基于三運放的儀表放大器的設(shè)計與制作

1、傳感器與檢測技術(shù)（信號檢測部分）實驗指導(dǎo)書檢測與控制實驗中心 編著重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院檢測與控制實驗中心2015.3.27實驗一、基于三運放的儀表放大器的設(shè)計與仿真一實驗?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，設(shè)計電路原理圖；并生成電路板圖；3 掌握基本焊接技術(shù)。二實訓(xùn)工具：Proteus仿真平臺三三運放構(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，它源于運算放大器,且優(yōu)于運算放大器。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,使其在數(shù)據(jù)采集、傳感器信號放大、高速信號調(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參考端單端輸出的閉環(huán)增益組件，具有差分輸入和相對參考端的單端輸出。與運算放大器不同之處是運算放大器的閉環(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 個差分輸入端施加輸入信號，其增益即可由內(nèi)部預(yù)置，也可由用戶通過引腳內(nèi)部設(shè)置或者通過與輸入信號隔離的外部增益電阻預(yù)置。這個特殊的差動放大器，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。

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。它主要由兩級差分放大器電路構(gòu)成。其中，運放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，減小電路對微弱輸入信號的衰減；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運放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，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實現(xiàn)。3. 設(shè)計應(yīng)用儀表放大器電路的實現(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現(xiàn)。由3個精密運放OP07組成三運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輸入電路，如圖2所示。本儀表放大器是由三個OP27集成運算放大器組成，OP27的特點是低噪聲，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 來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號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，這是一個非常有用的特性。 四、實驗步驟：1）在Proteus仿真平臺上，設(shè)計三運放組成的儀表放大器的原理圖。兩信號輸入端均接地，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，并用示波器觀測U0與Ui的幅值及相位關(guān)系，同時調(diào)節(jié)本單元的電位器W1，觀測輸出信號幅度的變化。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、實驗內(nèi)容：1.基本要求設(shè)計一個基于三運放儀表放大器組成的信號調(diào)理電路：（1）信號調(diào)理電路的輸入阻抗500KW；（2）測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，或兩者同時提高，誤差5%；（2）其它(如進一步提高分辨率等)。實驗二、基于單片機控制的直流微電壓測量系統(tǒng)設(shè)計一、 任務(wù)設(shè)計并制作一套直流微電壓測量裝置，用來測量輸入的正負直流微電壓，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。圖1 直流微電壓電流測量示意圖二、要求1.基本要求（1）信號調(diào)理電路的輸入阻抗500KW；（2）測量輸入直流微電壓范圍±400mv，分辨率±10mv；（3）測量結(jié)果顯示

7、在液晶屏上（負電壓在數(shù)值前顯示“”號），誤差10%。2.發(fā)揮部分（1）提高測量輸入直流微電壓范圍為±600mv或提高分辨率為±5mv，或兩者同時提高，誤差5%；（2）其它(如進一步提高分辨率等)。三、說明（1）整個系統(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。（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）正負電壓由同一輸入端接入測量電路。參考文獻：ICL7135雙積分型 A/D轉(zhuǎn)換芯片一、概述、特點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)動器及電阻電容等元

8、件，就可組成一個滿量程為2V的數(shù)字電壓表。ICL7135主要特點如下：1 在每次A/D轉(zhuǎn)換前，內(nèi)部電路都自動進行調(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 有過量程（OR)和欠量程（UR)標志信號輸出，可用作自動量程轉(zhuǎn)換的控制信號。7 輸出為動態(tài)掃描BCD碼。8 對外提供六個輸入,輸出控制信號(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說明如下：V- 負電源端;V外接基準電壓輸入端;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-外接基準電壓電容（Cr)端; 圖1 ICL7135芯片INTO、INHI被測電壓（低、高）輸入端;V+正電源端;D5、D4、D3、D2、D1位掃描選通信號輸出端，其中D5（MSD）對應(yīng)萬位數(shù)選通，其余依次為D4、D3、D2、D1（LSD，個位）;B8、B4、B2、B1BCD碼輸出端，采用動態(tài)掃描方式輸出;BUST指示積分器處于積分狀態(tài)的標志信號輸出端；CLK

10、時鐘信號輸入端；DGNG數(shù)字電路接地端；R/H轉(zhuǎn)換/保持控制信號輸入端；ST選通信號輸出端，主要用作外部寄存器存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的選通控制信號；OR過量程信號輸出端；UR欠量程信號輸出端。在電路內(nèi)部，CLK和R/H兩個輸入端上分別設(shè)置了非門和場效應(yīng)管的輸入電路，以保證該兩端在懸空時為高電平。V+ = +5V，V- =-5V，TA=25，時鐘頻率為120KHz時，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)字部分數(shù)字部分主要由計數(shù)器、鎖存器、多路開關(guān)及控制邏輯電路等組成。ICL7135一次A/D轉(zhuǎn)換周期分為四個階段：1、自動

11、調(diào)零（AZ）；2、被測電壓積分（INT）；3、基準電壓反積分（DE）；4、積分回零（ZI）。具體內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程這里不做祥解，(一)主要介紹引腳的使用。1、R/H（25腳）當R/H=“1”（該端懸空時為“1”）時，ICL7135處于連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，每40002個時鐘周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換。若R/H由“1”變“0”，則7135在完成本次A/D轉(zhuǎn)換后進入保持狀態(tài)，此時輸出為最后一次轉(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端用作啟動功能時，只要在該端輸入一個正脈沖（寬度300NS），轉(zhuǎn)換器就從AZ階段開始進行A/D轉(zhuǎn)換。注意：第一次轉(zhuǎn)換周期中的AZ階段時間為

12、9001-10001個時鐘脈沖，這是由于啟動脈沖和內(nèi)部計數(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個負脈沖，其輸出時間對應(yīng)在每個周期開始時的5個位選信號正脈沖的中間，ST負脈沖寬度等于1/2時鐘周期，第一個ST負脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后101個時鐘周期產(chǎn)生。因為每個選信號（D5-D1）的正脈沖寬度為200個時鐘周期（*只有AZ和DE階段開始時的第一個D5的脈沖寬度為201個CLK周期），所以ST負脈沖之間相隔也是200個時鐘周期。需要注意的是，若上一周期為保持狀態(tài)（R/H=“0”）則ST無脈沖信號輸出。ST信號主要用來控制將轉(zhuǎn)換結(jié)果向外部鎖存器、UART

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

14、1”，反之則等于“0”。該信號DE階段開始時變化，并維持一個A/D轉(zhuǎn)換調(diào)期。7、位驅(qū)動信號D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20腳）每一位驅(qū)動信號分別輸出一個正脈沖信號，脈沖寬度為200個時鐘周期，其中D5對應(yīng)萬位選通，以下依次為千、百、十、個位。在正常輸入情況下，D5-D1輸出連續(xù)脈沖。當輸入電壓過量程時，D5-D1在AZ階段開始時只分別輸出一個脈沖，然后都處于低電平，直至DE階段開始時才輸出連續(xù)脈沖。利用這個特性，可使得顯示器件在過程時產(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，采用動態(tài)掃描輸出方式，即當位

15、選信號D5=“1”時，該四端的信號為萬位數(shù)的內(nèi)容，D4=“1”時為千位數(shù)內(nèi)容，其余依次類推。在個、十、百、千四位數(shù)的內(nèi)容輸出時，BCD碼范圍為0000-1001，對于萬位數(shù)只有0和1兩種狀態(tài)，所以其輸出的BCD碼為“0000”和“0001”。當輸入電壓過量程時，各位數(shù)輸出全部為零，這一點在使用時應(yīng)注意。最后還要說明一點，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作為相對參考點。基準電壓，基準電壓的輸入必須對于模擬公共端COM是正電壓。ICL7135外接阻容的典型應(yīng)用如圖6所示由于單片機資源的寶貴，一種利用BUSY信號特點的轉(zhuǎn)換方式，大大地減少了對單片機資源的占用圖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，依次讀出萬位到個位的BCD碼本節(jié)采用另外一種方法，重點推薦采用計數(shù)法進行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信號輸入CD4040的CLK引腳。CD404是由12個T型觸發(fā)器組成的串行二進制計數(shù)器分頻器，有12個分頻輸出端，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ALE進行

17、了224分頻，故輸入ICL7135的時鐘為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，使MC-51的16位計數(shù)器能一次計數(shù)A/D轉(zhuǎn)換的cp脈沖數(shù)在滿電壓輸入時，BUSY寬度為正向積分10000個CP脈沖，反向積分20001個CP脈沖（總計30001個CP脈沖）在fosc6MHz情況下，8031內(nèi)部定時頻率為6MHz/12=500KHz，比ICL7135時鐘

18、頻率250KHz大了1倍在滿刻度電壓輸入時，定時器計數(shù)值應(yīng)為30001X260002，不超過MCS-51的16位計數(shù)的最大可計數(shù)值(216)，故在BUSY高電平期間，計數(shù)器計數(shù)值除以2，再減去10000(2710H)，余數(shù)就是被測電壓的數(shù)值.(三)時序圖圖4 ICL7135時序圖1圖5 ICL7135時序圖2圖4 ICL7135時序圖3圖4 ICL7135時序圖4 (2)程序設(shè)計假定將轉(zhuǎn)換的結(jié)果(二進制)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,$；等待BUSY變低（A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束）MOV TL0，#0MOV TH0，#0;16位計數(shù)器初值清0;MOV TMOD,#01H;T0定時,方式(16位定時)JNB P3.2,$;等待BUSY變高(A/D轉(zhuǎn)換開始)SETB TR0;啟動定時JB P3.2,$;等待A/D結(jié)束CLR TR0;停