双运放仪表放大器

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经过降频电路以后，数据的刷新速率变为 １６ｎｓ， 这个时间对于我们的存储器写入是足够的， 因为 时间足够长， 所以在设计时我们可以省去窄脉冲 电路的设计， 直接将系统时钟经过１６分频后产生 ８ｎｓ 的高电平和 ８ｎｓ 的低电平。 ８ｎｓ 的高电平时间 对于数据及地址切换是足够的， 可以保证数据及 地址切换的稳定 ； ８ｎｓ的低点平时间对于存储器的 数 据 写 入 也 是 充 分 的 ，使 时 序 设 计 变 得 比 较 容 易 。 利用 ＤＩＶ２ 模式建立起来的系统主要优点是： 降低了对串行移位寄存器和锁存器器件的要求； 因为数据刷新速度比较低， 在电路中可以省去窄 脉冲电路的设计， 而且整个控制系统的时序设计 变得相对容易；刷新速度的降低使得印刷版的走 线设计比第一种方法相对容易。 其 主 要 缺 点 是：因 为 整 个 系 统 需 要 １ ６ 套电 路，器 件 的 排 布 变 得 复 杂 ，在 具 体 的 实 施 过 程 中，可能遇到很多的困难；１６ 套电路的总体电流 比较大，整 个 电 路 的 功 耗 比 较 大 。
（收稿日期 ： ２００１０９１８ ）
１９９９年毕业于清华大学自动化系， 现在为该系硕士研 贾静 女， 究生， 从事超高频信息数字化技术的研究。 李 宛 洲 男， 副教授。 １９８８ 年 获 得 浙 江 大 学 博 士 学 位 。 曾任日本 东京工业大学大学院综合理工学科武者研究室客座研究员，从事１／ｆ噪声 功率谱的计算机仿真研究工作。
刘 江 男， 河北工业大学， 硕士， 从事微机自动控制及理论研 究 。 王 志 欣 男， 河北工业大学， 硕士， 从事传感器及微机自动控制 研究。 孙 以 材 男， 河北工业大学， 教授， 博士生导师， 从事半导体测 量与传感器研究。
低、稳定性好、使用方便，价格低廉等特点，有 一定的推广价值。
Ｍａｙ ２００２
参 考 文 献
［１］ Ａ ５ＧＨｚ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ ｆｒｏｎｔ－ ｅｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＨＢＴｓ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ， １９９４， ３７ （ ４） ：２６１． ［２］ Ａ Ｆａｓｔ－Ｐｕｌｓｅ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ４７ （５） ：１ ０ ３ ７ ￣ １ ０ ４ １ ． ［３］ Ｍａｘｉｍ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔｓ． Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．１９９９． ［４］ 李宛洲． 高速数字存储示波器原理与设计． 清华大学出版社． ２０００． ［５］ 庞晓晖， 胡修林． 高速数据采集及存储技术研究．华中理工大 学学报．１９９９ ． ［６］ 刘海华． 基于ＰＣ高速数据采集的存储系统的设计．中南民族 学院学报 （自然科学版） ．１９９９．
在实际应用中， 可将 Ｒ ｆ２ 用一多圈精密电位器 Ｒ Ｇ 替换，用于调节增益，使其与后续电路匹 配 。 Ｒ Ｐ 为输入保护电阻， 当放大器增益超过 １００时， 输 入保护电阻的最佳值为 １ｋ Ω 。 双运放仪表放大器是一种特殊类型的仪表放大 器。其 优 点 有 ： （１ ）输 入 阻 抗 高 ， 允 许 信 号 源 为不平衡输出阻抗； （２ ）增 益 可 以 调 节 （ 通 过 Ｒ Ｇ） ； （３ ）仅需两个通用运算放大器，从而有 较低的价格和较低的功耗。但是，双运放仪表放 大器的共模电压输入范围受增益范围的影响较大。 在低增益时如果输入共模电压范围大幅度降低， 很容易导致 Ａ １ 饱和。适用于共模信号低的场合。 针对双运放仪表放大器的共模电压不能过高的 问题，我们进行了改进，得到了圆满解决，从而 扩展了双运放仪表放大器的适用范围。 改进的结 构图如图３所示。 我们在双运放仪表放大器的输入 端增加了一级差分放大器（减法器） ，并将双运 放仪表放大器的同向输入端接地， 以此消除共模 信号，使 Ａ １ 输出只有差模信号，也就是需要放大 的信号。对 Ａ １ 进 行 电 路 分 析 可 得 其 Ａ １ 输出为： R4 U o1 = VIN2 R +R 4 3 R1 + R2 R 1 R2 − VIN1 R 1 （２）
由双运算放大器组成的双运放仪表放大器结构 图如图 ２ 。 当 Ｒ Ｎ１ ＝ Ｒ ｆ３ ＝ Ｒ ｆ１ ＝ Ｒ Ｎ２ 时，双运放仪表放大器的输 出 Ｕ ｏ ｕ ｔ 为： 2Rf3 U out = 2 × 1 + R f2 （１） × (U i2 − U i1 ) 55
１ 引言
基于微处理器的智能仪表和ＰＣ机的数据采集 系统已广泛应用于实验室、现场、制造车间等环 境。 它们都需利用传感器技术将各种非电量如温 度、应 变 、压 力 、光 转 换 为 电 信 号 ，从 而 可 进 行采集、处理或控制。而传感器产生的信号必须 经调理后才可对其进行精确、可靠的采集。信号 调理包括信号放大、滤波、隔离、多路转换等通 用功能。其中，信号放大部分属于关键环节，其 性能的好坏将直接影响到后续部分的正常工作。 本文将对放大器进行研究。 仪表放大器因其极好的性能和使用方便等优 点，广 泛 应 用 在 数 据 采 集 、医 用 仪 器 、 音 频 电 路、高速信号调节等领域。传感器信号调理中也 常采用仪表放大器的结构。 它是一种闭环增益组 件，具有一对差分输入和单端输出。与运算放大 器的不同点是， 运算放大器的闭环增益是由其反 向输入端与输出端之间连接的外部电阻决定， 而 仪表放大器则是由与输入隔离的内部反馈电阻决 定 。 仪表放大器功能框图如图 １ 所示。从图中看 出，仪表放大器的输出端有自己的参考端，这些 参考端均与地线相连， 用来驱动以地为参考的负 载。仪 表 放 大 器 的 输 入 地 和 输 出 地 都 汇 集 到 一 点，该 点 又 与 电 源“ 地 ”相 连 ，这 种 星 形 接 地 能减少电路接地环路电阻， 从而减少因接地电阻 而带来的影响。
图３ 双运放仪表放大器的改进结构
的放大器。放大器选择了超低失调、低漂移、高
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数字信号处理
精度运放 ＯＰ－０７。Ｏ Ｐ － ０ ７ 为 ８ 脚芯片，且具有调 零功能。 我们将调零点电路接在仪表放大器的后 一个运放处，可方便灵活地进行零点调整。减法 器四个电阻选择１０ｋ Ω， 选择双运放仪表放大器的 Ｒ Ｎ１ ＝ Ｒ ｆ３ ＝ Ｒ ｆ１ ＝ Ｒ Ｎ２ ＝ １ ０ ０ ｋ Ω ， Ｒ ｆ２ 选择了 １ｋ Ω 的电阻和 ５ｋ Ω 的精密电位器进行串联， 其增益调整范围是 ８０～４００，可满足设计要求。本套电路具有共模 抑制比高、高输入阻抗、失调电压和失调电流极
Ｍａｙ ２００２ 图１ 仪表放大器功能图
仪表放大器与运算放大器一样， 也是有源器 件，必须加以合适的电源才能进行正常工作，通 常用双电源或单电源供电。 仪表放大器可由一个 或多个运算放大器组成， 也可设计成单块芯片结 构。 下面针对由两个运算放大器构成的仪表放大 器进行研究。
２ 仪表放大器的双运放设计
（收稿日期 ： ２００１０８２７）
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仿真器，继而进行精确的功能和时序的后仿真， 以保证布局布线所带来的门延时和线延时不会影响 设计的性能。
器的建模， 用Ｃａｄｅｎｃｅ Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＸＬ软件对设计结 果进行了仿真验证， 从而保证了整个设计的准确 性。该 ＬＣＤ 控制器达到了预定设计目标，具有较 高的实用和参考价值。
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５ 结论
本文论述了一种 Ｓ Ｔ Ｎ Ｌ Ｃ Ｄ 控制器的设计方 案， 根据模块化的设计思想对该控制器进行了模 块划分。并用 Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 语言完成了 ＬＣＤ 控制
罗岚 南京东南大学电子工程系本科毕业， 现在东南大学电子工程 系国家ＡＳＩＣ系统工程研究中心就读研究生， 主要研究方向是超大规模 集成电路设计。
３
双运放仪表放大器实际应用中应 注意的问题
双运放仪表放大器的结构可很好地消除零点漂
图２ 双运放仪表放大器电路结构
３．１ 器件选择 移。但是由于器件不对称、电路结构设计不合理 等原因，往往不能完全消除零点漂移，严重时能 有十几毫伏的零点输出。 又由于某些传感器输出 的电信号比较微弱，仅达到毫伏级，与仪表放大 器的零点漂移在同一个数量级， 因而会对仪表放 大器造成很大误差甚至使其不能正常工作。 为解 决此问题，一方面应选择高精度、高性能器件， 如电阻选用千分之五的精密电阻， 放大器选择低 漂移、对称性高的放大器；另一方面，放大器尽 量选择有调零功能的类型， 增加调零电路从而可 方便抑制零点输出。 ３．２ 接地 在进行既有模拟电路又有数字电路的电路设计 时，地线连接方式应加以考虑。考虑不周则会影 响放大器的性能。 由于数字电路的干扰信号比较 大，若将其与放大器的参考地接在一起，会产生 较大的串模干扰，严重影响放大器的正常工作。 因此数字地应与模拟地分开布线， 只在电源处单 点将两地接在一起。 ３．３ 电源去耦 电源波动或正负电源不对称也会造成放大器输 出失真。为了进一步提高电源供电质量，应选择 高稳定度的电压源。且 为 防 止 干 扰 从 电 源 引 入 ， 应在仪表放大器电源引脚处设置去耦电容 （大于 ０ ． １ µＦ ） ，且 引 线 尽 可 能 短 以 防 止 过 长 而 产 生 干 扰 。 ３．４ 应用实例 在我们设计的智能压力仪表系统中， 由于压 力 传 感 器 的 共 模 电 压 较 大 ，而 差 模 输 出 为 毫 伏 级，最大不超过 ２０ｍＶ。因此我们选择了图 ３ 结构
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数字信号处理
因 Ａ １ 作 用 是 消 除 共 模 信 号 而 保 留 差 模 信 号 ，令 Ｒ １ ＝ Ｒ ２ ＝ Ｒ ３ ＝ Ｒ ４ ，则有 Ｕ ｏ １ ＝ Ｖ Ｉ Ｎ ２ － Ｖ Ｉ Ｎ １ ，即 是 所 需 要 的 差模信号。