自动检测技术第四章 信号的转换与调理

R1 Uo Us R2
对简单同相或反相输入接法，由 于电路结构不对称，抵御共模干扰 的能力很差 。

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差动测量放大器电路 如图所示： 从电路图可知：
U o1 U 1(1
U o 2 U 2(1
2 R1 ) Rp
Uo

Rf Rf 2 R1 (U o 2 U o1 ) (1 )(U 2 U 1) R R Rp
表 4-2 数字量 Di 与放大器增益关系

表4-2列出数字量Di与程控增益放 大器的增益A的关系。Di为全0， 开环；Di为全1，增益为 1024 。
1023
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3、利用集成测量放大器与模拟开关组合的PAG


由于集成测量放大器具有高 共模抑制比、高输入阻抗、 低漂移等优点，只需改变一、 二个电阻可调整增益而不影 响其性能。因此，可利用模 拟开关与测量放大器组合成 程控增益放大器。 图4-11所示为利用AD521测 量放大器与模拟开关 CD4052组合。软件控制D0， D1选择不同的外接电阻RG 调整增益。
2 R1 ) Rp
其增益为：
Au Uo Rf 2 R1 (1 ) U 2 U1 R Rp
这种电路是由三个放大器构成的，差动输入端与是两个输入阻抗 和电压增益对称的同相输入端。由于性能对称,其漂移将大大减少， 加上高输入阻抗和高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测 量远距离传输信号，因而适宜与传感器配合使用。
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2. 实用测量放大器

采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路 结构简单、成本低等优点 。 AD521和AD522是AD公司推出的单片精密测量放大器。
（1）AD521
AD521是第二代测量放大器， 具有高输入阻抗、低失调电压、 高共模抑制比等特点。其增益 可在0.1～103之间调整，增益 调整不需精密外接电阻，各种 增益参数已进行了内部补偿； 有输入输出保护功能,有较强的 过载能力。其使用温度在25℃～+85℃之间,常用于0～ +70℃。
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4、利用仪用放大器实现的PAG

LH0084是一种通用性很强的放大器。通过软件调节增益，使A/D转换器满量 程信号达到均一化，大大提高了测试精度。图4-12所示为LH0084程控增益放 大器。其内部电路由可变增益输入级、差分输出级、译码器、开关驱动器和 电阻网络等组成。其总增益为

在强电或强电磁干扰的环境中，传感器输出的电信号不可避 免地混有静电耦合、电磁耦合以及接地回路等干扰信号。

在测试系统中，除了将模拟信号先经低通滤波器滤掉部分高 频干扰外，还必须合理地处理接地问题，并将放大器加上静 电屏蔽和电磁屏蔽，称做隔离放大技术，具有这种功能的放 大器称做隔离放大器。
隔离放大器是指输入、输出、电源、电流和电阻上彼此隔离， 使输入与输出间没有直接耦合的测量放大器。隔离放大器具 有以下特点：
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（2）AD522 2 /℃； AD522 主要指标为低电压漂移， V 低非线性，增益 G 100 时为 0.005 ；高共 模抑制比，增益G 1000 时大于 110dB；低噪 声，带宽 0.1Hz ~ 100 Hz 间为1.5 V ；低失调电 100 压， V。主要用于恶劣环境下高精度数据 采集（12位采集位数）系统中。
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图4-7所示为利用改变反馈电阻实现 量程变换的可变换增益放大器电路 原理图。当开关 K 1 ， K 2 ， 3 K 中之一闭合，其余两个则断开。放 大器增益为
Ri Auf R
(i 1,2,3)
利用软件对开关闭合进行选择，实现程控增益变换
下面介绍几种程控增益放大器。
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1、利用多路模拟开关与反馈电阻组合的PAG

集成模拟开关是指在一个芯片上包含多路模拟开关。目前已研 制出的多种类型集成模拟开关，以采用CMOS工艺的多路模拟开 关应用最广。多路模拟开关主要有四选一，八选一，双四选一， 双八选一和十六选一等五种。它们除通道数和引脚排列有些不 同外，其电路组成及工作原理基本相同。 下面以 单端八通道模拟开关CD4051为例，说明多路模拟开关 的工作原理。CD系列电源电压；导通电阻最大值。 CD4051是集成CMOS的八选一多路模拟开关。每次只选一路 与公共端接通。通道选择根据输入信号地址和INH端来控制。 按真值表4-1，代码均可用TTL/DTL或COMS电平。图4-8为引 脚图。
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1、284型隔离放大器

采用调制式放大方式，其内部分为输入、输出和电源三个彼 此完全隔离的部分，并且由低泄漏高频载波变压器耦合在一 起。这样可以提高微电流和低频信号的测量精度，减少漂移。
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2、GF289集成隔离放大器
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3、光电隔离放大系统
它的输入量是电流，输出量也是电流，可使两者之间从电气上看却是绝缘的
图 4-16 光耦合器 1－发光二极管 2－引脚 3－金属外壳 4－光敏元件 5－不透光玻璃绝缘材料 6－气隙 7－黑色不透光塑料外壳 8－通明树脂
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图4-6数据防护端13接到屏蔽罩上；输入端1与3为高阻抗输入 端；端2与14接增益调整电阻，调整放大倍数；采样端12与输 出端7相连，基准（参考）端11与电源公共端相连，则负载两 端（输出端与电源公共端）得到输出电压。图中信号地与电源 公共端（电源地）必须相连，以使放大器的偏置电流构成通路， 负载电流经基准端流回电源地。
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GF289是典型的隔离放大器。 它的特点是三端口隔离，即输入、输出、电源的三个“地” 是相互隔离的。能抗高共模电压（1500V），具有高共模抑 制比、高精度、低漂移等特性。 从图中可以看出，外加直流电源经稳压后为高频振荡器提供 电源，可产生的交流信号。 振荡器的输出越过隔离层耦合分成两路：一路到输入部分， 即隔离电源1#；另一路到输出部分，即隔离电源2#作为相敏 解调信号。隔离电源1#提供的电流，一部分作为输入放大器 输出电压的调制信号；另一部分可产生的浮空电源。 被测信号在输入部分经滤波放大被调制成交流信号，然后耦 合到输出部分；再经解调、滤波及放大，输出的直流信号。
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表4-3为不同增益的相应端连接方式。
表 4-3 表 LH0084 的增益和连接
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利用程控增益放大器可进行量程自动切换，特别是当被测量动 态范围较宽时，使用PGA更显示出优越性。
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三、隔离放大器
R 4 R5 R 6 R 7 R10 R12 Au (1 )( ) R1 R 2 R3 R8
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为了保持器件的总增益精度，A3 的反馈电阻与差动级输人 电阻 R8 之比应保持很高精度，为保持输出级的高共模抑制 比，接地电阻 ( R11 R13) ， 11 R13 R15) ， R11 必须与所用的反 (R 馈电阻匹配。 从图看出，开关网络由译码器和开关驱动器及两个四通道模 拟开关组成。通过软件控制D0、D1选择通道。每个控制信 号可同时驱动对称的两个开关工作，以保证电路参数对称地 变化，获得不同的输入级增益。为保证正常工 作 ， R2 R3, R4 R5， R6 R7 。
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1）能保护系统中器件不受高共模电压损害，防止高压对低 压信号系统的损坏； 2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏置电 流回路； 3）共模抑制比高，能对直流和低频信号准确安全地测量。 隔离放大器由输入部件、调制和解调部件、耦合部件和输 出部件组成。 隔离放大器的耦合方式主要有两种：变压器耦合和光电耦 合。利用变压器耦合实现载波调制，具有较高的线性度和 隔离性能，但其频带宽度一般小于。利用光电耦合实现载 波调制，可获得频带宽度，但耦合性能不如变压器耦合。
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在使用AD521（或其它任何测量放大器）时，要特别注意 为偏置电流提供回路，防止放大器输出饱和。 图4-4为不同耦合方式的输入信号采用不同的偏置电流回路 接线方式。
R
图4-4（a）为电容器耦合方式，通过电阻为偏置电流提供回路，
使输入端与电源地构成回路；
图4-4（b）为变压器耦合方式，输入端与电源地相连构成回路； 2013-7-26 山东科技大学 图4-4（c）为热电偶直接耦合。
0 0
AD522 的一个主要特点是设数据防护端。 图4-5为AD522 典型接线图。
图4-6为AD522 的典型应用电路，用于电桥 放大器。
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数据防护端的作用：提高交流输入时的共模抑制比。对于远距离 传感器输入的电信号，通常采用屏蔽电缆传送到测量放大器。电 缆分布参量会使输入信号产生相移。当出现交流共模信号时，这 些相移将使共模抑制比下降。利用数据防护端13，可提供输入信 号的共模分量，用来驱动同轴输入电缆的屏蔽层，从而克服上述 影响。
近年来，线形光耦合器的性能不断提高，误差可以小于千分之几。 图4-17是采用线性光耦合器的前置放大电路。
图4-17 采用线性光耦合器的前置放大电路 1－信号源 2－预防大电路 3－线性光电耦合器件 4－放大器 5、6－隔离式电源
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源自文库
第二节 信号转换电路
一、电压-电流变换器 功能：将输入的电压信号转换成电流信号输出。 作用：当检测装置输入信号为远距离现场传感器输出的电压 信号时，为了有效地抑制外来杂散电压信号的干扰，常把传 感器输出的电压信号经电压-电流变换电路转换成具有恒流 特性的电流信号输出，而后在接收端再由电流-电压变换电 路还原成电压信号。
Ri RWi Auf R
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(i 1,2,,8)
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2、利用D/A转换器构成的PAG

图4-10所示为由10位D/A转换器 构成的程控增益放大器。把反馈 电阻 R feb 作为信号Ui输入端，而 反馈从D/A转换器的参考电压UR 端引入。其增益为:
Au Uo 1024 Ui Di

第四章 信号的转换与调理
第一节 信号的放大与隔离 第二节 信号转换电路 第三节 信号的处理
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第一节

信号的放大与隔离
一、测量放大器
测量放大器 ：具有很高的共模拟制比以及高增益、低 干扰和高输入阻抗的放大器成为测量放大器。



1. 测量放大器电路原理： 微弱信号的放大如图所示，其 输出为：
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二、程控增益放大器
由于被测量在较大的范围内变化，如果较小的模拟信号也放大成较大的 信号，显然只使用一个放大倍数的放大器是不行的。因此，在模拟系统 中，为放大不同的模拟信号，需要使用不同放大倍数。为了解决上述问 题，工程上采用改变放大器放大倍数的方法解决。在微机控制的测试系 统中，希望用软件控制实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器称 做程控增益放大器PAG。 利用程控增益放大器与A/D转换器组合，配合软件控制实现输出信号的 增益或量程变换，间接地提高输入信号的分辨率。 程控增益放大器应用广泛，与加法A/D转换电路配合构成减法器电路； 与乘法D/A转换器配合构成程控低通滤波器电路，用以调节信号和抑制 干扰等。
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C 0 0 0 0
B 0 0 1 1
A 0 1 0 1
INH 0 0 0 0
COM 0 1 2 3
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图4-9所示为由多路模拟开 关CD4051 与一组反馈电 阻 R1 ~ R8 组合成的程控增 益放大器。其中可变电 RW 1 ~ RW 8 阻是为抵消模拟开关 导通电阻和反馈电阻的阻值 与增益不匹配。 A, B, C 为开关导通地址选 择位，由程序控制 Y 0 ~ Y 7 共八个通道。增益为