CH8中间转换电路2006

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8.2.3 测量放大器
运算放大器对微弱信号的放大， 运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干 扰的情况。然而，传感器的工作环境往往比较恶劣和复杂， 扰的情况。然而，传感器的工作环境往往比较恶劣和复杂， 在传感器的两条输入线上经常产生较大的干扰信号， 在传感器的两条输入线上经常产生较大的干扰信号，有时 是完全相同的共模干扰。对微弱信号及具有较大共模干扰 是完全相同的共模干扰。 的场合，可采用测量放大器（或称仪用放大器、 的场合，可采用测量放大器（或称仪用放大器、数据放大 器）进行放大。 进行放大。
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同相放大器
同相放大器也是最 基本的电路， 基本的电路，如下图所 其闭环电压增益Av 示。其闭环电压增益 为
RF A = 1+ V R1
同相放大器 同相放大器具有输 入阻抗非常高， 入阻抗非常高，输出阻 抗很低的特点，广泛用 抗很低的特点， 于前置放大级。 于前置放大级。
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8.2.2 差动放大器
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测量放大器
−
测量放大器的基本电路： 测量放大器的基本电路：
U1 R4
+ A1 −
R1
Ui
R3
R2
A3
+
U1
− A2 +
R
/ 1
R
/ 2
U2
R3/
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测量放大器
放大器由两级串联。前级由两个同向放大器组成， 放大器由两级串联。前级由两个同向放大器组成，为对称 组成 结构，输入信号加在前两个运放的同向输入端， 结构，输入信号加在前两个运放的同向输入端，从而具有高抑 制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器， 制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅 切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输入方式， 切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输入方式， 以适应对地负载的需要。 以适应对地负载的需要。 差动放大器的输入Ui’为： 差动放大器的输入 为
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直流电桥的和差特性
设电桥四臂增量分别为∆R 设电桥四臂增量分别为 1、∆R２、∆R３、∆R４， 则电桥的输出为
(R1 + ∆R1 )(R 3 + ∆R 3 ) − (R 2 + ∆R 2 )(R 4 + ∆R 4 ) U BD = (R1 + ∆R1 + R 2 + ∆R 2 )(R 3 + ∆R 3 )(R 4 + ∆R 4 ) 于是有 1 ∆R1 ∆R 2 ∆R 3 ∆R 4 U BD = U0 ( − + − ) 4 R1 R2 R3 R4
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8.2 放大器
由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大， 由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大， 进行电压放大或功率放大 以便对信号进行检测，因此必须采用放大器。 以便对信号进行检测，因此必须采用放大器。 放大器的种类很多， 放大器的种类很多，使用时应根据被测物理量的性质不 同而合理选择（例如热电耦测温度时的热电势信号）， ），如对 同而合理选择（例如热电耦测温度时的热电势信号），如对 变化缓慢、非周期性的微弱信号， 变化缓慢、非周期性的微弱信号，可以选用直流放大器或调 制放大器。对压电式传感器常配有电荷放大器。 制放大器。对压电式传感器常配有电荷放大器。放大器应满 足： （1）放大倍数大且线性度好； ）放大倍数大且线性度好； （2）抗干扰能力强且内部噪声低； ）抗干扰能力强且内部噪声低； （3）动态响应快； ）动态响应快； （4）输入阻抗高以保证测量精度； ）输入阻抗高以保证测量精度； （5）输出阻抗低使之有足够的输出功率。 ）输出阻抗低使之有足够的输出功率。
e2
de1 ∴e2 = −CR2 dt
由上式可以看出，放大器的输出与输入的微分成正比， 由上式可以看出，放大器的输出与输入的微分成正比， 因此称其为微分放大器。 因此称其为微分放大器。
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8.2.4积分放大器 积分放大器
积分放大器与反向放大器类似， 积分放大器与反向放大器类似，主要区别在于其反馈 采用了电容元件。 采用了电容元件。 由运算放大特性可得： 由运算放大特性可得：
E U 3 = ∆R R
从上面的介绍，我们可以看到单臂电桥、半桥、 从上面的介绍，我们可以看到单臂电桥、半桥、全桥 单臂电桥 的输出电压之比为： 的输出电压之比为：
U1 : U2 : U3 = 1: 2 : 4
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8.1.2 交流电桥
交流电桥平衡条件： 交流电桥平衡条件：
Z1 Z3 = Z 2 Z 4 平衡条件可以写成： R3 R4 = 1 1 + jωC1 + jωC 2 R1 R2 使其实部、虚部相等则有： R1R3 = R2R4 R3 / R4 = C1 / C2
R1=R2，RF=R3时为差动放大器，其差模电压增益为 时为差动放大器，
U0 R3 RF Av = = = U 2 − U1 R1 R2
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•
减法器， 当R1=R2=RF=R3时，为减法器， 输出电压为： U0=U2-U1 。。由于差动放大器具有双端输入、单端输出、 。。由于差动放大器具有双端输入、单端输出、 由于差动放大器具有双端输入 共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常 的特点， 共模抑制比较高（ 用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。 用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。
U1 ≈
4R
∆R
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（2）半桥：当相邻的两个电阻为应变片，其它两个为固 ）半桥：当相邻的两个电阻为应变片， 定电阻时的桥路称为半桥。此时输出电压： 定电阻时的桥路称为半桥。此时输出电压：
E U2 = ∆R 2R
（3）全桥：四个臂全为工作应变片的桥路称为全桥，此 ）全桥：四个臂全为工作应变片的桥路称为全桥， 时的输出电压为： 时的输出电压为：
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直流电桥
组桥时，应变片的灵敏系数 必须一致 必须一致， 组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成
U BD
1 = U 0 K (ε1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 ) 4
上式在应变测量中非常重要。 上式在应变测量中非常重要。它表明各桥臂应变对电 桥输出的影响，相对桥臂的应变值相加， 桥输出的影响，相对桥臂的应变值相加，相邻桥臂的应变 值相减，有人又将其简称为加减特性。 值相减，有人又将其简称为加减特性。 三种典型桥路的输出特性 为工作应变片， （1）单臂电桥 ：当R1为工作应变片，其他的为固定电 ） 为工作应变片 阻时的桥路称为单臂电桥，只有电阻值发生变化，此时的 阻时的桥路称为单臂电桥，只有电阻值发生变化， E 输出电压： 输出电压：
R R' R R' 1 1 Ui ' = − U1 − (1+ )U1 = −(1+ 1 + 1 )U1 R4 R4 R4 R4 则 放 出 压 2为 差 输 电 U R3 R R' U2 = AvUi ' = − (1+ 1 + 1 )U1 R2 R4 R4
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测量放大器
可由下式计算： 测量放大器的放大倍数可由下式计算 测量放大器的放大倍数可由下式计算：
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反相放大器
反相放大器是最基本的电 如下图所示。 路，如下图所示。其闭环电压 增益Av为 增益 为：
RF A =− V R1
反馈电阻R 值不能太大， 反馈电阻 F值不能太大， 否则会产生较大的噪声及漂移， 否则会产生较大的噪声及漂移， 一般为几十千欧至几百千欧。 一般为几十千欧至几百千欧。 R1 的取值应远大于信号源 i 的 的取值应远大于信号源U 内阻。 内阻。
U2 R3 R R K= = (1+ 1 + ) U1 R2 R4 R4
' 1
R3R = R R2
' 2 ' 3
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8.2.4 微分放大器
由运算放大特性可得： 由运算放大特性可得：
R2
C
−
dQ Cde1 = I1 = dt dt e2 I2 = − R2 Q I1 = I 2
I2
e1
I1 R1
+
A
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8.1.1直流电桥 直流电桥
直流电桥的桥臂只能为电阻， 直流电桥的桥臂只能为电阻， 如图所示。电阻R1、 、 、 如图所示。电阻 、R2、R3、 R4作为四个桥臂，在A、C端 作为四个桥臂， 作为四个桥臂 、 端 (称为输入端，电源端 接入直流 称为输入端， 称为输入端 电源端)接入直流 电源U0， 电源 ，在B、D端(称为输出 、 端 称为输出 测量端)输出电压 输出电压U 端，测量端 输出电压 BD。 测量时常用等臂电桥， 测量时常用等臂电桥，即R1＝ ＝ R2＝R3＝R4，或电源端对称电 ＝ ＝ ， 桥，即R1＝R2，R3＝R4。 ＝ ， ＝ 。
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8.2.1运算放大器 运算放大器
在放大电路中， 在放大电路中，运算放大器是应用最广泛的一种模 拟电子器件。其特点是输入阻抗高、增益大、可靠性高、 拟电子器件。其特点是输入阻抗高、增益大、可靠性高、 价格低廉、使用方便。 价格低廉、使用方便。一个理想的运算放大器具有以下 性质： 性质： 1、开环增益为无穷； 、开环增益为无穷； 2、输入阻抗为无穷； 、输入阻抗为无穷； 3、输出阻抗为零； 、输出阻抗为零； 4、带宽为无穷； 、带宽为无穷； 5、干扰噪声等于零。 、干扰噪声等于零。
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直流电桥的平衡条件
U BD = U BA − U DA; R 4
R 1R 3 − R 2 R 4 = U0 (R 1 + R 2 ) (R 3 + R 4 ) 显然，当 R 1R 3 = R 2 R 4或 R 1 / R 2 = R 4 / R 3时， 电桥输出为零，则称 R 1R 3 = R 2 R 4或 R 1 / R 2 = R 4 / R 3 为电桥平衡条件。