传感器及小信号放大技术专选课件

若R1= R2= R3= R4 U 0 (R R 1 )R ( R 4 ) 4 R 2 (R R 2 )R ( R 3 )U AC
增量与基值相比甚小，忽略 高阶分量，且设应变片的灵 敏系数为K，εi为应变量
B
R1
R5 A
R2
C UO
U0
UACR1 4R
R2 R
R3 R
R4 R
R6
（2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度
3. 等臂电桥的电压输出
U O U A B U A D R 1 R 1 R 2 R 3 R 3 R 4 U A C ( R 1 R 1 R R 4 2 ) R R 3 2 ( R 3 R 4 )U AC
R
D
UA
C
图6.10 R为标准电阻
UA
C
图6.11 测量电桥的公共补偿
6.3 静态电阻应变仪
静态应变仪——用于测量变化缓慢的应变信号 动态应变仪——用于测量快速变化的应变信号 动静态应变仪——兼故上述两种测量
1 交流供桥、双电桥零读数静态应变仪
供桥电 压Uab
不适用于 数字化测 试
图6.12 双电桥零读数静态应变仪
2、数字式电阻应变仪
应变电 桥 预调平衡电路
CA3140/3140A的性能特点：
（1）单电源供电：4V~ 36V，也可使用双电源 输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下0.5V
（2）输入阻抗高达1.5TΩ （3）输入偏置电流仅为10pA
可用作电压比较器
CA3140的应用
► 用CA3140组成高稳定 度直流电源
CA3086为电路提供 电压基准 2N6385电压采样
► 最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电 阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。
► 仅讨论直流供电电桥
1、测量电桥
桥臂由应变片或 标准电阻组成平衡
B R1
R5 A
R6
R4 D
R2
C UO
R3
UAC
图6.8 测量电桥的平衡调整电路
（1）当R1R4=R2R3时，电桥平衡U0=0V 常使用等臂电桥R1= R2= R3= R4
R4
R3
KUAC1234
D
4
UAC
2、全桥、半桥与半桥单片测量的温度补偿
全桥测量
半桥测量
半桥单片测量
R1处可以接多个，以测量多个 点测量点，Rt为公共补偿片
B
R1
R2
A
C UO
R4
R3
D
UA
C
图6.9 4个电阻 均为电阻应变片
B
R1
R2
A
C UO
R
R
D
B R1
A
补偿片，仅 受温度影响
Rt
C UO
R
单电源：输入电压范围-0.3V~VCC-2V：输出低电压 5mV （最大20 5mV ）~高电压VCC-1.5V
双电源：输出-VCC~VCC-1.5V （2）单电压供电时，虚地电压可设在输出摆幅的中点附近
2 . 场效应运放
特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能 力差，价格较高 。
输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议 选用场效应运放 典型器件有TL081（1路）、TL082（2路）、TL084（4路）、 CA3140/3140A
传感器及小信号放大技术
LM358/LM324的性能特点：
（1）单双电源供电：3～30V或±1.5V~ ±15V （2）输入偏置电流： 20nA（3）输入失调电流：2nA （4）直流开环增益：100dB （5）单位增益时工作频率大于1MHZ （6）驱动电流可达10mA
使用时应注意的事项：
（1）信号输入/输出的电压范围，正负不对称
用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器
C1、C2 抑制噪 声低噪 声 RP1、 RP2输 入保护
（1）高输入阻抗 （2）低噪声
图6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器
1.4 宽频带运放
频率一般在几MHz以上 特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。 应用场合：信号源的工作频率较高 典型器件：CA3140、OP27/37（8MHZ)
图6.3 作比较器用时CA3140与 TTL逻辑的接口
TL081/082/084的性能特点：
（1）双电源供电：±4V~ ±18V，建议不使用±15V以上 输入电压范围： ±15V 输出电压范围：电源电压－1.5V,正负对称
（2）输入偏置电流：极小，不超过1nA （3）工作频率较高：单增益可达3MHZ （4）无输出驱动时，电源电流仅1.4mA
Байду номын сангаас
1.5 满摆输入、输出运放
特点：输入、输出信号的幅度可以接近甚至达 到电源电压，节能，可工作于低电压。
典型器件：OP184/284/484、 0P777单/727双/747四路
0P777单/727双/747四路的特性
（1）在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为0.4uV （2）输出摆幅可达电源-1mV~+1mV （3）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至2.7V
仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器的例子
图6.6 仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器
用OP747组成的单电源低功耗仪用放大器 单极性工作，输出电压V0=100(V1-V2)
图6.7 单电源供电的微功耗仪用放大器
6.2 应变测量电路原理
► 问题提出 对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一特 性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻阻 值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大倍 数的放大。所以影响精度。
D2201电 流采样，管 压降随电流 值变化，经 放大驱动 STROBE选 通端，控制 驱动输出关 断
CA3086二 极管、三极
管阵列，
图6.4 用 CA3140 组成高稳 定度直流 电源
1.3 低噪声低漂移运放
特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。
噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命 的。对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小 的范围之内。
典型器件：OP07/27/37、0P184单/284双/484四 路
OP07/OP184/ 284/484的性能特点：
（1）电源电压： ±3V~ ±18V （2）输入失调电压温度系数仅为0.7uV /0.2uV （3）适于静态工作。在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为 0.38uV /0.3uV （4）单增益带宽0.6MHZ/ 3MHZ （5）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至1.5V