第十章 传感器信号的加工调理-1

10.2 测量信号放大电路
10.2.3 隔离放大器
目的：消除共模信号电流、抗干扰。
隔离要求从信号和电源两方面同时下手，使得输入和输出之 间、电源与输入/输出之间均无直接电气联系。 输入、输出和电源彼此隔离的，称其为三端口和电源彼此之 间在电气上是隔离的，从而能有效地克服干扰。而仅输入和输 出隔离的，称其为两端（口）隔离。
传感器与检测技术
天津工业大学 电气工程与自动化学院
主讲
王红一
第10章 传感器信号的加工调理
10.1 基本放大电路
10.2 测量信号放大器 10.3 硬件滤波 10.4 非线性校正
10.5 信号变换
第10章 传感器信号的加工调理
为什么要进行信号的加工调理？ 原因：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。 方法：1 输出信号的放大 2 滤波 3 非线性处理 4 信号变换
共模抑制比可达120dB 放大倍数由 Rs/Rg 决定 值得一提的是，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：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。
10.2.1 仪器放大器
AD521芯片的使用： AD521与变压器、热电偶和电 容的连接耦合见图：
10.2.3 隔离放大器
1．变压器耦合的隔离放大器
AD289隔离放大器结构框图
10.2.3 隔离放大器
美国AD公司生产的AD289三端口变压器耦合隔离放大器，其输入、 输出和电源彼此之间在电气上是隔离的，从而能有效地克服干扰。其隔离 工作原理如下： 输入/输出信号隔离：传感器输出信号经端口⑤和①进入隔离放大器， 经滤波和放大后，调制成交流信号，并传输到T1变压器原端，通过电磁耦 合，从T1次级端输出的交流信号经解调和滤波，还原成直流信号，最后经 电压跟随器输出0~±10V 直流电压。可见，从信号进入到输出，中间经过 了T1的电磁耦合。 电源隔离：外加直流电源Us经稳压后为高频振荡器提供电源，使振荡 器产生100KHz的交流信号，经T2变压器原端耦合到次级端的四个绕组： b、 c、d 和 e 。其中 b 绕组供1号隔离电源产生±15V 直流电，作前置放大级 A1和外部使用， c 绕组作为调制器的交流电源，d 绕组供2号隔离电源产 生±15V直流电，供电压跟随器使用，e 绕组作相敏解调器的交流电源。于 是，高频电源的使用端与产生端之间是通过变压器隔离的。
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。
10.2 测量信号放大电路
10.2.1 10.2.2 仪器放大器 可编程增益放大器
10.1.1
隔离放大器
10.2 测量信号放大电路

uo
E R f / R1 8 (4 R f / R1 )
Rf E 调节Rp，使 Rf / R1 4 ，则有 uo 8 R1
10.1 基本放大电路
如何选择符合要求、并且性能价格比高的放大器？
参考建议：
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；
同相放大器
ui u o ui R3 R4
uo R4 A 1 ui R3
10.1 基本放大电路
2. 反相放大器 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R3接地，且无电流，所 以负输入端对地电位为零）的 概念，可得
ui uo R1 R2
反相放大器
uo R2 A ui R1
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
LH0084 是在仪器放大器的基础上实现的PGA。 通过软件输出相应的编码控制信号D0和D1，以选择通道。 每个控制信号同时驱动两个对称开关闭合。
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
举例来说，若编码控制信号使开关S2A和S2B闭合，则有：
Rg=8 kΩ，R=16kΩ（Rg 和 R 等含义与仪器放大器相同）。
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。
例10.1 假如编码控制信号D0和D1使S2A与S2B闭合，同时，引脚 7与10相连，12与地相连，试计算可编程测量放大器总增益。
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
解：由于S2A 和 S2B闭合，且引脚7与10相连，引脚12与地相接， 根据上图，可以确定：Rg 8 k 、 R 16 k 、 Ra 10k 、 Rb 40k (参见 仪器放大器) ，根据式
uAB E 4
Rf Rf E uo uAB R1 4 R1
10.1 基本放大电路
3．反馈式电桥放大器 运算放大器 A2 是跟随器
uC uD
又由于流过两个电阻R2 的电流相等，所以
1 uC uD ( E uo ) 2 除了反馈部分，其它部分与前页图相似，用uc代替前式中的 E uC uAB 2(2 )
负号表示输入输出 信号反相。
10.1 基本放大电路
10.1.2 差动放大器 分别对运算放大器正负输 入端列基尔霍夫电流方程：
ui1 u N u N uo R1 R2
ui2 uP uP R1 R 2
u N uP
设： R1 R1
差动放大器
R 2 R 2
uo R2 A ui2 ui1 R1
10.2.1 仪器放大器 【练习一】设有一测量信号放大器，已知电路参数如 下：R1=R2=5KΩ，Rg=100Ω，R4=R3=10KΩ， R5=R6=20KΩ，试求此放大器的增益。
10.2.1 仪器放大器
2．仪器放大器集成器件
AD521
放大倍数范围: 1-1000
输入阻抗为：
3M ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工作电压范围: 5-18V
第10章 传感器信号的加工调理
10.1 基本放大电路
10.1.1 同相和反相放大器
10.1.2 10.1.3
差动放大器 电桥放大器
10.1 基本放大电路
10.1.1 同相和反相放大器 1. 同相放大器 同相放大器，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”。 基尔霍夫电流定律和“虚短”概念，得：
E u D u D uo R2 R2
10.1 基本放大电路
3．反馈式电桥放大器 将 uAB
uC 2(2 )
Rf Rf E uAB 代入 uo R1 4 R1
得：
Rf
Rf
R f E uo R1 uC uo ( E uo ) R1 2(2 ) R1 2 2(2 ) 4(2 )
10.2.1 仪器放大器
1．电路结构与放大原理
R1 R2 R
可以获得高输 入阻抗，飘移 也大为减小
R3 R 4 R a R 5 R 6 R b
由对称同相放大器和差动放大器两部分构成
可获得高共模抑 制比 (即强抗共 模电压干扰能力)
10.2.1 仪器放大器
计算电路增益
ui1 ui2 ui ig Rg Rg
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，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 。
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；
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
输出级增益不是通过编程选择的，而是通过芯片引脚的不同接线来实现 的。为了保证较高共模抑制比，接地电阻与反馈电阻需对称使用，即引脚8 （接引脚10）和引脚11（接地）、或引脚7（接引脚10）和引脚12（接地）、 或引脚6（接引脚10）和引脚13（接地）。
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
2R G (1 ) ui Ra Rg
uo
Rb
则有：
G Rb 2R 40 2 16 (1 ) (1 ) 20 Ra Rg 10 8
所以总增益为20。 注：其中关键是正确无误地确定R、Rg和Rb
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
表10-1 LH0084增益配置表
AD521与电容连接
AD521与变压器连接
AD521与热电偶直接连接
10.2 测量信号放大电路
10.2.2 可编程增益放大器（PGA）
对于自动检测系统来说，总是希望能够根据输入量的幅度， 自动调整放大器的增益，使输出信号维持在一个合适的动态范 围，也就是实现自动量程切换。另外，在多路数据采集系统中， 经常遇到各路输入信号动态范围不相同的情况，于是希望对输 入信号幅度小的支路，放大时获得较大增益，输入信号幅度大 的支路，放大时获得较小增益，以实现尽管输入幅度范围不同， 但输出幅度范围相同。对于这些情况，需用到可编程增益放大 器了。
10.2.1 仪器放大器
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。