數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)-4課件

1教學(xué)內(nèi)容第4章測量放大器1教學(xué)內(nèi)容第4章測量放大器

23.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)指標3.3多路開關(guān)集成芯片3.4多路開關(guān)的電路特性3.5多路開關(guān)的配置第3單元模擬多路開關(guān)上一單元主要內(nèi)容23.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)

3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

圖1-1微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉(zhuǎn)換器計算機顯示器打印機繪圖機定時與邏輯控制接口被測物理量數(shù)字信號開關(guān)信號…多路開關(guān)傳感器傳感器傳感器3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式圖1-1

44.1概述4.2測量放大器的電路原理4.3測量放大器的主要技術(shù)指標4.4測量放大器集成芯片第4章測量放大器本章教學(xué)內(nèi)容44.1概述4.2測量放大器的電路原

5第4章測量放大器4.1

概述5第4章測量放大器4.1概述

64.1概述

了解放大器的類型

了解在數(shù)據(jù)采集中使用測量放大器的原因

本節(jié)教學(xué)目標64.1概述了解放大器的類型

74.1概述兩種誤解：1.凡是測量儀器中使用的放大器，就是測量放大器；2.測量放大器只應(yīng)用在測量儀器中。測量放大器（InstrumentationAmplifiers）又稱儀用放大器、儀表放大器，簡稱IA74.1概述兩種誤解：1.凡是測

84.1概述測量放大器的應(yīng)用非常廣泛。除了數(shù)據(jù)采集和測量儀器領(lǐng)域外，在通信，生物醫(yī)學(xué)工程，電子對抗、電子偵察，電子安防，自動控制，視聽設(shè)備等多個方面都發(fā)揮著重要的作用。84.1概述測量放大器的應(yīng)用非常

94.1概述問題：在數(shù)據(jù)采集中,經(jīng)常會遇到一些微弱的微伏級信號（熱電偶的輸出信號），需要用放大器加以放大。放大器類型通用運算放大器測量放大器94.1概述問題：在數(shù)據(jù)采集中,

104.1概述那么，選擇何種放大器來放大微弱信號？104.1概述那么，選擇何種放大

114.1概述通用運算放大器

具有mV級失調(diào)電壓、數(shù)μV/℃的溫飄，不能用于放大微弱信號。特點目前市場上的放大器有以下特點。測量放大器114.1概述通用運算放大器

124.1概述

?

測量放大器的輸入阻抗都在109歐姆以上，輸出阻抗通常只有幾個毫歐。這是普通運放難以達到的。測量放大器的輸出可以近似看作理想的單端信號源。?通過兩個對稱，并且平衡的差分輸入，使其對共模信號的抑制能力遠高于通用運放。?具有低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點，在微弱信號檢測系統(tǒng)中被廣泛用于前置放大器。124.1概述?測量放大器的

13第4章測量放大器4.2

測量放大器的電路原理

13第4章測量放大器4.2測量放大

144.2

測量放大器的電路原理

了解測量放大器的電路原理

了解測量放大器使用中的兩個指標

本節(jié)教學(xué)目標144.2測量放大器的電路原理了解

154.2

測量放大器的電路原理

有兩級運放第一級：兩個同相放大器A1、A2

輸入阻抗高。第二級：普通差分放大器A3Ui1Ui2+-A1-+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6圖4-1測量放大器原理電路IG154.2測量放大器的電路原理有兩級

16使用測量放大器的兩個指標：測量放大器的增益

由上式可知，調(diào)節(jié)外接電阻的大小，可以改變測量放大器的增益。4.2

測量放大器的電路原理

16使用測量放大器的兩個指標：測量放大器

174.2

測量放大器的電路原理

抗共模干擾能力⑴對直流共模信號，其抑制比為無窮大。⑵對交流共模信號。如圖4.2所示。174.2測量放大器的電路原理抗共模

184.2

測量放大器的電路原理

輸入信號的共模分量傳給屏蔽體輸入保護電路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′圖4-2交流共模干擾影響及抑制方法A4+-A2-+C1C2A1+-

由于輸入信號的傳輸線存在線阻Ri1、Ri2和分布電容C1、C2。Ri1C1

、Ri2

C2分別對地構(gòu)成回路。

當Ri1

C1

≠

Ri2

C2時，交流共模信號在兩運放輸入端產(chǎn)生分壓、，，所以

，對輸入信號產(chǎn)生干擾。

抑制干擾措施：在其輸入端接一個輸入保護電路。

當R1′=R2′時，由于屏蔽層和信號線間對交流共模信號是等電位的，故C1

、

C2

的分壓作用不存在，從而降低共模干擾的影響。184.2測量放大器的電路原理輸入信

19第4章測量放大器4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

19第4章測量放大器4.3測量放

204.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

了解測量放大器的主要技術(shù)指標

了解技術(shù)指標對使用的影響

本節(jié)教學(xué)目標204.3測量放大器的主要技術(shù)指標

214.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

1.

非線性度

非線性度

—放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。什么是〞非線性度〞

？214.3測量放大器的主要技術(shù)指標

22●非線性度通常用滿量程的百分比表示，

精密測量放大器的非線性度典型值為0.01%，特殊放大器的非線性度可達0.0001%。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

●非線性度是由芯片內(nèi)部缺陷造成

的，無法通過外部補償措施予以消除。

22●非線性度通常用滿

23

非線性度與增益有關(guān)，且對數(shù)據(jù)采集精度影響很大。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

12位A／D

轉(zhuǎn)換器

增益為1，非線性偏差為±0.025%增益為500，非線性偏差為±

0.1%結(jié)果：相當于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下的轉(zhuǎn)換器。結(jié)論：一定要選擇非線性度偏差小于0.024%的放大器。23非線性度與增益有關(guān)，

244.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

2.

溫漂什么是〞溫漂〞

？溫漂

—測量放大器輸出電壓隨溫度變化的程度。244.3測量放大器的主要技術(shù)指標

254.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

例如：一個溫漂2V/℃的測量放大器，當增益為1000時，測量放大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個數(shù)字相當于12位A／D轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個LSB值。應(yīng)盡量選擇溫漂小的測量放大器。254.3測量放大器的主要技術(shù)指標

264.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

3.

建立時間建立時間

—指從階躍信號驅(qū)動瞬間至測量放大器輸出電壓達到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。什么是〞建立時間〞

？264.3測量放大器的主要技術(shù)指標

27放大器輸出電壓tUtU驅(qū)動信號建立時間上偏差下偏差

當增益>200時，為達到誤差范圍±0.01%，往往要求建立時間為50s～100s。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

27放大器輸出電壓tUtU驅(qū)動信號建立時

284.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

4.

恢復(fù)時間什么是〞恢復(fù)時間〞

？恢復(fù)時間

—指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間。284.3測量放大器的主要技術(shù)指標

294.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

5.

失調(diào)電壓什么是〞失調(diào)電壓〞

？失調(diào)電壓

—對于理想放大器，輸入為零時，輸出也為零。但在實際的放大器中，輸入為零時，輸出不為零。為使放大器輸出為零，輸入端所加的補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。通常在幾十微伏。294.3測量放大器的主要技術(shù)指標

304.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

6.

電源引起的失調(diào)什么是〞電源引起的失調(diào)〞

？電源引起的失調(diào)

—電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。304.3測量放大器的主要技術(shù)指標

314.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

7.

共模抑制比(CMRR)

如果測量系統(tǒng)兩個差分輸入端同時輸入一個共模信號Vci，在輸出端得到一個輸出Vco.因為輸入的Vci只有轉(zhuǎn)換成差模信號后，才會有輸出信號。假設(shè)Vci中有一部分轉(zhuǎn)換成了差模輸入Vdi，此時第一種CMRR定義為：共模信號只有轉(zhuǎn)換成差模信號后，才能對測量結(jié)果造成影響。關(guān)于CMRR有多種不同的定義方式：314.3測量放大器的主要技術(shù)指標

324.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

定義：VCO是Vdi在測量系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出，若測量系統(tǒng)的差模增益為Gd,則CMRR1：評價系統(tǒng)輸入端抑制“共模信號轉(zhuǎn)換成差模信號的能力”324.3測量放大器的主要技術(shù)指標

334.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

定義：Gc=VCO/Vci,為系統(tǒng)的共模增益，則有即共模抑制比是放大器的差模增益與共模增益的比值。334.3測量放大器的主要技術(shù)指標

344.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

CMRR第二種定義:如果測量系統(tǒng)的兩個差分輸入端同時輸入一個共模信號Vci,在輸出端得到一個輸出Vco,可以得出:344.3測量放大器的主要技術(shù)指標

354.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

共模抑制比用對數(shù)表示時：354.3測量放大器的主要技術(shù)指標

36第4章測量放大器

4.4

測量放大器集成芯片

36第4章測量放大器4.4測量

37

4.4

測量放大器集成芯片

了解測量放大器集成芯片的外形構(gòu)造

了解測量放大器集成芯片的使用調(diào)整本節(jié)教學(xué)目標374.4測量放大器集成芯片了

38

4.4

測量放大器集成芯片

1.AD521AD521是集成測量放大器，采用14腳雙列直插式封裝。圖4-3AD521引腳功能384.4測量放大器集成芯片1.

39

4.4

測量放大器集成芯片

引腳4，6用于調(diào)整放大器零點，將4，6端接到10KΩ電位器的兩個固定端;123456781011121314+IN-INRG10KΩU-UOUTRS100KΩU+圖4-4AD521基本連接方法

電位器滑動端接負電源U-（腳5）。

引腳10，13用于外接電阻RS，用于對放大倍數(shù)進行微調(diào)。

當RS=100kΩ±15%時，可以得到比較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。394.4測量放大器集成芯片

40

4.4

測量放大器集成芯片

測量放大器的放大倍數(shù)按如下公式計算：其放大倍數(shù)可在1～1000的范圍內(nèi)調(diào)整。AD521的技術(shù)指標見表4.1。404.4測量放大器集成芯片測量

41

4.4

測量放大器集成芯片

2.AD620AD620是集成測量放大器，采用8腳雙列直插式封裝。圖4-3AD620引腳功能414.4測量放大器集成芯片2.

42

4.4

測量放大器集成芯片

圖4-5AD620的壓力檢測電路AD620的放大倍數(shù)按如下公式計算：424.4測量放大器集成芯片圖4

43作業(yè):2.

第4章測量放大器43作業(yè):2.第4章測量放大器

44教學(xué)內(nèi)容第4章測量放大器1教學(xué)內(nèi)容第4章測量放大器

453.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)指標3.3多路開關(guān)集成芯片3.4多路開關(guān)的電路特性3.5多路開關(guān)的配置第3單元模擬多路開關(guān)上一單元主要內(nèi)容23.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)

46

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

圖1-1微型計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放大器采樣/保持器傳感器傳感器傳感器…A/D轉(zhuǎn)換器計算機顯示器打印機繪圖機定時與邏輯控制接口被測物理量數(shù)字信號開關(guān)信號…多路開關(guān)傳感器傳感器傳感器3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式圖1-1

474.1概述4.2測量放大器的電路原理4.3測量放大器的主要技術(shù)指標4.4測量放大器集成芯片第4章測量放大器本章教學(xué)內(nèi)容44.1概述4.2測量放大器的電路原

48第4章測量放大器4.1

概述5第4章測量放大器4.1概述

494.1概述

了解放大器的類型

了解在數(shù)據(jù)采集中使用測量放大器的原因

本節(jié)教學(xué)目標64.1概述了解放大器的類型

504.1概述兩種誤解：1.凡是測量儀器中使用的放大器，就是測量放大器；2.測量放大器只應(yīng)用在測量儀器中。測量放大器（InstrumentationAmplifiers）又稱儀用放大器、儀表放大器，簡稱IA74.1概述兩種誤解：1.凡是測

514.1概述測量放大器的應(yīng)用非常廣泛。除了數(shù)據(jù)采集和測量儀器領(lǐng)域外，在通信，生物醫(yī)學(xué)工程，電子對抗、電子偵察，電子安防，自動控制，視聽設(shè)備等多個方面都發(fā)揮著重要的作用。84.1概述測量放大器的應(yīng)用非常

524.1概述問題：在數(shù)據(jù)采集中,經(jīng)常會遇到一些微弱的微伏級信號（熱電偶的輸出信號），需要用放大器加以放大。放大器類型通用運算放大器測量放大器94.1概述問題：在數(shù)據(jù)采集中,

534.1概述那么，選擇何種放大器來放大微弱信號？104.1概述那么，選擇何種放大

544.1概述通用運算放大器

具有mV級失調(diào)電壓、數(shù)μV/℃的溫飄，不能用于放大微弱信號。特點目前市場上的放大器有以下特點。測量放大器114.1概述通用運算放大器

554.1概述

?

測量放大器的輸入阻抗都在109歐姆以上，輸出阻抗通常只有幾個毫歐。這是普通運放難以達到的。測量放大器的輸出可以近似看作理想的單端信號源。?通過兩個對稱，并且平衡的差分輸入，使其對共模信號的抑制能力遠高于通用運放。?具有低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點，在微弱信號檢測系統(tǒng)中被廣泛用于前置放大器。124.1概述?測量放大器的

56第4章測量放大器4.2

測量放大器的電路原理

13第4章測量放大器4.2測量放大

574.2

測量放大器的電路原理

了解測量放大器的電路原理

了解測量放大器使用中的兩個指標

本節(jié)教學(xué)目標144.2測量放大器的電路原理了解

584.2

測量放大器的電路原理

有兩級運放第一級：兩個同相放大器A1、A2

輸入阻抗高。第二級：普通差分放大器A3Ui1Ui2+-A1-+A2RGR1R2R3-+A3R4UOU3U4R5R6圖4-1測量放大器原理電路IG154.2測量放大器的電路原理有兩級

59使用測量放大器的兩個指標：測量放大器的增益

由上式可知，調(diào)節(jié)外接電阻的大小，可以改變測量放大器的增益。4.2

測量放大器的電路原理

16使用測量放大器的兩個指標：測量放大器

604.2

測量放大器的電路原理

抗共模干擾能力⑴對直流共模信號，其抑制比為無窮大。⑵對交流共模信號。如圖4.2所示。174.2測量放大器的電路原理抗共模

614.2

測量放大器的電路原理

輸入信號的共模分量傳給屏蔽體輸入保護電路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2′R1′圖4-2交流共模干擾影響及抑制方法A4+-A2-+C1C2A1+-

由于輸入信號的傳輸線存在線阻Ri1、Ri2和分布電容C1、C2。Ri1C1

、Ri2

C2分別對地構(gòu)成回路。

當Ri1

C1

≠

Ri2

C2時，交流共模信號在兩運放輸入端產(chǎn)生分壓、，，所以

，對輸入信號產(chǎn)生干擾。

抑制干擾措施：在其輸入端接一個輸入保護電路。

當R1′=R2′時，由于屏蔽層和信號線間對交流共模信號是等電位的，故C1

、

C2

的分壓作用不存在，從而降低共模干擾的影響。184.2測量放大器的電路原理輸入信

62第4章測量放大器4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

19第4章測量放大器4.3測量放

634.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

了解測量放大器的主要技術(shù)指標

了解技術(shù)指標對使用的影響

本節(jié)教學(xué)目標204.3測量放大器的主要技術(shù)指標

644.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

1.

非線性度

非線性度

—放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。什么是〞非線性度〞

？214.3測量放大器的主要技術(shù)指標

65●非線性度通常用滿量程的百分比表示，

精密測量放大器的非線性度典型值為0.01%，特殊放大器的非線性度可達0.0001%。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

●非線性度是由芯片內(nèi)部缺陷造成

的，無法通過外部補償措施予以消除。

22●非線性度通常用滿

66

非線性度與增益有關(guān)，且對數(shù)據(jù)采集精度影響很大。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

12位A／D

轉(zhuǎn)換器

增益為1，非線性偏差為±0.025%增益為500，非線性偏差為±

0.1%結(jié)果：相當于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下的轉(zhuǎn)換器。結(jié)論：一定要選擇非線性度偏差小于0.024%的放大器。23非線性度與增益有關(guān)，

674.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

2.

溫漂什么是〞溫漂〞

？溫漂

—測量放大器輸出電壓隨溫度變化的程度。244.3測量放大器的主要技術(shù)指標

684.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

例如：一個溫漂2V/℃的測量放大器，當增益為1000時，測量放大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個數(shù)字相當于12位A／D轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個LSB值。應(yīng)盡量選擇溫漂小的測量放大器。254.3測量放大器的主要技術(shù)指標

694.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

3.

建立時間建立時間

—指從階躍信號驅(qū)動瞬間至測量放大器輸出電壓達到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。什么是〞建立時間〞

？264.3測量放大器的主要技術(shù)指標

70放大器輸出電壓tUtU驅(qū)動信號建立時間上偏差下偏差

當增益>200時，為達到誤差范圍±0.01%，往往要求建立時間為50s～100s。4.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

27放大器輸出電壓tUtU驅(qū)動信號建立時

714.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

4.

恢復(fù)時間什么是〞恢復(fù)時間〞

？恢復(fù)時間

—指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間。284.3測量放大器的主要技術(shù)指標

724.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

5.

失調(diào)電壓什么是〞失調(diào)電壓〞

？失調(diào)電壓

—對于理想放大器，輸入為零時，輸出也為零。但在實際的放大器中，輸入為零時，輸出不為零。為使放大器輸出為零，輸入端所加的補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓。通常在幾十微伏。294.3測量放大器的主要技術(shù)指標

734.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

6.

電源引起的失調(diào)什么是〞電源引起的失調(diào)〞

？電源引起的失調(diào)

—電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。304.3測量放大器的主要技術(shù)指標

744.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

7.

共模抑制比(CMRR)

如果測量系統(tǒng)兩個差分輸入端同時輸入一個共模信號Vci，在輸出端得到一個輸出Vco.因為輸入的Vci只有轉(zhuǎn)換成差模信號后，才會有輸出信號。假設(shè)Vci中有一部分轉(zhuǎn)換成了差模輸入Vdi，此時第一種CMRR定義為：共模信號只有轉(zhuǎn)換成差模信號后，才能對測量結(jié)果造成影響。關(guān)于CMRR有多種不同的定義方式：314.3測量放大器的主要技術(shù)指標

754.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

定義：VCO是Vdi在測量系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出，若測量系統(tǒng)的差模增益為Gd,則CMRR1：評價系統(tǒng)輸入端抑制“共模信號轉(zhuǎn)換成差模信號的能力”324.3測量放大器的主要技術(shù)指標

764.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

定義：Gc=VCO/Vci,為系統(tǒng)的共模增益，則有即共模抑制比是放大器的差模增益與共模增益的比值。334.3測量放大器的主要技術(shù)指標

774.3

測量放大器的主要技術(shù)指標

CMRR