传感器及其信号调理技术第10章(1)

R1
uN
—
u i1 uP
+
ui2
R1
R2
R2 uo
A uo R2 ui2 ui1 R1
图10-3 差动放大器
显然，差动放大器的输出电压与输入电压差成正比。
10.1.3 电桥放大器
对于将被测量变化转化为电阻变化的这类传感器，往往需要借助适当的电路，将电阻 的变化转化为相应的电压或者电流的变化，最常见的这种电路就是惠斯顿电桥(Wheatstone electrical bridge)，简称电桥。该电路理论上要求电桥的负载无穷大，而采用运算放大器作 负载，其输入电阻可达很高。下面讨论三种形式的电桥放大器。
端分别接有电阻 R1 。 忽略放大器对电桥的影响，则有
uAB

uA
uB

E Rx R Rx

E 2

E 2
Rx R R Rx

E 2
2
由于 1 ，所以有
uAB

E 4

由上面的10.1.2 的输入和输出的关系可知，
（10-1）
uo

Rf R1
uAB

Rf E 4R1
3．反馈式电桥放大器
A
)
3
输入端无电流，
ui1 +
+ A1
A
R3 C
R5
_
R1
ig +
ui
Rg
_ A3
u+
B
R4
C
R6
对称同相放大器
差动放大器
图10-7 仪器放大器电路结构图
考虑运算放大器 正负输入端电位相等，但无电流进出，对其节点列基尔霍夫电流方程
uB uC uC
Ra
Rb
， uA uC uC uo
电阻参数对称，即
R3

R
4
R
，
a
R
5
R
6
R
则仪器放大器可获得高共模抑制比
b
(即强抗共模
电压干扰能力) 。
下面计算电路增益。由图10-7，考虑运算放大器
A1
、
A
(包括
2
所以有
ig

ui1 ui2 Rg

ui Rg
另外
uAB

uA
uB

(R1

R2

Rg )ig

(1
2R Rg )ui
2．仪器放大器集成器件
图10-7 仅是仪器放大器的原理电路，作为实际应用，往往以集成器件的形式出现， 而且还有一些实际问题需要考虑和解决。例如，电路中电阻的误差和温漂引起增益不准确、 共模抑制比下降、增益调节等。为此，下面以美国模拟器件公司(Analog Devices Inc., AD) 生产的 AD521/AD522 为例，介绍一下基本情况。
10.2.1 仪器放大器
1．电路结构与放大原理 图10-7为仪器放大器原理结构图，它由对称同相放大器和差动放大器两部分构成。其
中运算放大器 A 1、A2 和电阻 R 1 、R2 、Rg 构成对称（ R1 R2 R）同相放大器，可以获得
高输入阻抗，飘移也大为减小；运放 A3 和电阻 R 3~ R6 组成差动放大器，此时如果配置的
AD521是美国AD公司生产的一种集成测量放大器，放大倍数范围在1-1000，输入阻
抗为 3M ，工作电压范围为5-18V，共模抑制比可达120dB，具有输入输出保护功能和较
强的过载能力。图10-8是 AD521 器件的管脚接线图，放大倍数由 K RS / RG 决定。 AD521芯片的使用：AD521与变压器、热电偶和电容的连接耦合见图10-9～10-11。值
ui
R1
负号表示输入输出信号反相。
10.1.2 差动放大器 差动放大器（differential amplifier）电路
如图 10-3 所示，分别对运算放大器正负输入端 列基尔霍夫电流方程：
ui1 uN R1
uN uo R2
，
ui2 uP R1

uP R2
消去中间变量uN uP ，并设 R1 R1 ，R2 R2
10.1.1 同相和反相放大器
图10-1为同相放大器（noninverting amplifier），考虑运算放大器的正负输入端口阻抗 很大，可以认为电流不流入，且电位相等，即“虚短”。根据图10-1，由基尔霍夫电流定 律和“虚短”概念，可获得同相放大器的增益为
R1 ui
R2
R3
A uo 1 R4
经过传感器或敏感元件转换后输出的电信号一般比较微弱，而且大多数情况下信号 中还夹杂着噪声，如果将这种信号直接用于显示、记录或控制，往往会引发问题，所以有 必要对输出信号进行放大和滤波处理；另外，几乎所有传感器都存在不同程度的非线性， 有的还比较严重，难以满足应用的要求，需要对其进行线性化校正；再有，在信号的传输 过程中，为了提高信号的抗干扰能力和减小信号衰减，往往需要将电压信号转变为频率或 电流等形式；最后，在计算机测量系统和数字仪表中，还需要将传感器信号进行模／数转 换。所有这些对传感器输出信号进行的处理或转换，我们称之为传感器信号的加工与调理。 本章将讨论检测信号的放大、硬件滤波、非线性系统的硬件校正和信号变换等内容。
一个很实际的问题。下面几条可作为参考：
1．如果没有特殊要求，可选通用型。因为它种类多、价格较低、挑选余地大。实际 上，通用型中还有单放、双放、四放等多种之分，可根据实际需要确定；
2．如果传感器输出阻抗很大，例如电容式和压电式传感器可达 108 欧姆，可选高输 入阻抗型运算放大器， MOSFET 类的集成运算放大器有：CA3140 、CA3260等，FET类 的有：LF356/A、LF412、LF444 和 LM310等，它们的输入阻抗可达 106 M Ω 。
第10章 传感器信号的加工调理
【内容提示】当传感器将被测物理量转变为电信号后，通常还不便直接应用，其主要原 因包括：电信号幅度小，且大都混有、甚至淹没在噪声之中，传感器的输入和输出之间 呈非线性关系，输出信号形式与后续应用要求不匹配等，这就急切需要对传感器的输出 信号从技术上进行处理，以满足后续工作的需要。为此，本章将讨论传感器输出信号的 放大、滤波、非线性处理和信号变换等技术问题。
uC

uD

1 (E 2

uo )
图10-6 除了反馈部分，其它部分与图10-5 相似，用uC代替式（10-1）中的 E，有
uAB

uC 2(2 )
（10-4）
将式（10-4）带入式（10-2）的前一等号，有
整理得到
Rf
uo

Rf R1
uC 2(2 )

Rf R1
E
uo 2
在如图10-6所示的电路中，由于运算放大器 A2 是跟随器，所以有
uC uD
又由于流过两个电阻 R2 的电流相等，所以有
E uD uD uo
R2
R2
（10-2） （10-3）
图10-6 反馈式电桥放大器电路
此处 1 ，其大小可 RP 由来调节，它反映 uo 反馈到电桥电路的大小。由式（10-3）可 求出
10.2 测量信号放大器
测量信号放大器也叫仪器放大器（instrumentation amplifier）、数据放大器（data amplifier），其作用是对来自传感器的电信号进行放大。由于传感器输出信号电平低、内 阻高、且伴有较高的共模电压，所以对检测信号放大器的要求为：输入阻抗应该远大于信 号源内阻（即高输入阻抗），低输出阻抗，抗共模电压干扰能力强，在预定的频带范围有 稳定而较高的增益、良好的线性度，输出性能稳定。有些情况下，还要求这类放大器具备 一些特别的功能，如：放大器增益可改变、放大器输入和输出之间具有隔离功能等。下面 我们来具体讨论这些问题。
1．电桥输出与运算放大器输入端不接电阻 其具体电路如图10-4所示。根据该电路，对运算放大器正负输入端分别列基尔霍夫电流方
程，有
ub uo E ub ub
Rf
RR
，
ua ua E ua
Rf Rx
R
图10-4 电桥放大器1
图10-5 电桥放大器2
考虑：ua ub ， Rx R(1 ) R(1 ΔR / R) ，其中 ΔR / R 为传感器电阻相对变化。联立 两方程，消除中间变量 ua 、ub ， 有输出
ui
R3
R2
+
—
uo
R1
—
ui
R4
+
uo
R3
图10-1 同相放大器
图10-2 反相放大器
反相放大器（inverting amplifier）电路如图10-2所示，根据基尔霍夫电流定律和“虚
地”（因运算放大器的正输入端通过R 3 接地，且无电流，所以负输入端对地电位为零）
的概念，可得增益
A uo R2
得一提的是，使用AD521时应为偏置电流提供回路，防止输出饱和而不可控。具体做法是
图10- 8 AD521基本接线图
图10- 9 AD521与电容连接
图10-10 AD521与变压器连接
图10-11 AD521与热电偶直接连接
输入端对地有一条通路，即AD521输入端 (1、3脚) 直接或经电阻与电源的地线构成回路.
在弱信号、强干扰的测量场合，通用运算放大器代替不了仪器放大器，其主要原因是： ① 通用运算放大器抗共模干扰能力远低于仪器放大器，尤其对交流共模信号，原因是它 无法接入输入保护电路；② 为了提高抗共模干扰能力和抑制漂移影响，要求运算放大器 两输入端等效直流电阻对称；③ 仪器放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂、 对小差模信号敏感、适合远距离传来的传感器信号。
Ra
Rb
消去中间变量 ，则有
所以放大器增益为
uo

Rb Ra
(uB
uA )


Rb Ra
uAB


Rb Ra
(1
2R Rg )ui
G u o Rb (1 2R )
ui
Ra
Rg
（10-5）
从增益 G 的表达式看，改变Ra 、Rb 和Rg 均可改变 G 的大小，但实践中是通过改变 Rg 来实现 G 的变化，其原因是， Ra 或 Rb 的改变必须同时进行 R3 、R4 或 R 5 、R6 的等值改 变，否则，难以保证电路的对称性，并由此产生增益误差和共模抑制比下降。
10.1 基本放大电路
传感器的输出电信号一般都比较弱，电压为毫伏级，有的甚至为微伏级，电流为毫安 级，有的甚至为微安级。它们一般都需要用运算放大器来进行放大。
如果将传感器的输出等效为电压源，则应包括共模电压（common mode voltage ）和 差模电压（differential mode voltage）。通常，共模电压是无用信号，应进行抑制，而差模 电压是需进行放大的有用信号。所以，要求放大器有极大的差模放大倍数AD，以及极小的 共模放大倍数AC。也就是说有极大的共模抑制比（common mode repression ratio, CMRR)：
2(2 )

R1 (E 4(2 )

uo )
uo

8
E (4
Rf / Rf
R1 / R1)
调节 RP ，使 Rf / R1 4 ，则有
uo

Rf 8R1
E
以上谈了几种基本放大电路，目前集成运算放大器种类较多，例如，通用型、高输
入阻抗型、低功耗型和低漂移型等。如何选择符合要求、并且性能价格比高的放大器，是
AD522是另一款集成精密测量放大器，放大倍数为1-1000，共模抑制比可达120dB， 具有低电压漂移 ( 2μ V / oC )、低噪声（峰峰值1.5mV）和线性度好等特点。与AD521相比， AD522还具有数据防护端。
3. 如果传感器获得的电信号在毫伏级或者更微弱，可选高精度、低漂移和低噪声类 型的运算放大器，如LMP7732、AD8628/AD8629/AD8630 等；
4．对高速采样／保持、高频振荡等选用高速宽带型运算放大器，对高压输入输出场 合选高压型运算放大器，对宽范围电压控制振荡、伺服放大与驱动，可选跨导型、电流型 运算放大器。
由于 1，上式可变为
uo

Rf R
1
(1
R
E / Rf
) (1
)

uo

Rf R
E 2 R / Rf

可见，输出电压 uo与传感器电阻相对变化 成正比，即与被测物理量成正比。
2．电桥输出与运算放大器输入端接电阻 该情况的电路如图10-5所示，与图10-4比较起来，仅电桥输出与运算放大器正负输入
CMRR 20 lg AD AC
由电子技术可知，当今世界，集成运算放大器是进行信号放大的首选器件，理想运算 放大器具有共模抑制比无穷大、输入阻抗无穷大、对差模信号的开环放大倍数也为无穷大 的特点。实际集成运算放大器的增益可达 104 ~ 107 之高，输入阻抗可达几千欧至几十兆欧 之大，输出阻抗可达不大于100欧姆之小。所以，为了方便起见，人们常将实际集成运算 放大器视为理想运算放大器。尽管这样做会有误差，但很多情况下这种误差是可以接受的。 下面将电信号的基本放大电路作一简单的回顾，同时，为过渡到测量信号放大器作铺垫。