精密儀器設(shè)計(jì)-精密電路設(shè)計(jì)

精密儀器設(shè)計(jì)

DesignofPrecisionInstrument測控技術(shù)與儀器研究所自動(dòng)化工程學(xué)院1精密電路設(shè)計(jì)

一、電子電路在精密儀器中的地位精密儀器幾乎都由傳感器件或傳感器、信號(hào)或數(shù)據(jù)處理器、顯示器或記錄器等幾大部分組成。傳感元件(一次轉(zhuǎn)換)放大器或信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路激勵(lì)電路數(shù)字顯示器筆錄儀模擬電表模擬指示波形記錄數(shù)字指示被測非電量傳感器信號(hào)處理器顯示、記錄器單參數(shù)檢測精密儀器結(jié)構(gòu)示意圖（不帶微處理器）2單參數(shù)精密儀器結(jié)構(gòu)示意圖（帶微處理器）傳感元件(一次轉(zhuǎn)換)放大器信號(hào)調(diào)理電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器激勵(lì)電路CRT、LCD硬盤數(shù)字顯示器數(shù)字顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文字、表格、圖形顯示被測非電量微處理器打印機(jī)數(shù)據(jù)或圖形記錄傳感器信號(hào)或數(shù)據(jù)處理器一、電子電路在精密儀器中的地位3多參數(shù)綜合精密檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖傳感器2運(yùn)放電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器顯示器硬盤模出接口輸入2微處理器打印機(jī)多路選通器傳感器1輸入1傳感器N輸入N一、電子電路在精密儀器中的地位4為何電子電路會(huì)有如此廣泛的應(yīng)用，占有如此重要的地位？主要原因：——提高測量儀器的精度和靈敏度

——擴(kuò)充量程和多功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量

——排除機(jī)構(gòu)活動(dòng)件，提高工作可靠性及壽命尤其是現(xiàn)代化精密儀器，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，只有合適的電子電路才能使其功能和自動(dòng)化程度達(dá)到更高的水平。一、電子電路在精密儀器中的地位5二、精密儀器電路的內(nèi)容與功用1、內(nèi)容精密儀器電路對(duì)傳感器輸出的測量信號(hào)進(jìn)行放大、處理、轉(zhuǎn)換和線性化處理后，驅(qū)動(dòng)顯示或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。精密儀器電路擔(dān)負(fù)著選擇、放大、運(yùn)算、信號(hào)轉(zhuǎn)換、邏輯處理等任務(wù)，是精密儀器不可缺少的組成部分。6精度高2、功能：有助實(shí)現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動(dòng)化①易于實(shí)現(xiàn)高倍率放大↑分辯率、↓讀數(shù)誤差②易于實(shí)現(xiàn)量程切換解決了量程與分辯率的矛盾③通過信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、選頻與濾波、共模抑制電路方便地選取有用信號(hào)、抑制無用信號(hào)；減少噪聲、干擾與非被測參數(shù)的影響。④利用電路可對(duì)儀器誤差進(jìn)行自動(dòng)校正零點(diǎn)的自動(dòng)校正、放大倍數(shù)的自動(dòng)校正、非線性誤差的修正⑤利用差動(dòng)電路補(bǔ)償電路、平衡電路使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小7使用方便①電路可方便信號(hào)傳輸，使它便于讀出或?qū)崿F(xiàn)控制、執(zhí)行；②電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路讀取更方便；③電路的反應(yīng)速度高，信息傳輸快，利用信號(hào)鎖存，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采樣；④利用電路可進(jìn)行巡回采樣或同時(shí)讀取多路信號(hào)；⑤利用信號(hào)分離電路，可讀取各成分參數(shù)；⑥通過計(jì)算機(jī)與邏輯處理電路，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的運(yùn)算處理，直接讀取所需的復(fù)雜參數(shù)值；⑦便于利用電路存儲(chǔ)測量結(jié)果。易于自動(dòng)化：通過電路可實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、處理、功放、反饋控制等。2、功能：有助實(shí)現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動(dòng)化8計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用是儀器電路功能的延伸和新發(fā)展主要功用①大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)和自動(dòng)采樣；②大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；③完成較為復(fù)雜多樣的運(yùn)算；④較為復(fù)雜多樣的誤差自動(dòng)修正；⑤較高水平的智能化。計(jì)算機(jī)完成這些任務(wù)都需要儀器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過接口將計(jì)算機(jī)與儀器溝通。特點(diǎn)：運(yùn)算速度快、儲(chǔ)存量大、智能化、圖形化發(fā)展：PC儀器、智能儀器、虛擬儀器三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求9三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求精密儀器電路的特點(diǎn)：①高精度與高穩(wěn)定性；②高靈敏度、高分辯率，可檢測微弱信號(hào)；③檢測信號(hào)的多樣性；④信號(hào)的處理要求；⑤儀器化的電路設(shè)計(jì)，要滿足操作方便、自動(dòng)測試、

工作可靠等要求。10三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求對(duì)精密儀器電路的要求1.信號(hào)的拾取與抗干擾能力首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)）；其次，采取恰當(dāng)?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地，電路本身

的合理設(shè)計(jì)。2.穩(wěn)定性----是對(duì)儀器電路乃至整個(gè)精密儀器的最基本的要求。①溫漂－－導(dǎo)致儀器的示值在一次運(yùn)行中發(fā)生漸變；②長期穩(wěn)定性－－由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀

器性能在長期運(yùn)行中發(fā)生變化；③短期穩(wěn)定性－－表示為示值重復(fù)性。由輸入信號(hào)的信噪比、電

路本身的噪聲和抗干擾能力決定。11電路的穩(wěn)定性不僅包括零點(diǎn)和放大倍數(shù)（靈敏度）的穩(wěn)定性，還應(yīng)包括線性度、頻率特性、輸入輸出阻抗的穩(wěn)定性等。提高穩(wěn)定性的措施：①減小溫漂－－選溫漂小經(jīng)老化處理的元件，合理安排熱源，

采取深度負(fù)反饋和補(bǔ)償措施。②提高短期穩(wěn)定性－－選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器

件、適當(dāng)布線與接地及采取合適的抗干擾措施，還常采取

深度負(fù)反饋、差動(dòng)或平衡電路。靜態(tài)下：多次重復(fù)取樣取平均、↑濾波器的時(shí)間常數(shù)→↓示值分散性。三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求123.頻率特性與響應(yīng)速度

－－是衡量儀器動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)。被測對(duì)象頻率范圍，從直流開始，高端可至1011Hz，以致更高?！l率特性同時(shí)巡回采樣，巡回點(diǎn)越多，要求采樣速度越高?！憫?yīng)速度4.線性度－－是儀器精度的又一重要指標(biāo)。xy0實(shí)際曲線規(guī)定曲線通常要求儀器的輸入輸出間具有線性關(guān)系①線性標(biāo)尺便于讀出；②換檔時(shí)只須改變分度值，不必另行定標(biāo)；③記錄波形曲線不失真；④進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、細(xì)分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時(shí)均不考慮非線性因素，比較方便。精密儀器的非線性度主要由傳感器、電路、顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分的非線性度產(chǎn)生。三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求135.分辯率提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。模擬儀表：最小刻度值的一半?！唷糯笃鞯姆糯蟊稊?shù)。數(shù)字儀表：數(shù)字顯示最低位1個(gè)字對(duì)應(yīng)的被測量。

↓量化誤差→↓最低位1個(gè)字對(duì)應(yīng)的被測量↗細(xì)化電路↘↑A/D位數(shù)6.輸入與輸出阻抗－－要與相應(yīng)的傳感器和所驅(qū)動(dòng)的顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻抗匹配。一般要求電路輸入阻抗很高。（∵有的傳感器輸出阻抗大108Ω以上）但不是所有情況（∵輸入阻抗↑→輸入端噪聲↑）合理的要求是輸入級(jí)的輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配，使放大器的輸出信噪比達(dá)最大值。7.計(jì)算與邏輯控制功能通常檢測儀器需要完成一定的計(jì)算，以獲得所需的被測參數(shù)值；儀器電路還要完成一系列邏輯判斷處理，以保證儀器正常工作。三、精密儀器電路的特點(diǎn)與主要要求14四、精密儀器電路的發(fā)展趨勢電子管時(shí)期－－電子管放大器放大應(yīng)變電橋的輸出信號(hào)， 組成電阻應(yīng)變儀。50年代中后期－－晶體管發(fā)展到了實(shí)用階段。各種電子管電路

隨之改為晶體管電路。60年代－－數(shù)字頻率計(jì)、數(shù)字電壓表等數(shù)字儀表發(fā)展到了實(shí)用

階段。各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場。70年代－－各種模擬、數(shù)字集成電路大批量投入生產(chǎn)，價(jià)格大

大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開辟了廣闊前景。70年代中期－－微機(jī)系統(tǒng)開始在檢測儀器中得到實(shí)際應(yīng)用。 顯著提高了檢測儀器的性能和自動(dòng)化程度。80年代－－大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷完善，以單片集成

模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。15四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢（一）優(yōu)質(zhì)化優(yōu)質(zhì)化的一個(gè)重要方面就是提高電路的工作可靠性。例：一個(gè)含有104個(gè)晶體管的電路若單個(gè)晶體管可靠性為0.9999整個(gè)電路可靠性為0.999910000≈0.37若單個(gè)晶體管可靠性為0.99999整個(gè)電路可靠性為0.9999910000≈0.905若單個(gè)晶體管可靠性為0.999999整個(gè)電路可靠性為0.99999910000≈0.99為使整個(gè)電路的工作可靠性達(dá)到99%，則單個(gè)器件可靠性必須達(dá)到0.999999（二）集成化趨勢（1）集成塊的密集度越來越高；（2）采用集成塊的范圍越來越廣。16四、檢測儀器電路的發(fā)展趨勢（三）數(shù)字化能較好地解決量程和分辯率的矛盾；（1）易于集成化；（2）抗干擾能力強(qiáng)；（3）便于動(dòng)態(tài)采樣，便于記憶存儲(chǔ)；（4）便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用。但數(shù)字電路不能完全取代模擬電路。（四）通用化（1）一個(gè)電路盡量采用相同的單元電路；（2）整個(gè)儀器的構(gòu)成采用電路模塊化、積木化；（3）推廣通用儀器。（五）自動(dòng)化與智能化（六）虛擬化17導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體功率模塊功率放大器件P型N型三極管場效應(yīng)管PN結(jié)PN結(jié)集成運(yùn)算放大器分立元件五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展半導(dǎo)體：體積小、重量輕、壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高摻雜擴(kuò)散、漂移電流放大作用18

集成運(yùn)放有源濾波器運(yùn)算加減微積分線性非線性乘除對(duì)、指數(shù)運(yùn)放處于線性放大狀態(tài)（負(fù)反饋）運(yùn)放處于非線性狀態(tài)（開環(huán)或正反饋）比較器振蕩器五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展1901數(shù)字電路模擬電路ADDA線性電源開關(guān)電源電池電源按鍵顯示五、精密檢測電路--電子器件的發(fā)展20集成運(yùn)算放大器:實(shí)現(xiàn)信號(hào)的組合和運(yùn)算的放大器。集成運(yùn)放：模擬器件。運(yùn)放電路:器件＋外圍。集成運(yùn)放配上不同的反饋網(wǎng)絡(luò)和采用不同的反饋方式，構(gòu)成功能和特性完全不同的電子電路，它是各種電子電路(儀器電路)中最基本的組成環(huán)節(jié)。集成運(yùn)放電路優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。1、定義五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器21（1）電路一般采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，而不采用阻容耦合結(jié)構(gòu)；（2）輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，從而改進(jìn)單管的性能；（4）大量采用恒流源設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)或做有源負(fù)載(電流源具有交

流電阻大的特點(diǎn))，提高電路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工藝制造出來的，故具有同相偏

差。元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、集成運(yùn)放特點(diǎn)五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器223、基本構(gòu)成

集成運(yùn)放是以雙端為輸入、單端為輸出的直接耦合型高增益放大器,其內(nèi)部組成原理框圖用圖1.2表示,

它由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等四部分組成。集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成原理框圖五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器234、集成放大器封裝形式1金屬圓帽封裝(8/10/12腳)2雙列直插封裝(8/14腳)3貼片封裝(8/14腳)1塑料封裝（－10～70度）2陶瓷封裝（－50～125度）價(jià)格相差2個(gè)數(shù)量級(jí)3金屬－陶瓷封裝（更高）5、集成放大器封裝材料五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器24五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器6、集成運(yùn)放主要參數(shù)25五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器6、集成運(yùn)放主要參數(shù)267、集成運(yùn)放的種類通用運(yùn)放低功耗低溫漂高輸入阻抗低噪聲高速運(yùn)放高壓運(yùn)放多元運(yùn)放單電源跨導(dǎo)型運(yùn)放五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器278、集成運(yùn)放的使用合理選擇消振調(diào)零保護(hù)擴(kuò)流先消振、后調(diào)零五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器28五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器9、精密儀器電路信號(hào)放大電路（小信號(hào)、低漂移直流、高輸入阻抗、電荷、低噪音等）信號(hào)處理電路（濾波、特征值檢測、采樣保持等）調(diào)制與解調(diào)電路（振幅、頻率、相位、脈沖等）……29集成運(yùn)放理想化的條件：開環(huán)電壓放大倍數(shù)AO∞;差模輸入電阻ri開環(huán)輸出電阻rO共模抑制比KCMRR∞;0;∞.－＋＋u－u＋ouAO五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器30理想運(yùn)放對(duì)于理想運(yùn)放Ao,ri“虛短路”原則（2）“虛斷路”原則（1）uuouiu=Ao=–-+集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：uiuO_++u-u++i-uiuO+_i+

0i-=i+=0uiri

i-=i+=u-u+=,五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器31當(dāng)u+>u-時(shí)，u0=UO+iiuO+rid+輸出電壓u0只有兩種可能：當(dāng)u+<u-時(shí)，u0=UO－“虛斷”的條件原則上仍成立，即ii≈0“虛短”原則上不成立，即u+和u-不一定相等！工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)uiuO_++u-u+五、精密檢測電路--運(yùn)算放大器32VoR1Rf

+ViI1IfR2常用電路01：反相比例運(yùn)算電路ABC增益331）分析電路結(jié)構(gòu)；2）分析工作原理；3）理想運(yùn)放+線性疊加原理列方程。

（環(huán)路電壓、節(jié)點(diǎn)電流）VoR1Rf

+ViI1IfR2注意：有共模電壓輸入常用電路02：同相比例運(yùn)算電路34反相輸入VoR1Rf

+Vi2I1IfRpVi1R2I2R1＝R2＝R常用電路03：加法運(yùn)算電路35同相輸入VoR2Rf

+Vi2I1IfRpVi1R3I2R1R2＝R3＝RP常用電路03：加法運(yùn)算電路36VoR1

+Vi2I1IfRpVi1R2I2RfR1＝R2；

Rp＝Rf常用電路04：減法運(yùn)算電路37I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器38UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++1）電路結(jié)構(gòu)；同相放大器、跟隨器、取樣電阻2）工作原理；V02=Vp2I0=(V01-Vp2)/R03）列方程：理想運(yùn)放+線性疊加原理

（環(huán)路電壓、節(jié)點(diǎn)電流）R1=R2=R3=R4=RI0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器39UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++3）理想運(yùn)放+線性疊加原理列方程。

（環(huán)路電壓、節(jié)點(diǎn)電流）N1點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電流：-VN1/R=(VN1-V01)/R∴V01=2VN1=2VP1P1點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電流：(Vi-VP1)/R=(VP1-V02)/R∴V02=2VP1-Vi=VP2∴I01=(V01-VP2)/R0=[2VP1-(2VP1-Vi)]/R0=Vi/R0

即跨導(dǎo)放大器R1=R2=R3=R4=RI0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器40UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++I0=(V01-VP2)/R0=(V01-V02)/R0

即必須求出V01、V02A1組成同相放大電路

∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1R1=R2=R3=R4=R方法2：等效簡化電路法I0常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器41UoUiI1I1N1P1V01P2Vp2RoR4R3R1R2I2I2RLA1A2V02++R1=R2=R3=R4=RI0UoUiI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R4常用電路05：電流/電壓轉(zhuǎn)換器42I0UoViI1I1N1P1V01RoR3R1R2RLA1V02+R4VP1=R4/(R3+R4).Vi+R3/(R3+R4).V02=1/2(Vi+V02)∴V01=（1+R/R）VP1=2VP1=Vi+V02∴I0=(V01-VP2)/R0=(Vi+V02-V02)/R0=Vi/R0戴維南線性疊加原理常用電路06：儀用運(yùn)算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V02431）電路結(jié)構(gòu)；

A1A2R1R2對(duì)稱，雙輸入單輸出，同相端輸入、差動(dòng)放大2）工作原理；V0=(1+R2/R1).V3+-R2/R1.V01=(1+R2/R1).R2/(R1+R2)V02-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)差分電路3）列方程：理想運(yùn)放+線性疊加原理

（環(huán)路電壓、節(jié)點(diǎn)電流）V1V2常用電路06：儀用運(yùn)算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0244方法1：歐姆定律(V01-V02)/(2R3+RG）

=(V1-V2)/RG∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用電路06：儀用運(yùn)算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0245方法2：合比定理(V01-V1)/R3=(V1-V2)/RG

=(V2-V02)/R3∴V02-V01=(2R3+RG)/RG(V2-V1）∴V0=R2/R1(V02-V01)=R2/R1(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用電路06：儀用運(yùn)算放大器UoV1IGV3+R2R1R3R2RGA3R1V2R3A1A2V01V0246方法3：線性疊加V01=(1+R3/RG).V1-R3/RG.V2V02=(1+R3/RG).V2-R3/RG.V1∴V02-V01=(1+2R3/RG）(V2-V1）∴V0=(1+R2/R1).[R2/(R1+R2).V02]-R2/R1.V01=R2/R1(V02-V01)=R2/R1.(1+2R3/RG)(V2-V1）V1V2常用電路7：回差電壓比較器一、振鈴現(xiàn)象電平檢測器(任意電平比較器)，當(dāng)達(dá)到比較電平時(shí)，立即翻轉(zhuǎn)，用它檢測信號(hào)電壓時(shí)，靈敏度高。但若被測信號(hào)疊加一定的干擾信號(hào)，可能使比較器產(chǎn)生振蕩，造成誤翻轉(zhuǎn)－－這就是所謂的電平比較器的振鈴現(xiàn)象。Un0VMUiNPQUoUiUoA－＋Un~47常用電路7：回差電壓比較器二、回差電壓比較器為克服振鈴現(xiàn)象，可采用回差電壓比較器(滯后比較器、施密特觸發(fā)器)。1組成－－在比較器的同相端加入少量的正反饋，即可構(gòu)成滯后比較器。其傳輸特性具有滯后特性。UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H482原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ⑴當(dāng)輸入電壓Ui大于同相端電壓U+(即Ui>U+)時(shí)，輸出電壓Uo處于低電平UL在R1中的電流I1為正(I1>0)，DZ2反向擊穿(DZ1導(dǎo)通)，則有UoUi0U0LU+LU0HU+H①②③

UΣ-

UZ=

Uo

UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)臨界條件解得:Uo=

-

UZ(1+R2/R3)=U0L(輸出低電平)

UΣ=U+=(Uo+UZ)=-(R2/R3)UZ=U+L

(輸出低電平時(shí)同相端電位、下比較電平)常用電路7：回差電壓比較器49⑵當(dāng)Ui逐漸減小時(shí)，只要Ui>U+L[-(R2/R3)UZ]時(shí)，I1不換向，則，比較器狀態(tài)不改變，輸出電平為Uo=U0L=

-UZ(1+R2/R3)⑶當(dāng)Ui<U+L[-(R2/R3)UZ]時(shí)，I1換向(從正→負(fù))，則DZ1反向擊穿(DZ2導(dǎo)通)比較器輸出Uo轉(zhuǎn)為高電平(UL→U0H)。因同相端的正反饋?zhàn)饔眉铀俜D(zhuǎn)過程。這時(shí)↗UΣ+

UZ=

Uo↘UΣ=

U+

=

Uo

R2/(R2+R3)解得↗Uo=

UZ(1+R2/R3)=U0H(輸出高電平)↘UΣ=U+=(Uo+UZ)=(R2/R3)UZ=U+H

(輸出高電平時(shí)同相端電位、上比較電平)常用電路7：回差電壓比較器50UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZ2原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑷Ui繼續(xù)下降，輸出維持高電平端電壓Uo=U0H[(R2/R3)UZ]

，

而同相端和反相端電平翻轉(zhuǎn)到

U+H[(R2/R3)UZ]

⑤⑸若Ui上升，只要Ui<U+H[=Ums=(R2/R3)UZ]時(shí)，輸出電平仍為：Uo=U0H[UZ(1+R2/R3)]，比較器狀態(tài)不改變。⑥⑦常用電路7：回差電壓比較器512原理UΣUiUoR1A－＋R3DZ2I1I2R2DZ1Uf±UZUoUi0U0LU+LU0HU+H①②③④⑤⑥⑹當(dāng)Ui>U+H時(shí)，I1換向(從負(fù)→正)，則DZ2反向擊穿(DZ1導(dǎo)通)比較器輸出Uo又轉(zhuǎn)為低電平[U0→U0L=-(1+R2/R3)UZ]。

此時(shí)，UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ⑦⑺Ui繼續(xù)上升，輸出仍維持低電平Uo=

U0L；而同/反相端電平已轉(zhuǎn)為UΣ=U+=U+L=-(R2/R3)UZ。常用電路7：回差電壓比較器52

①比較器的傳輸特性具有遲滯回線的形式，所以稱為遲滯比較器，由于比較門限電平的回差變化，又稱回差比較器。

②此零電平比較器的比較電平不再是單一的零電平(UR=0)而是具有位于零電平附近的兩個(gè)電平↗上(大)比較電平U+H=(R2/R3)UZ

↘下(小)比較電平U+L=-(R2/R3)UZ兩者之差稱為滯后電平。ΔU=

U+H–U+L=(UoH–UoL)R2/(R2+R3)

↗U+H

=UoHR2/(R2+R3)

↘U+L=UoLR2/(R2+R3)

③

ΔU可由R2R3調(diào)節(jié)，適當(dāng)選取ΔU，可消除“振鈴”現(xiàn)象。但ΔU的存在檢測靈敏度∴ΔU不宜過大，通常R2<<R3

常用電路7：回差電壓比較器53Notes：任意電平滯后比較器，可用相同方法分析：

⑴參考電壓UR在同相端UiUoR1A－＋R3R2URUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU輸入電壓Ui從低值達(dá)到上比較電平U+H時(shí)，比較器輸出從高電平→低電平(UoH→UoL)，這種滯后特性稱為下行滯后特性，簡稱下行特性。常用電路7：回差電壓比較器54

⑵

參考電壓UR在反相端URUoR1A－＋R3R2UiUoUi0UoLU+LUoHU+HΔU輸入電壓Ui從低值達(dá)到上比較電平U+H時(shí)，比較器輸出從低電平→高電平(UoL→UoH)，這種滯后特性稱為上行滯后特性，簡稱上行特性。常用電路7：回差電壓比較器55常用電路8：峰值保持電路峰值保持電路－－能使持續(xù)期短的信號(hào)在時(shí)間上可以擴(kuò)展的電路。1、原理:①當(dāng)Ui>0時(shí)，D導(dǎo)通，電容C被充電到的峰值－－峰值跟蹤階段，0A段。②當(dāng)Ui過峰值而下降時(shí)，D反偏而截止，由于的反向電阻較大，電容C上的電荷因無放電回路而被保持下來－－保持階段，AB段。③此后只有當(dāng)Ui上升到大于電容C上的電壓(Ui>UC)，D才導(dǎo)通，使輸出Uo跟蹤輸入U(xiǎn)i，直到新的峰值，并保持下來。56UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想U(xiǎn)o實(shí)際常用電路8：峰值保持電路2、誤差分析①實(shí)際二極管并不是理想元件。②電路輸出端總有一定負(fù)載電阻(RL)。③信號(hào)源也有一定內(nèi)阻(Rs)。跟蹤階段－－電容C上電壓UC無法完全跟蹤Ui，按一定的時(shí)間常數(shù)上升。保持階段－－UC將通過RL進(jìn)行放電，從而使Uo偏離被測信號(hào)峰值。偏離的程度與元件的質(zhì)量、取值有關(guān)。元件參數(shù)一旦確定，偏離值的大小又與被測信號(hào)Ui有直接關(guān)系。57UiDCUoRLRs~esUit0UiUoABCDEUo理想U(xiǎn)o實(shí)際常用電路8：峰值保持電路一、改善二極管的非線性及消除不靈敏區(qū)－－將二極管放在運(yùn)放的反饋回路中。UiA1－＋UoDA2－＋C此時(shí)，D的等效開啟電壓為Ui’=UD/A1d

式中A1d

－－A1的開環(huán)增益，一般在80dB以上(即1000倍)。

UD

－－二極管死區(qū)(不靈敏區(qū))電壓，硅管UD

≈0.5V。

Notes：①Ui’是一個(gè)很小的值，Ui’≈0。這就消除了二極管的不靈敏區(qū)。

②當(dāng)D導(dǎo)通后，A1工作在電壓跟隨狀態(tài)，從而消除了D的非線性影響。58二、增加保持時(shí)間實(shí)際↗D的反向電阻及A1A2的輸入阻抗并非無窮大。

↘存儲(chǔ)電容C也存在漏電流?！诒３蛛A段電容C上的電壓將通過A1A2D及C的等效漏電阻而放電，從而引起保持電壓的漂移，其漂移率為

D=ΔUo

/Δt=I漏

/C式中，I漏

=Ib

+ID+IC

Ib

－－A1A2的偏置電流和漏電流之和；

ID

－－D的反向飽和漏電流；

IC

－－C的漏電流。常用電路8：峰值保持電路59Notes：要↓D(電壓漂移率)，增加↑保持時(shí)間，可↑C和↓I漏

⑴實(shí)際電容C值受工作速度的限制，且↑C其漏電流IC

漏也大。⑵有效的方法是↓I漏

，其途徑有二：①選用優(yōu)質(zhì)元件↗C－－選聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏電流小(IC

漏↓)的電容

→A1A2－－選場效應(yīng)管作輸入級(jí)的運(yùn)放

↘D－－選開關(guān)特性好的形狀二極管，或用場效應(yīng)管代替②改進(jìn)電路－－如盡可能減小加在峰值檢測二極管上的反向電壓等。常用電路8：峰值保持電路60常用電路8：絕對(duì)值檢測電路整流－－把正負(fù)極性交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性的直流信號(hào)，稱為整流。線性整流－－單極性的直流輸出電壓與輸入交流信號(hào)的幅值呈線性比例關(guān)系的整流，稱為線性整流，又稱精密檢波。絕對(duì)值電路－－又稱全波整流電路。它的特點(diǎn)是能將交變的雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)。在自動(dòng)檢測儀表中常用這一特點(diǎn)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值檢測。~ui＋RL－uituRLtI0UDVαr=ctgαuiuDr61常用電路9：絕對(duì)值檢測電路~ui＋RL－uituRLt利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詫?shí)現(xiàn)較大信號(hào)的檢波，但由于二極管的正向伏安特性的非線性(r)及其閾值電壓(UD)的存在，無法實(shí)現(xiàn)精密的線性檢波。二極管的伏安特性為：I0UDVαr=ctgαuiuDr

UD－－二極管的閾值(導(dǎo)通)電壓。r－－二極管的動(dòng)態(tài)電阻，表示當(dāng)偏壓高于UD后特性曲線的斜率。二極管的特性可用等效電路來描述。這里忽略了二極管的反向漏電流，實(shí)際上對(duì)于硅二極管，這種反向漏電流是相當(dāng)小的。62二極管的非線性決定了用它無法實(shí)現(xiàn)良好的線性轉(zhuǎn)換uiuoDR例如：當(dāng)輸入信號(hào)為線性的三角波時(shí)，經(jīng)二極管檢波電路后的輸出波形，將產(chǎn)生明顯的畸變。I0UDUuo=IR0UDttui

↗輸入信號(hào)越小，畸變越嚴(yán)重；↘當(dāng)輸入信號(hào)<UD，輸出Uo=0，電路失去檢波作用。常用電路9：絕對(duì)值檢測電路63uiuoDR為實(shí)現(xiàn)精密線性檢波，必須解決兩個(gè)問題：改善二極管的非線性特性，以實(shí)現(xiàn)良好的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系；

減小二極管閾值電壓(UD)的影響，使其能對(duì)盡可能小的輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

利用運(yùn)放與普通二極管有源檢波電路，能有效解決以上兩個(gè)問題。按檢波特性，可把精密檢波電路分為↗精密半波檢波電路

→精密全波檢波電路

↘峰值檢波電路常用電路9：絕對(duì)值檢測電路64A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2兩二極管(D1D2)分別接在運(yùn)放的反饋回路，運(yùn)放接成反相放大器形式。設(shè)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)Uo

=Uinsinωt①Ui正半周(Ui>0):Uo’為負(fù)(<0)D1導(dǎo)通，D2截止

D1導(dǎo)通，使運(yùn)放處于深度負(fù)反饋狀態(tài)。從而保證了運(yùn)放的反相輸入端“虛地”(Uin-=0)，由于輸出信號(hào)(Uo)是從“虛地”取出，R2無電流流過，∴Uo=0常用電路10：精密半波檢波電路65A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2②Ui負(fù)半周(Ui<0)：Uo’為正(>0)D1截止，D2的狀態(tài)取決于Uo’的大?。喝鬠o’<UD，D2截止，運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài)。此時(shí)Uo’=-AoUi≤UD，即Ui≤UD/Ao?！哌\(yùn)放開環(huán)增益很高(一般Ao為104~105),∴Ui很小，Uo=Ui也很小，可看作零。這就相當(dāng)于把二極管的閾值電壓UD降低1/Ao，從而有效地克服了UD對(duì)檢波性能的影響，大大提高了電路對(duì)小信號(hào)的檢波能力。常用電路10：精密半波檢波電路66A－＋UoUiUo’R1R2RD1D2一旦Uo’>UD，D2導(dǎo)通，運(yùn)放處于反相比例放大工作狀態(tài)，Uo=-(R2/R1)Ui，若取R1=R2，則Uo=-Ui。顯然，D2導(dǎo)通，使A處于深度負(fù)反饋閉環(huán)工作狀態(tài)，而D2又在反饋回路中。因此，D2導(dǎo)通后的非線性特性，由于負(fù)反饋的作用而明顯改善，使檢波電路的輸出與輸入之間具有良好的線性關(guān)系。由以上分析Uo=↗0，Ui>0↘|Ui|，Ui<0常用電路10：精密半波檢波電路67①檢波波形和檢波特性。uituot波形uoui檢波特性②若需對(duì)的正半周進(jìn)行檢波，只要將電路中的兩個(gè)二極管(D1D2)同時(shí)反接即可。③為定量說明二極管閾值電壓UD和非線性電阻r所產(chǎn)生的非線性誤差，可畫等效電路。A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr在的負(fù)半周內(nèi)：常用電路10：精密半波檢波電路68A1－＋UoUiUo’R1R2RD1D2UDrUDr此式表明：在精密半波檢波電路中，UD和r仍會(huì)影響電路輸出，造成誤差。但由于負(fù)反饋的作用，把這種影響減少到原來的1/Aoβ④需要提出的是：精密半波檢波電路的工作頻率↗在大信號(hào)時(shí)，會(huì)受到運(yùn)放壓擺率(SR)的限制；

↘在小信號(hào)時(shí)，會(huì)受到運(yùn)放-3dB帶寬(f0)的限制。

必須根據(jù)實(shí)際工作頻率選擇合適的集成運(yùn)放，才能保證檢波器的檢波精度。常用電路10：精密半波檢波電路691、簡單絕對(duì)值電路：由半波檢波電路和加法器兩部分組成。UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3①Ui正半周(Ui＋>0):∵A1是反相輸入D2截止，D1導(dǎo)通，此時(shí)，半波檢波電路的輸出電壓(即A1的輸出電壓)Uo1=－Ui＋R2/R1加法器對(duì)兩電壓進(jìn)行求和運(yùn)算，其輸出電壓為

Uo＋=(-Ui＋R6/R4-Uo1R6/R5)=-(R6/R4-R6R2/R5R1)Ui＋若取R2=R1，R6=R4=2R5

則

Uo＋=Ui＋常用電路11：絕對(duì)值電路70UiA1－＋UoUo1R1R2D2D1A2－＋R5R4R6R7R3②Ui負(fù)半周(Ui＋<0):∵A1是反相輸入D1截止，D2導(dǎo)通，則，Uo1被切斷，不能輸入到A2的輸入端?！郩o－=－Ui－R6/R4=－Ui－此時(shí)，Ui－<0，－Ui－>0，∴Uo=|Ui|常用電路11：絕對(duì)值電路71Notes：①絕對(duì)值電路波形和檢波特性。uituot波形uoui檢波特性②將電路中的(D1D2)同時(shí)反接，即可獲得負(fù)輸出的絕對(duì)值電路。③簡單絕對(duì)值電路在頻率較低時(shí)，能得到滿意的結(jié)果。當(dāng)頻率較高時(shí)，

由于前面的半波檢波電路會(huì)產(chǎn)生相移，破壞了加法電路所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算

關(guān)系，使輸出波形失真而引起誤差，應(yīng)采用頻率補(bǔ)償來這種誤差。常用電路11：絕對(duì)值電路72Notes：uituot波形uoui檢波特性④這種電路的精度，不僅與半波檢波電路的精度有關(guān)，而且還與電阻的匹配精度有關(guān)。⑤缺點(diǎn)：↗匹配電阻過多（需要5個(gè)R2=R1，R6=R4=2R5）↘輸入阻抗低，Ri=R1//R6（反向輸入結(jié)構(gòu)）常用電路11：絕對(duì)值電路73

2、高輸入阻抗的絕對(duì)值電路：簡單絕對(duì)值電路，由于采用了反相輸入結(jié)結(jié)構(gòu)，其輸入電阻較低，因而當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻較大時(shí)，在信號(hào)源與絕對(duì)值電路之間就不得不接入緩沖級(jí)，從而使電路復(fù)雜化。為使電路簡單，且輸入阻抗又高，可將圖中的運(yùn)放接成同相輸入。電路的輸入阻抗約為兩個(gè)運(yùn)放的共模輸入電阻的并聯(lián)，可高達(dá)10MΩ以上。UiA1－＋