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数据放大器 概述 现代科学技术在近些年得到的飞跃发展，与计算机科学的发展有着密切的联系。目前，计算机正以更快的速度深入到科学技术各个领域中去，随着计算机技术更为广泛的应用，必将推动科学技术向新的广度和深度进军。计算机不仅在科学计算方面是人们有力的助手，而且在数据采集和自动控制方面也起着越来越重要的作用。 图1.1是一个具有计算机的数据采集系统示意图，在这样一个采集系统中，由传感器通过模拟开关送入放大器的信号，反应了对象的实际工作状态，这个信号往往是一个直流缓变的微弱信号，在送入计算机以前，必须给予充分的放大，显然这种放大必须是无失真放大，这样放大器的输出信号才能真正地反应被测对象或者被控对象的当前状况；只有这样放大的信号送入模数转换器转变成数字量，经过计算机处理得到的结果才是真实可靠的信号。如果是控制系统，按照无失真放大得到的数据进行处理并对控制对象实施控制，对象才能按预期的方式运行，所以，放大器的性能好坏，直接影响到整个系统性能的好坏。没有性能良好的放大器，就谈不上精密测量，甚至谈不上测量，因此放大器是数据采集系统的关键部件之一。 图1.1 数据采集系统示意图 在数据采集系统中，放大器可以说是必不可少的，因为在很多情况下，被测的量并不是电量，必须通过传感器将非电量转换成电信号，这种信号是很微弱的。例如有的热电偶由温度转换得到的热电势仅为μV或mV数量级，而模/数转换器对输入信号的幅度要求高达几伏，显然必须对微弱信号进行放大。 上面已经提出，传感器输出的信号不仅信号弱，而且是一个直流缓变信号，这给实际工作带来了困难。在模拟电子技术中已经指出，对于直流缓变信号不能用交流放大器进行放大，然而一般的直流放大器或者测量放大器都存在着一定的零漂问题，这样的漂移在微弱信号放大时是不允许的，因为零漂与微弱信号相比较，已经不可忽略，更为严重的是有些零漂比信号还要大，在放大器输出的信号中已不能分清哪些是信号哪些是零漂，因此在微弱信号放大器中，要求放大器具有很小的零漂。 正因为信号微弱，所以在放大器接收到的信号中还经常叠加了许多干扰信号，在环境恶劣的工作条件下，干扰信号甚至大大超过有用信号，这就要求放大器具有很高的抗干扰能力，这是一般直流放大器很难做到的。 从图1.1中可以看出，数据采集系统中的放大器需要对各路信号进行放大，各路信号的对象不同，所以传感器也不一样，因而内阻也各不相同，为了保证放大器的输入信号电压不受信号源内阻的影响，放大器的输入电阻必须很大。 另外，为了保证数据采集系统能够及时地测量各个数据，放大器在输入信号切换时要具有很快的反应速度，输出电压从一个稳态值到另一个稳态值的过渡时间要很短。 综上所述，数据采集系统中的放大器放大的信号既不是一般的直流信号，也不是一般的脉冲信号，因此要求放大器具有直流放大的能力，并克服一般直流放大器零漂大的缺点，具有测量放大器的抗干扰能力，以及具有脉冲放大器的快速反应特性。这样一种集中了各类放大器优点，具有全面高指标的放大器叫做数据放大器。 数据放大器放大对象是低电平直流缓变数据脉冲，它具有增益精度高、输入阻抗大、抗共模干扰能力强、反应速度快、低漂移、低噪声、低输出阻抗、性能稳定等这样全面的高指标和高性能。 应该指出的是，数据采集系统中使用的放大器并不都是数据放大器。在有些系统中，放大器只要满足数据放大器的某些指标就行了，并非一定要采用数据放大器。当然用数据放大器代替这样系统中的放大器是完全可行的。 数据放大器性能齐全，技术指标很多，这里仅介绍一些主要技术指标。 一、数据放大器静态指标 静态指标指的是数据放大器工作在稳态时的性能，主要指标有：增益、线性度、输入输出阻抗、共模抑制比、输出电压电流和漂移等等。 1、增益类 数据放大器的增益通常指的是电压增益，也叫电压放大倍数，它反应了放大器对有用输入信号的放大能力。 电压增益 定义为输出电压Vo与差模输入电压Vi的增量的比值，即： Ad＝o /ΔVi （1.1） Ad也叫差模电压增益。除了差模电压增益以外，还有共模电压增益Ac，它指的是由输入共模电压Vc引起的输出电压Voc与共模电压Vc变化之比。 Ac＝ΔVoc /ΔVc （1.2） 它表征了放大器输入电路的非对称性。 另外一种增益表示方法如下式所示： Ad（db）＝20 lg |ΔVo /ΔVi | （1.3） Ac（db）＝20 lg |ΔVoc /ΔVc | 以上两种增益表示方法在本质上是一致的，互相是联系的。当ΔVo＝106 ，ΔVi＝ Ad＝o /ΔVi＝ Ad（db）＝20 lg ||＝120db） （1.4） 增益精度 亦称增益准确度，其定义为：放大器面板