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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 信号预处理电路,信号放大电路,1 信号预处理（调理）目的,:,对传感器输出的电信号预先进行一次处理(或调理)，以提高信号的质量，完成归一化。,2 信号预处理输出电路输出信号要求,（1）输出幅度达到国家标准,电压05V，电流420mA,（2）限制信号的频率范围,既满足系统性能要求，又可以最大限度降低对采样保持电路和ADC的要求，以优化系统设计。,一 概 述,信号放大电路：,幅度放大,微弱、动态范围不一致,滤波电路：,频率滤波,各种干扰、采样频率,其它调理电路,校正、补偿、检波、变换,3 信号预处理电路的组成,4 对信号放大电路的基本要求,输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；,一定的放大倍数和稳定的增益；,低噪声；,低输入失调电压和输入失调电流以及低漂移；,足够的带宽和转换速率；,高共模输入范围和高共模抑制比；,可调的闭环增益；,线性好、精度高；,成本低。,集成运放是一种,多级,直接耦合,的,高增益,放大电路。,输入级,采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围；,5 集成运放的输入级采用差放电路,直接耦合方式的优缺点,低频特性比较好：,直接耦合既可以放大交流信号，也可以放大变化缓慢的信号，还可以反映信号直流电平的变化。,便于集成：,电路中没有电容和电感，只有管子和电阻。,设计、计算和调试不便：,因为直接耦合方式是前后级直接相连，使各级的静态工作点不是独立的，会相互影响。,零点漂移问题,电路的输入端短路时，输出电压应为某一初始值(用正、负电源供电时，一般要求为零)，而且应该不变。实际上，随着时间的迁移，输出电压会偏离初始值而作缓慢的随机的变动。这种现象就叫做零点漂移，简称零漂。,产生零点漂移的原因,元件参数变化,电源电压波动,晶体管参数随温度的变化是主要原因,U,BE,、I,CBO,三个参数都与温度有关,零点漂移问题的严重性及抑制方法,采用恒温措施；,采用补偿法，采用热敏元件或二极管等；,设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移互相抵消。,在运算放大器中，广泛采用差动放大电路来抑制零漂。,差分放大电路,是把两个输入信号分别输入到放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。,差分放大电路,是集成运放的主要组成单元，其基本特征有2个,：,（1）对称；（2）长尾。,二 差分放大电路,电路特点：,（1）理想对称电路；,（2）共用射极电阻R,e,；,（3）两输入端、两输出端；,静态时(u,i1,=u,i1,=0)的特点：,（1）V,C1,=V,C2,；,（2）u,o,=0；,四种工作方式,双端输入双端输出；双端输入单端输出,单端输入双端输出；单端输入单端输出,1 静态分析,温度,T,I,C,I,E,=2,I,C,U,E,U,BE,I,B,I,C,R,E,的作用,设,u,i,1,=,u,i,2,=0,自动稳定,R,E,具有强负反馈作用,抑制温度漂移，稳定静态工作点。,Q,点的计算,直流通路,I,C,1,=,I,C,2,=,I,C,=,I,B,U,C,1,=,U,C,2,=,U,CC,I,C,R,C,U,E,1,=,U,E,2,=,I,B,R,B,U,BE,U,CE,1,=,U,CE,2,=,U,C,1,U,E,1,差模,(differential mode),输入,u,i,1,=-,u,i,2,=,u,id,/2,共模,(,c,ommon mode),输入,u,i,1,=,u,i,2,=,u,iC,差模电压,放大倍数:,共模电压,放大倍数:,2 差放的输入信号分类,任意输入,u,i,1,u,i,2,，都可分解成一对差模分量和共模分量,例:,u,i,1,=20 mV,u,i,2,=10 mV,则：,u,id,=10mV,u,ic,=15mV,差模信号,共模信号,差模信号通路,3 差放的差模放大作用,但双端输入可减小共模输入。,这个作用称为共模负反馈。,在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。,集成运放是一种多级直接耦合的高增益放大电路。,足够的带宽和转换速率；,四个电阻匹配难，CMRR不高,四 隔离放大电路,可编程增益放大器的基本电路,ud=ui ,uc=0,放大倍数,单边差模放大倍数:,T,1,单边微变等效电路,u,od,1,R,B,B,1,E,C,1,R,C,i,b,1,u,i,1,r,be,1,i,b,1,把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。,（1）恒流源相当于阻值很大的电阻。,UC1=UC2=UCCICRC,便于集成：电路中没有电容和电感，只有管子和电阻。,例:ui1=20 mV,ui2=10 mV,RE 具有强负反馈作用,Y0 Y1 Y2 Y3,输入级采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围；,6 恒流源式差放电路,微弱、动态范围不一致,两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相同；,信号放大电路：幅度放大,4 对信号放大电路的基本要求,微弱、动态范围不一致,AD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，只需外接一个电阻就可以设置13000范围的增益，且调节方便。,若差动电路带负载,R,L,(,接在,C,1,与,C,2,之间),对于差动信号而言，,R,L,中点电位为,0,所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,差模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相反。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相反；因此，双端输出的电压增量是单端输出电压增量的两倍。此时，长尾的电流增量和电压增量皆为零，这意味着,长尾对差模信号而言，电阻值为零，,这样，两管的发射极均为地电位，相当于标准共射放大电路，所以,差放对差模信号具有放大作用,。,r,od,=2,R,C,输入电阻：,输出电阻：,输入输出电阻,4 差放的共模抑制作用,共模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相同。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相同；因此，双端输出的电压增量为零。在共模下，长尾的电流增量是单管的两倍，它将削弱对输入共模信号的放大作用。这个作用称为,共模负反馈,。电路匹配精度越高，长尾电阻越大，共模抑制能力就越强。,R,E,对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于,R,E,的负反馈作用，使,I,E,基本不变）,。,u,C,i,c,1,、,i,c,2,i,RE,、,u,RE,共,模信号通路,T,1,单边微变等效电路,R,C,R,B,2,R,E,i,c,1,u,c,1,u,c,2,i,b,1,i,b,1,i,e,1,r,be,1,K,CMRR,A,C,0,负载,不影响,影响共模放大倍数吗？,共模抑制比,反映放大电路综合性能,理想：,实际：80140,dB,5 差放电路总输出,6 恒流源式差放电路,电路结构:,（1）恒流源相当于阻值很大的电阻。,（2）恒流源不影响差模放大倍数。,（3）恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用,R,O3,很大,见P,162,7 差放电路的几种接法,输入端,接法,双端,单端,输出端,接法,双端,单端,双端输入双端输出：,A,d,=A,d,半,双端输入单端输出：,u,i,1,+U,CC,u,i,2,u,o,C,1,B,1,C,2,E,B,2,R,C,T,1,R,B,R,C,T,2,R,B,I,C,3,-,U,EE,差分放大电路动态性能指标,对,A,d,而言，双端输入与单端输入效果是一样的。但双端输入可减小共模输入,。,u,i,1,+U,CC,u,i,2,u,o,C,1,B,1,C,2,E,B,2,R,C,T,1,R,B,R,C,T,2,R,B,I,C,3,-,U,EE,i,b,2,i,b,1,u,d,=,u,i,u,c,=0,双端输入：,u,i,1,=-,u,i,2,=0.5,u,i,u,d,=,u,i,u,c,=0.5,u,i,单端输入：,u,i,1,=,u,i,，,u,i,2,=0,8 集成运放差动放大器,基本电路 共模与差模输入,R,3,u,o,R,4,u,i2,R,1,-,+,+,N,1,R,2,u,i1,R,3,u,o,R,4,u,i,d,/,2,R,1,-,+,+,N,1,R,2,u,i,d,/,2,u,ic,u,o,=,R,4,(1+,R,3,/,R,1,)/(,R,4,+,R,2,),u,i2,(,R,3,/,R,1,),u,i1,若,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4，,则,u,o,=(,R,3,/,R,1,)(,u,i2,-,u,i1,),即,只对差模信号进行放大,若放大器只有共模信号作用，则有,u,oc,=,R,4,(1+,R,3,/,R,1,)/(,R,4,+,R,2,),u,ic,(,R,3,/,R,1,),u,ic,当,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,时，,u,oc,=0,即,输出信号中无共模信号成分,一般应用中，信号放大只要通过差动放大电路即可满足需求，但基本差放电路的精密度较差（,输入阻抗低、共模抑制性差,），且变更放大增益时需调整两个电阻。测量（仪用）放大电路则无以上缺点。,测量放大器是信号采集与调节系统输入端的第一个电路，其主要功能是,高精度放大、测量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量,。,三 测量（仪用）放大器电路,提高输入阻抗,四个电阻匹配难，CMRR不高,1 三运放测量放大电路,先放大差模信号，,可降低后级的要求。,高输入阻抗、高CMRR、低漂移,后级主要起匹配作用，提高CMRR,A1，A2,的 大且一致,当 时，,2 单片集成测量放大器,在信号处理中采用单片测量放大器芯片。具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。,Analog Devices公司提供的AD620、AD521、AD522、AD612、AD614等。国内749厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604等。,AD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，只需外接一个电阻就可以设置13000范围的增益，且调节方便。,AD620脚位图,第5脚为参考电压（REF）。当A3的两路输入处于平衡状态时，OUTPUT端的电压就等于REF。R,G,对应三运放测量放大电路中的R,4,。,放大增益关系式,AD620放大电路图,AD620非常合壓力感測方面的應用，如血壓量測、般壓力感測器之電橋電路訊號放大等。,例1 压力测量电路,电压跟随器,相对于传感器桥的三角形地,a/d的AGND的电平为2V,例2 右腿驱动ECG放大电路,右腿驱动电路，减小共模信号,AD612,和,AD614,测量放大器内部电路,AD612,的测量电桥接线图,如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图所示，那么对交流共模干扰,V,cm,就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容,C,1,、,C,2,和传输线电阻,R,i1,、,R,i2,分别构成两个,RC,分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等，这就使共模干扰电压,V,cm,在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。,当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。,测量放大器在使用时,护卫（Guard）端的连接,护卫端,15,脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压,V,cm,。屏蔽层接护卫端就使,RC,分压器两端电位都是,V,cm,，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。,3 可编程（程控）测量放大器PGA,在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器,PGA,（,Programmable Gain Amplifier,）。它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使,A/D,转换器满量程信号达到统一化。,测控系统中使用的可编程增益放大器主要有,浮点放大器型,、,增益电阻切换型,和,D/A,转换型,。,u,o,u,i,A,S4,A,S3,A,S2,A,S1,R,1,R,2,R,3,R,4,S,4,S,3,S,2,S,1,+A,-15V,+5V,-15V,+15V,DG201,+15V,u,o,u,i,A,S4,=1000,10,90,900,9k,S,4,S,3,S,2,S,1,+A,Y,0,Y,1,Y,2,Y,3,B,A B,A,S1,=1,A,S2,=10,A,S3,=100,可编程增益放大器的基本电路,码控四段转换可编程增益放大器,4 集成可编程增益放大器,把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。,在典型的数据采集系统中，,PGA,在,ADC,之前处理传感器,/,变送器信号的宽动态范围。很多公司把,PGA,和其他信号调理电路直接集成在,ADC,芯片上。这种方法有利于所占空间更小，比分离,PGA,和,ADC,方案具有更好的性能。然而，其成本比较高，集成,PGA,在,ADC,上除灵活性较低外，还有较高的时钟噪声电平,。,隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。,隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,四 隔离放大电路,原理框图,a)变压器耦合,浮置电源,输入调制,放 大 器,耦合变压器,输出解调放 大 器,输出,输入,b)光电耦合,浮置电源,光耦合器,输 入,放大器,输 出,放大器,输出,输入,LED,V,通用隔离放大电路,AD277变压器耦合隔离放大器,隔离,电源,振荡器,调制器,输入屏蔽,解调器,输出屏蔽,2,6,8,7,3,4,1,9,5,15V,15V,13,12,10,16,U,100k,100k,1M,14,11,15,U,-,+,+,N,1,-,+,+,N,2,