浮地式差分放大器及应用
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工作原理: 在放大电路的前端是压力传感器, 传感 器的输出接在放大电路的输入, 一般压力传 感器的信号在0～ 20mV 之间, 放大电路的输 出经过模拟开关送到积分器通过积分器实现
A D 转换。单片机则控制整个测量过程。
5 结 束 语
模拟运放电路在智能仪表测量设计中是 非常重要的, 这要求设计者所设计的电路不 仅具有原理上的特点, 而且设计者本身也要 有一定的实际经验, 这样才能达到比较满意 的设计效果。
2 放大器原理
图1 为一差动比例放大器, 我们看到: 这 种放大器和一般放大器有一点不同, 那就是
杨世勇 西北电业职工大学电力系讲师, 西安电子 科大硕士研究生。 刘建平 武警技术学院, 西安交通大学博士。 张忠武 西北电业职工大学电力系主任。 本文于1997年9月23日收到。
图1 浮地式比例放大器
参 考 文 献
1 方建淳18098单片机原理与应用技术1天津科学 技术出版社, 19901
2 许宜生1自动检测仪表电子电路设计1原子能出版 社, 19821
(上接第52页) 应用中, 我们选运放 A 1、A 2 型号为 ICL 7650, 其温度漂移低, 精度高, 前置分辨率可 小于±1ΛV , 失调电压仅0101ΛV ℃, 共模抑 制比达130dB [2 ]。电阻 R 1 = R 4 = 100k8 , R 2 = R 3 = 750k8 选用 R E 系列高精密电阻, 温漂 系数低于5ppm , 这样, 放大系数为: 1+ R 4 R 3 = 134, 可以满足测量放大的实际需要。
1 引 言
在工业测量与控制智能化仪器中, 从传 感器来的被测物理量 (压力、流量、温度等) 的 电信号往往很小, 无法直接送到积分器实施 A D 转换, 需要先对这些模拟小信号进行放 大处理。差动比例放大器的主要用途就是从 大的共模信号中提取并放大差模信号[1], 因 此, 它广泛用于电桥中不平衡信号的检测及 传感器的差值信号放大[1]。基于这一事实, 我 们介绍一种压力测量仪表中使用的“悬浮”式 差动比例放大器。
参考文献
1 李永敏主编. 检测仪器电子电路. 西北工业大学 出版社, 1987.
2 李朝清编. 单片机原理及接口技术. 北京航空航 天大学出版社, 1994.
— 55 —
第二部分: (1 - R 2R 4 R 1R 3)U i1 为放大 器共模增益, 这部分是我们所不期望的。
第三部分: (R 2R 4 百度文库 1R 3)U △ 为放大器的 调零输出, 这部分与“浮地”有关系。
为了使比例差分放大器抑制共模增益, 令
(1 -
R R
2R 1R
4 )U
3
i1
=
0
即:
R R
2R 1R
稳定, 这就要求前端放大器线性好、稳定、共
模抑制性好等。
(下转第55页)
图4 主程序流程图
对称, 即 x ( t) 只含奇次项, 因此只需知道奇
次波系数 an、bn 以及 A n=
a
2 n
+
bn2
离散化后:
∑ an =
N
1 -
1
N i=
1
x
ico
s
2Πn
T
ti
∑ bn =
N
1 -
1
N i=
可求出放大器的共模抑制比 CM R R F , 即:
CM R R F =
CM R R R × CM R R CM R R R + CM R R
(5)
由式 (5) 可得到:
①选择共模抑制比高的集成运算放大
器, 可以提高放大器的抑制共模性能。
②所选用的电阻精度要高, 而且有关电
阻匹配性要好。这样, 由电阻所引起共模抑制
Yang Sh iyong L iu J ianp ing Zhang Zhongw u
(North W est Electr ic ity Profess ion Un iv. )
Abstract A floa t ea rthed differen tia l am p lifer cu rcu it is p resen ted, w h ich is h igh in stab ili2 ty and CM RR , and low in floa ting. F ina lly, its app lica tion is illu stra ted w ith an exam p le. Keywords am p lifer, m ea su rem en t, circu it, app lica tion
在图1中, U i1、U i2为从传感器来的差分信 号, U o 为两级运放的输出, A 1、A 2为运算放大 器。设: U 1为 A 1的输出电压。则:
— 51 —
U 1 - U i1 = U i1 - U △
R2
R1
(1)
U o - U i2 = U i2 - U 1
R4
R3
(2)
联立 (1)、(2) 两方程, 得
比例放大电路的有限共模抑制比完全是由电
阻的匹配误差产生的, 把这个共模抑制比记
作 CM R R R。其次, 设电阻匹配是理想的, 即 CM R R R →∞, 但运算放大器不是理想的, 于
是电路的共模抑制性能完全由 CM R R 决定,
如果能够计算出 CM R R R , 然后再把 CM R R 考虑进去, 那么根据参考文献[ 1 ], 我们最终
Uo =
(1 +
R R
4)
3
(U
i2
-
U i1) +
(1 -
R R
2R 1R
4)U
3
i1
+
R R
2R 1R
4U
4
△
(3)
由式 (3) 可以看出, 整个放大电路的输出包括
三个部分:
第一部分: (1 + R 4 R 3) (U i2 - U i1) 为传
感器输出信号的差模放大增益, 这正是我们
所期望的。
1
x
i sin
2Πn
T
t
i
A n = an + bn 单片机工作的机器周期为恒定值, 采用 定时采样程序对电网信号进行采样, 则相邻 两个采样点的时间间隔为固定值。因此, 每个 信号周期内采样的点数也是一定的, 为提高 采样数据的精度, 在主频为12M H z 的情况 下, 每个周波内为180点的采样速率。 系统软件采用模块结构, 全部软件包括 采集、计算、显示等程序。主程序框图如图4所 示。
电子科技 1998年4月 第2期 (总第44期)
浮地式差分放大器及应用
杨世勇 刘建平 张忠武
摘 要 文中提出了一种浮地式差分放大电路, 它具有高稳定性和共膜抑制比 (CM RR )、低 漂移等优点。最后给出了它的一个应用。 关键词 放大器, 测量, 电路, 应用。
Floa t
Earthed D ifferen tia l Am pl ifer and its Appl ica tion
3 性 能 分 析
在不考虑电路中的其它因素情况下, 假 如我们所构成的放大电路的元器件都是理想 的, 那么式 (4) 无疑给出了一个完美的结果, 但实际中这种情况是不可能实现的。下面, 我 们从元器件引起的误差角度出发, 来分析放 大电路的抑制共模性能。
— 52 —
首先, 设集成运算放大器 A 1、A 2 是理想 的, 其本征共模抑制比 CM R R →∞, 则差动
4 3
=
1 R 2R 4 =
R 1R 3
实际选取: R 1 = R 4 R 2 = R 3
则整个电路输出:
Uo =
(1 +
R R
4)
3
(U
i2
-
U i1) + U △
(4)
其中: U △为“悬浮”地, 它的电位并不等
于真正的“地”电位。
由式 (4) 可以看出: 放大电路的输出在模
拟地附近与传感器输出成正比。
“浮地”的。即: 放大器输出被“浮”在一基准电 位上, 这个电位通常叫做“模拟地”。这种方法 在许多测量场合是经常用到的, 其目的主要 是可以调整放大器工作在好的线性范围; 另 一方面, 将放大器“悬浮”在某一电位上, 该电 位往往和传感器的电源以及A D 积分器的 基准源都是从同一基准电源提取。这样, 即使 电源有微小的波动, 而整个测量仪表的各个 部分的基准都做同向的变化, 从这一点来讲, “浮地”有利于抗电源干扰波动, 提高仪表的 测量精度。
比下降可以减少。
当然, 引起放大电路性能下降的原因很
多, 比如: 运算放大器的非线性、漂移等, 有关
这方面的知识, 读者可参阅相关资料。
4 典 型 应 用
图2为该放大器在智能压力测量仪表中
图2 测量仪表的简单框图
的一个应用。在测量中, 如果要求的精度比较
高, 那么放大电路这部分就非常关键, 因为放
大电路引起的微小变化, 则会使A D 采样不
A D 转换。单片机则控制整个测量过程。
5 结 束 语
模拟运放电路在智能仪表测量设计中是 非常重要的, 这要求设计者所设计的电路不 仅具有原理上的特点, 而且设计者本身也要 有一定的实际经验, 这样才能达到比较满意 的设计效果。
2 放大器原理
图1 为一差动比例放大器, 我们看到: 这 种放大器和一般放大器有一点不同, 那就是
杨世勇 西北电业职工大学电力系讲师, 西安电子 科大硕士研究生。 刘建平 武警技术学院, 西安交通大学博士。 张忠武 西北电业职工大学电力系主任。 本文于1997年9月23日收到。
图1 浮地式比例放大器
参 考 文 献
1 方建淳18098单片机原理与应用技术1天津科学 技术出版社, 19901
2 许宜生1自动检测仪表电子电路设计1原子能出版 社, 19821
(上接第52页) 应用中, 我们选运放 A 1、A 2 型号为 ICL 7650, 其温度漂移低, 精度高, 前置分辨率可 小于±1ΛV , 失调电压仅0101ΛV ℃, 共模抑 制比达130dB [2 ]。电阻 R 1 = R 4 = 100k8 , R 2 = R 3 = 750k8 选用 R E 系列高精密电阻, 温漂 系数低于5ppm , 这样, 放大系数为: 1+ R 4 R 3 = 134, 可以满足测量放大的实际需要。
1 引 言
在工业测量与控制智能化仪器中, 从传 感器来的被测物理量 (压力、流量、温度等) 的 电信号往往很小, 无法直接送到积分器实施 A D 转换, 需要先对这些模拟小信号进行放 大处理。差动比例放大器的主要用途就是从 大的共模信号中提取并放大差模信号[1], 因 此, 它广泛用于电桥中不平衡信号的检测及 传感器的差值信号放大[1]。基于这一事实, 我 们介绍一种压力测量仪表中使用的“悬浮”式 差动比例放大器。
参考文献
1 李永敏主编. 检测仪器电子电路. 西北工业大学 出版社, 1987.
2 李朝清编. 单片机原理及接口技术. 北京航空航 天大学出版社, 1994.
— 55 —
第二部分: (1 - R 2R 4 R 1R 3)U i1 为放大 器共模增益, 这部分是我们所不期望的。
第三部分: (R 2R 4 百度文库 1R 3)U △ 为放大器的 调零输出, 这部分与“浮地”有关系。
为了使比例差分放大器抑制共模增益, 令
(1 -
R R
2R 1R
4 )U
3
i1
=
0
即:
R R
2R 1R
稳定, 这就要求前端放大器线性好、稳定、共
模抑制性好等。
(下转第55页)
图4 主程序流程图
对称, 即 x ( t) 只含奇次项, 因此只需知道奇
次波系数 an、bn 以及 A n=
a
2 n
+
bn2
离散化后:
∑ an =
N
1 -
1
N i=
1
x
ico
s
2Πn
T
ti
∑ bn =
N
1 -
1
N i=
可求出放大器的共模抑制比 CM R R F , 即:
CM R R F =
CM R R R × CM R R CM R R R + CM R R
(5)
由式 (5) 可得到:
①选择共模抑制比高的集成运算放大
器, 可以提高放大器的抑制共模性能。
②所选用的电阻精度要高, 而且有关电
阻匹配性要好。这样, 由电阻所引起共模抑制
Yang Sh iyong L iu J ianp ing Zhang Zhongw u
(North W est Electr ic ity Profess ion Un iv. )
Abstract A floa t ea rthed differen tia l am p lifer cu rcu it is p resen ted, w h ich is h igh in stab ili2 ty and CM RR , and low in floa ting. F ina lly, its app lica tion is illu stra ted w ith an exam p le. Keywords am p lifer, m ea su rem en t, circu it, app lica tion
在图1中, U i1、U i2为从传感器来的差分信 号, U o 为两级运放的输出, A 1、A 2为运算放大 器。设: U 1为 A 1的输出电压。则:
— 51 —
U 1 - U i1 = U i1 - U △
R2
R1
(1)
U o - U i2 = U i2 - U 1
R4
R3
(2)
联立 (1)、(2) 两方程, 得
比例放大电路的有限共模抑制比完全是由电
阻的匹配误差产生的, 把这个共模抑制比记
作 CM R R R。其次, 设电阻匹配是理想的, 即 CM R R R →∞, 但运算放大器不是理想的, 于
是电路的共模抑制性能完全由 CM R R 决定,
如果能够计算出 CM R R R , 然后再把 CM R R 考虑进去, 那么根据参考文献[ 1 ], 我们最终
Uo =
(1 +
R R
4)
3
(U
i2
-
U i1) +
(1 -
R R
2R 1R
4)U
3
i1
+
R R
2R 1R
4U
4
△
(3)
由式 (3) 可以看出, 整个放大电路的输出包括
三个部分:
第一部分: (1 + R 4 R 3) (U i2 - U i1) 为传
感器输出信号的差模放大增益, 这正是我们
所期望的。
1
x
i sin
2Πn
T
t
i
A n = an + bn 单片机工作的机器周期为恒定值, 采用 定时采样程序对电网信号进行采样, 则相邻 两个采样点的时间间隔为固定值。因此, 每个 信号周期内采样的点数也是一定的, 为提高 采样数据的精度, 在主频为12M H z 的情况 下, 每个周波内为180点的采样速率。 系统软件采用模块结构, 全部软件包括 采集、计算、显示等程序。主程序框图如图4所 示。
电子科技 1998年4月 第2期 (总第44期)
浮地式差分放大器及应用
杨世勇 刘建平 张忠武
摘 要 文中提出了一种浮地式差分放大电路, 它具有高稳定性和共膜抑制比 (CM RR )、低 漂移等优点。最后给出了它的一个应用。 关键词 放大器, 测量, 电路, 应用。
Floa t
Earthed D ifferen tia l Am pl ifer and its Appl ica tion
3 性 能 分 析
在不考虑电路中的其它因素情况下, 假 如我们所构成的放大电路的元器件都是理想 的, 那么式 (4) 无疑给出了一个完美的结果, 但实际中这种情况是不可能实现的。下面, 我 们从元器件引起的误差角度出发, 来分析放 大电路的抑制共模性能。
— 52 —
首先, 设集成运算放大器 A 1、A 2 是理想 的, 其本征共模抑制比 CM R R →∞, 则差动
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=
1 R 2R 4 =
R 1R 3
实际选取: R 1 = R 4 R 2 = R 3
则整个电路输出:
Uo =
(1 +
R R
4)
3
(U
i2
-
U i1) + U △
(4)
其中: U △为“悬浮”地, 它的电位并不等
于真正的“地”电位。
由式 (4) 可以看出: 放大电路的输出在模
拟地附近与传感器输出成正比。
“浮地”的。即: 放大器输出被“浮”在一基准电 位上, 这个电位通常叫做“模拟地”。这种方法 在许多测量场合是经常用到的, 其目的主要 是可以调整放大器工作在好的线性范围; 另 一方面, 将放大器“悬浮”在某一电位上, 该电 位往往和传感器的电源以及A D 积分器的 基准源都是从同一基准电源提取。这样, 即使 电源有微小的波动, 而整个测量仪表的各个 部分的基准都做同向的变化, 从这一点来讲, “浮地”有利于抗电源干扰波动, 提高仪表的 测量精度。
比下降可以减少。
当然, 引起放大电路性能下降的原因很
多, 比如: 运算放大器的非线性、漂移等, 有关
这方面的知识, 读者可参阅相关资料。
4 典 型 应 用
图2为该放大器在智能压力测量仪表中
图2 测量仪表的简单框图
的一个应用。在测量中, 如果要求的精度比较
高, 那么放大电路这部分就非常关键, 因为放
大电路引起的微小变化, 则会使A D 采样不