传感与检测技术 教学课件 ppt 作者 刘传玺 第4章 信号的转换与调理.ppt

山东科技大学 第四章 信号的转换与调理 第四章 信号的转换与调理 第一节 信号的放大与隔离 第二节 调制与解调 第三节 信号调理电路 第四节 信号转换电路 第五节 线性化处理 第一节 信号的放大与隔离 一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压增益、输入阻抗和稳定性。 共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。 差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。 （一）三运放测量放大电路 如图4-1所示为并联差动输入测量仪用放大器电路。由于该电路结构简单、性能较完善，广泛地应用在仪器仪表和测控系统中。 电路中，输入级由两个同相放大器并联构成。 设同相放大器的输入阻抗为rin+，则 差动输入阻抗rind ＝ 2 rin+， 共模输入阻抗rinc ＝rin+／2。 由于运放输入阻抗高，设运放两输入端的电压相等，所以 即 代入（4-1）式，可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1： 由（4-4）式可以看出，前级电路不需要匹配电阻，理论上放大器的共模抑制比为无穷大。但这是双端输出的情况，对后级电路而言，共模信号是按系数为1的比例由第一级传输到第二级：Ui1 ＝ Ui2 ＝ UiC ，则UO1 ＝ UO2 ＝ UiC 。所以，三运放总的的差模增益AVD为（R3 ＝ R5，R4 ＝ R6 ）： （二）集成测量放大器 1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD512,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国AD公司生产 INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 MAX4195/4196/4197：MAX公司生产 2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。 现以INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。 INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图： 可以看到： R1 = R2 = R3 = R4 = 25K ，所以，INA114的输出为： ?即：Rf? = R1 时，Vo = VS2 - VS1 。应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的运算精度。 ?? 3、仪用放大器的特性参数 仪用放大器的一部分特性参娄数是与运放相同的，但是它所特殊性有的特性参数，主要有： （1）增益方程式：仪用放大器所要求的增益与放大器增益控制电阻的关系式 （2）增益范围：使放大器正常工作的增益范围。低增益时放大器稳定度好，高增益时性能（噪声和漂移）变差 （3）非线性度：实际的输出和输入的关系曲线与一条理想直线的偏差，用满度输出的百分数表示 （4）失调电压：使输出电压为零而需要在输入端外加的电压。 （5）输入偏流：保证直流放大器的输入晶体管正常工作所需要的偏置电流 （6）共模抑制比：当两个输入端具有等量电压变化时所测出的输出电压的变化 由于大多数仪用放大器的前端结构对共模式信号不放大，因而CMRR随增益增大而增大。在高增益时放大器带宽下降，差动输入级的相位差将导致共模误差 二、 隔离放大器 所谓隔离放大器，是指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号，目前一般采用变压器或光耦合传递信号。 （一）光耦合器件 目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。 图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光敏三极管输出电流信号，运放A2把电流信号转换成电压信号。 图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较高的线性。 （二）变压器耦合器件 图4-7为284型隔离器 284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器,一般在滤波器后还有缓冲放大器。 ?隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成，如图4-8（a）所示。图4-8（b）为隔离放大器的电路符