第四章 信号的转换与调理汇总

VD1 R3 A1
R4
U1
Δ Δ
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极
管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升 高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过 LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。
3
放大器的性能要求：
开环增益足够大，闭环增益可调； 输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；
共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；
足够的带宽和转换速率； 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。
（一）测量放大器电路原理
1. 反相放大器
R2
K R2 R1
Ui
R1
案例：INA114与测量电桥的连接
350Ω 350Ω
+5V
350Ω
0.1μF
27
350Ω
RP 1 INA114 6 Uo
8
34
5
-5V 0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
+5V U0 K Ui Ui VRe f
Δ Δ
R1
PIN
7
2
1 Ui
Uo 6
Rp 1
INA114 VD1 R3 A1
-
∞ +
+A
Uo
R3 R1 / / R2
R3
特点：性能稳定，但输入阻抗低。 而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。
2. 同相放大器
K 1 R2 R1
Ui
R3
∞
++
Uo
-A
R3 R1 / / R2
R1
R2
特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。
3. 差动放大器
Uid= Ui2﹣Ui1
R2
Uic=(Ui1+ Ui2)/2
Ui
Δ
Uo R3
A1 R1
A
Rp I
B
R2
Δ
Ui
A2 Uo R4
R1 R2 R3 R4
Δ
R5
A3
Uo
R6 R5 R6
Uo
(1
R1 RP
)Ui
R1 RP
Ui
Ui
Δ
Uo R3 R5 A1 R1
A
Δ
Uo
(1
R2 Rp
)Ui
R2 Rp
Ui
Rp I B
A3
Uo
Uo
Uo
(1
R1 R2 Rp
美国AD公司生产 INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 MAX4195/4196/4197：MAX公司生产
2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟
集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。
INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。
Uo
R2 R1
Ui1
(1
R2 R1
)
R4 R3 R4
Ui2
Ui1
R1
Ui2
R3
∞ -+ +A
Uo
R4 取 R1=R3，R2=R4，则
Uo
R2 R1
Uid
K R2 R1
特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。
4. 仪用放大器
A1A2：两个对称 的同相放大器，以 提高输入阻抗；
A3：差动放大器， 以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。
如果一个5欧的电阻串联在此引脚，将引起共模抑制比下降80dB
可以看到： R1 = R2 = R3 = R4 = 25K ，所以， INA114的输出为：
V0
(1
50K RG
)(Vin
Vin )
VRe
f
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
第四章 检测系统中信号的转换与调理
第一节 信号的放大与隔离 第二节 调制与解调 第三节 滤波电路 第四节 信号变换电路 第五节 线性化
1
信号转换与调理的目的：便于信号的传输与处理
1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需 要进行放大。
2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用 交流放大器放大，需要进行调制解调处理。
一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在
3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平 信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压 增益、输入阻抗和稳定性。 共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入 信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。 差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。
3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理(电桥)。 4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声， 需要进行滤波，提高信噪比。
5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进 行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。
第一节 信号的放大与隔离
)(Ui
Ui
)
Ui
Δ
R2 A2 Uo R4 R6
Uo
R5 R3
Uo
(1
R5 ) R3
R6 R4 R6
Uo
R5 R3
(Uo
Uo )
K Uo (1 R1 R2 ) R5
Ui+ Ui
RP R3
（二）集成测量放大器
1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：
INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图：
Ui RP
Ui
V
V
7
4
50kΩ K 1
Rp
2 输入
Δ
25 kΩ 25 kΩ
保护
A1
1
25 kΩ
Δ
A3
6 Uo
8 输入
3 保护
Δ
5
A2 25 kΩ 25 kΩ
REF
参考电压输出端通常接地，为了确保良好的共模抑制比，连接低阻抗，
二、隔离放大器
在隔强离电或放强大磁器干是扰指的输环境入中、，输有出静、电电耦合源、、电电磁流耦和合电及接阻地上回彼路此的 干扰隔。离所，以使除输了人将模与拟输信出号间先没经有低通直滤接波耦器合滤的掉测高频量干放扰大，器还。必隔须 合理离接放地大，器并具将有放大以器下加特上点静：电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技 术，（具1）有这能种保功护能系的统放中大器器称件作不隔受离高放共大器模。电压损害，防止高
U1
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
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R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
+5V
+5V
I U1 U2 K (Ui Ui )
R1
PIN
7
2 1
Ui
Uo 6
R4
Rp 1
INA114