(huì)變高。該信號(hào)在INT階段開(kāi)始時(shí)變低。6、POL（23腳）該信號(hào)用來(lái)指示輸入電壓的極性。當(dāng)輸入電壓為正，則POL等于“

14、1”，反之則等于“0”。該信號(hào)DE階段開(kāi)始時(shí)變化，并維持一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換調(diào)期。7、位驅(qū)動(dòng)信號(hào)D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)，脈沖寬度為200個(gè)時(shí)鐘周期，其中D5對(duì)應(yīng)萬(wàn)位選通，以下依次為千、百、十、個(gè)位。在正常輸入情況下，D5-D1輸出連續(xù)脈沖。當(dāng)輸入電壓過(guò)量程時(shí)，D5-D1在AZ階段開(kāi)始時(shí)只分別輸出一個(gè)脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開(kāi)始時(shí)才輸出連續(xù)脈沖。利用這個(gè)特性，可使得顯示器件在過(guò)程時(shí)產(chǎn)生一亮一暗的直觀現(xiàn)象。8、B8、B4、B2、B1（16、15、14、13腳）該四端為轉(zhuǎn)換結(jié)果BCD碼輸出，采用動(dòng)態(tài)掃描輸出方式，即當(dāng)位

15、選信號(hào)D5=“1”時(shí)，該四端的信號(hào)為萬(wàn)位數(shù)的內(nèi)容，D4=“1”時(shí)為千位數(shù)內(nèi)容，其余依次類推。在個(gè)、十、百、千四位數(shù)的內(nèi)容輸出時(shí)，BCD碼范圍為0000-1001，對(duì)于萬(wàn)位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當(dāng)輸入電壓過(guò)量程時(shí)，各位數(shù)輸出全部為零，這一點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)注意。最后還要說(shuō)明一點(diǎn)，由于數(shù)字部分以DGNG端作為接地端，所以所有輸出端輸出電平以DGNG作為相對(duì)參考點(diǎn)?；鶞?zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓的輸入必須對(duì)于模擬公共端COM是正電壓。ICL7135外接阻容的典型應(yīng)用如圖6所示由于單片機(jī)資源的寶貴，一種利用BUSY信號(hào)特點(diǎn)的轉(zhuǎn)換方式，大大地減少了對(duì)單片機(jī)資源的占用圖2

16、ICL7135典型應(yīng)用(二)接口與編程ICL7135與MCS-51的連接連接方法，依次讀出萬(wàn)位到個(gè)位的BCD碼本節(jié)采用另外一種方法，重點(diǎn)推薦采用計(jì)數(shù)法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的方法ICL7135與MCS-51連接如圖4所示圖3 ICL7135與MCS-51連接(1) 硬件連接設(shè)MCS-51的外接晶振fOSC6MHz，則ALE輸出約為1MHz，將ALE信號(hào)輸入CD4040的CLK引腳。CD404是由12個(gè)T型觸發(fā)器組成的串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻器，有12個(gè)分頻輸出端，Q1Q12，最大分頻系數(shù)為2124096，由于CD4044的所有輸入，輸出端都設(shè)有緩沖器，所以有較好的噪聲容限CD404的Q2輸出是對(duì)ALE進(jìn)行

17、了224分頻，故輸入ICL7135的時(shí)鐘為1MHz/4=250KHz,可得Tcp1/250ms0.004ms，由于一次轉(zhuǎn)換最多需(10001+10000+20001)=40002個(gè)脈沖，故轉(zhuǎn)換一次需0.004X40002160ms，因此ICL7135的轉(zhuǎn)換速度為6.25次/S選擇這一頻率，以犧牲ICL7135抗工頻干擾為代價(jià)，使MC-51的16位計(jì)數(shù)器能一次計(jì)數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的cp脈沖數(shù)在滿電壓輸入時(shí)，BUSY寬度為正向積分10000個(gè)CP脈沖，反向積分20001個(gè)CP脈沖（總計(jì)30001個(gè)CP脈沖）在fosc6MHz情況下，8031內(nèi)部定時(shí)頻率為6MHz/12=500KHz，比ICL7135時(shí)鐘

18、頻率250KHz大了1倍在滿刻度電壓輸入時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)值應(yīng)為30001X260002，不超過(guò)MCS-51的16位計(jì)數(shù)的最大可計(jì)數(shù)值(216)，故在BUSY高電平期間，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值除以2，再減去10000(2710H)，余數(shù)就是被測(cè)電壓的數(shù)值.(三)時(shí)序圖圖4 ICL7135時(shí)序圖1圖5 ICL7135時(shí)序圖2圖4 ICL7135時(shí)序圖3圖4 ICL7135時(shí)序圖4 (2)程序設(shè)計(jì)假定將轉(zhuǎn)換的結(jié)果(二進(jìn)制)存放在R3,R2寄存器中，其中R3存放高位。程序清單如下：JB P3.2,$；等待BUSY變低（A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束）MOV TL0，#0MOV TH0，#0;16位計(jì)數(shù)器初值清0;MOV TMOD,#01H;T0定時(shí),方式(16位定時(shí))JNB P3.2,$;等待BUSY變高(A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始)SETB TR0;啟動(dòng)定時(shí)JB P3.2,$;等待A/D結(jié)束CLR TR0;停