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  • 仪用放大器与很多放大电路一样,都是用来放大信号的目的,但仪用放大电路的特点是,它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。而噪声通常都是共模噪声,所以在电路设计要求上,电路有很高的共模抑制比,利用...
  • 将惠斯通电桥输出的电压通过仪用放大器放大,并设计一个报警电路,使用单片机的I/O端口进行驱动。 原理 一、仪用放大仪用放大器是差分放大器的一种,其共模抑制比可以高达80~120dB,能够有效抑制共模信号,放大...

    目标


    将惠斯通电桥输出的电压通过仪用放大器放大,并设计一个报警电路,使用单片机的I/O端口进行驱动。


    原理


    一、仪用放大器

    仪用放大器是差分放大器的一种,其共模抑制比可以高达80~120dB,能够有效抑制共模信号,放大差模信号。此外,仪用放大器还具有低漂移、低噪声、高开环增益、高输入阻抗等特性。
    其结构一般由三颗运算放大器组成,分成两级,其中输入级提供高输入阻抗,输出级过滤共模电压并提供差分电压。其高阻抗与高共模抑制比的特性能够为温度传感器、心电图(ECG)和血糖仪等众多传感器和生物计量应用提供关键支持。

    1、同相并联放大电路

    同相并联的第一级电路并不要求外网路电阻有任何形式的匹配来保证它的共模抑制能力,因此也就通免了电阻精确匹配的麻烦。实质上,第一级的输出回路里不产生共模电流,加在电阻R7上的差动电压决定了整个电路的工作电流,而加在这个电阻上的共模电压对电流毫无影响。所以电路的共模抑制能力与外围电阻是否匹配完全无关。与基本的差动放大电路先比,这种并联结构的电路能方便第实现增益的调节,为使用者带来使用上的很大方便。第一级电路其有完全对称形式,这种对称结构有利于克服失调、漂移的影响。利用电路结构对称、失调互补的原理,就能获得低漂移的基本方法。

    下面我们来分析第一级电路的放大倍数。
    Ui为输入电压,根据虚短虚断的原理,有

    Un = Up
    即U1A的3、4管脚电压相等,U1B的5、6管脚电压相等,于是有
    Ui = UA - UB
    那么,此时电流I为
    I = (UA -UB)/R7 = Ui/R7
    Uo就可以写成R13的电压、R7的电压与R12的电压之和,即
    Uo = U13 + U7 + U12
    而电流已求得,所以U13和U12为
    U13 = I*R13
    U12 = I*R12
    代入电流得
    Uo = Ui/R7*R13 + Ui + Ui/R7*R12
    一般有R12=R13,化简得
    U0 = Ui*(1+2*R7/R13)
    代入数据可得
    A1 = Uo/Ui = 1+2*R7/R13 = 41

    2、差分放大电路

    仅仅用U1A、U1B组成前置级是不足的。因为尽管这一级不存在共模电压向差模电压的转换,但U1A、U1B的输出端就存在与输入端相同的差模电压。这样共模电压在输入端占用了一定的工作范围,致使差动信号的有效工作范围变小。为了隔断共模电压在电路中的传递,我们选择在U1A、U1B并联电路后面接入一级差分放大电路构成两级放大电路。将 R11接地可抑制零点漂移。

    下面我们来分析第二级电路即差分放大电路的放大倍数
    首先,运放的同相输入端的电压为

    Up = UB*R11/(R10+R11)
    由虚短分析可以得到,运放的负向输入端电压为
    Un = Up = UB*R11/(R10+R11)
    由虚断分析可以得到,流过R8和R9的电流相等,即
    (UA - UN)/R8 = (UN - Uo)/R9
    UA - UB = Ui
    所以,Uo的表达式为
    Uo = UB*R11/(R10+R11)*(1+R9/R8)-UA*R9/R8
    在实际电路中,一般要求R8=R10且R9=R11,化简得
    Uo = R9/R8*(UB-UA) = Ui*R9/R8
    代入数据可得
    A2 = R9/R8 = 1
    综上,仪用放大器的放大倍数为两级电路的放大倍数相乘,即
    A = A1*A2 = 41*1 = 41

    二、报警电路

    报警电路由两部分组成,一是文氏电桥,用于产生方波。二是输出电路,蜂鸣器与发光二极管串接,由三极管控制电路的通断,而文氏电桥产生的方波接入三极管的基极,控制三极管的通断。三极管的集电极则接单片机的IO接口,用于驱动输出电路。

    1、文氏电桥

    文氏电桥实际上由两部分组成,选频网络和放大电路。

    选频网络即为一个带通滤波器,可以看作是由高通滤波器与低通滤波器组成。有传递函数

    可以看出,当频率非常高时,其放大倍数很小;当频率非常低时,放大倍数也很小。只有在一个合适的频率范围内,放大倍数才能达到最大值。

    这是运放的负反馈部分,可以看出,其放大倍数是一个恒定值,为

    A = 1 + R1/R13

    从整个电路来看,当负反馈的放大倍数大于3时,正反馈支路占优势,电路起振,但是不稳定,而且会出现削顶失真。当负反馈的放大倍数小于3时,负反馈支路占优势,电路不起振。只有当放大倍数等于3时,正负反馈平衡,电路才能稳定工作。但是,由于电路的扰动,会使得正负反馈不可能恒定相等,所以加入了两个反向相接的二极管,目的是起稳幅作用。由于现在我们需要的是方波信号,所以,放大倍数为10倍,直接产生方波信号。
    文氏电桥的震荡频率为

    为了简化计算,一般取R11 = R12,C2 = C3,所以有

    所以,本电路的震荡频率为f = 3.12Hz

    2、输出电路

    输出电路是蜂鸣器与一个电阻并联,然后与一个发光二极管串接,后接一个三极管。当V1为低电平时,相当于整个电路没有电源供电,蜂鸣器与放光二极管均不工作;当V1为高电平时,在文氏电桥产生的方波驱动下,三极管间歇导通与截至,蜂鸣器跟着文氏电桥的频率鸣叫,放光二极管也跟着文氏电桥的频率闪烁。起到报警作用。


    实现


    1、仪用放大器

    用上一篇文章的惠斯通电桥产生的输出电压作为放大器的输入,在Multisim中仿真如下:

    可以看到,XMM1为输入电压,XMM2为输出电压,实际输出电压与计算出来的输出电压相差了0.023V,相对误差为0.065%,存在一定的精度损失,但相对较小。

    2、文氏电桥

    文氏电桥不需要接输入信号,其输出由电桥的自激振荡产生,在Multisim中仿真如下:

    可以看到,在1s内,波形跳变了3次,频率接近3Hz,由于我们不需要高精度的频率。所以,设计已符合要求。

    3、输出电路

    输出电路在Multisim中仿真如下:

    可以看到,在文氏电桥输出低电平的时候,发光二极管熄灭。

    当文氏电桥输出高电平的时候,发光二极管点亮。设计符合要求。


    总结


    仪用放大器与文氏电桥都是模拟电子电路中非常基础的东西,本次实验也使我重新复习到了这些知识,也学习了一些以前没有注意到的细节,完善了我的知识体系。至此,前置电路已经设计完成,接下来的是利用单片机进行采样,这一部分将在下一篇博客中详解。

    展开全文
  • 这是protel画的原理图 内涵盖了同相放大电路;反相放大电路,跟随器,差动放大(减法器)电路;仪表放大前级电路;同相加法器;计分器;微分器;
  • 我们导出了这个经典电路的来龙去脉: 差分放大器-->前置电压跟随器-->电压跟随器变为同相放大器-->三运放组成的仪用放大器。
  • 测量放大电路:在测量控制系统中,用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路,亦称仪用放大电路。对测量电路基本要求:①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配;②一定的放大倍数和稳定...

    测量放大电路:在测量控制系统中,用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路,亦称仪用放大电路。

    对测量电路基本要求:

    ①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配;

    ②一定的放大倍数和稳定的增益;

    ③低噪声;

    ④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移;

    ⑤足够的带宽和转换速率;

    ⑥高共模输入范围和高共模抑制比;

    ⑦可调的闭环增益;

    ⑧线性好、精度高;

    ⑨成本低。

    测量放大电路的类型:按照结构原理进行分类。

    按照测量远离可以分为差动直接耦合式,调制式,自动耦合式。

    按照元件的制造方式可以分为分立元件,通用集成运算放大器组成,单片集成放大器。

    输入失调电压

    如果运放的输入端短接在一起并接地(如图所示),则输出存在某一直流电压。这个电压叫做“输出失调电压”(output offset voltage),输入失调电压是在没有任何外部输入时存在于两个端口间的差分输入电压。换句话说,它可以认为是被加到输入端口间迫使输出电压为零的输入电压。如果V除以运放的电压增益A0,其结果是“输入失调电压”(input offset voltage)。

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    差模共模信号以及差模增益共模增益和共模抑制比。

    差模电压指的是正输入端与负输入端之间的电压差值,是输入信号的有效分量,放大倍数也即差模增益越大越好。共模电压是指加在两个输入端的同相电压,要么是输入电路的直流电平,要么是电磁干扰信号,所以共模增益要尽量消除。差模抑制比就是差模增益与共模增益之比,越大越好。

    稳零放大电路

    常用的稳零放大电路有三种形式:

    (一)由通用集成运算放大器组成的斩波稳零放大电路(略)

    (二)自动调零放大电路,又称动态校零放大电路。

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    (三)低漂移单片集成运算放大器

    1、轮换自动校零集成运算放大器,也称CAZ运算放大器。

    CAZ运算放大器轮换自动校零集成运算放大器的简称,它通过模拟开关的切换,使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大自动校零两种不同的状态。

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    图一的N1处于运算放大状态,N2处于自动校零状态。图二正相反。

    该电路与自动调零放大电路的主要区别何在?什么场合下采用较为合适?

    该电路中两个放大器轮换工作,因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出,输出稳定,性能优于由通用集成运算放大器组成的自动校零电路

    2、斩波稳零集成运算放大器

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    内部电路原理图·

    误差检测和寄存阶段:时钟为高电平,Sa1、Sa2闭合,N2两输入端被短接,只有输入失调电压U0s2和共模信号Uc作用并输出,由电容C2寄存,同时反馈到N2的侧向输入端A2,此时Uc2=Uo2≈(K2U0s2+Kc2Uc)/K2'。

    校零和放大阶段:时钟为低电平,Sb1、Sb2闭合,输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、U0s2和Uc外,在侧向端A2还作用着Uc2,此时N2的输出为Uo2=K2Ui 。N2的失调电压U0s2和共模电压Uc全部被消除,达到稳零目的。

    高输入阻抗放大电路

    重点介绍自举式高输入阻抗放大电路

    a)同相交流放大电路

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    同相端隔直电容C1,在不加C2时,该电路的输入阻抗为R1+R2。接入电容C2后由运放的“虚短”性质可近似认为R1两端电位相等,可以把R1看做无穷大。这样通过接入C2的方法,提高了同向交流放大电路的输入阻抗。

    b)交流电压跟随电路

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    通过一个反馈电容C2,使得R2两端的电压近似相等,这样R1看做是无穷大。由此提高了输入阻抗。

    c)自举组合电路

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    自举电路:自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位,减小向输入回路索取电流,从而提高输入阻抗的电路。

    高输入阻抗电路:常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。

    高共模抑制比放大电路

    高共模抑制比放大电路:用来抑制传感器输出共模电压(包括干扰电压)的放大电路称为高共模抑制比放大电路。应用于要求共模抑制比大于100dB的场合,例如人体心电测量。

    下面介绍三种常用的高共模抑制比电路。

    (一)双运放高共模抑制比放大电路

    这种电路有两个运放,有两种结构。

    1、反相串联结构型

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    这种情况下uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2,当取R2/R1=R4/R5时,输出电压为零,共模信号得到了抑制。

    2、同相串联结构型

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    (二)三运放高共模抑制比放大电路

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    N1和N2性能一致,构成平衡对称差动输入级。N3构成双端输入单端输出的输出级,可进一步抑制N1和N2的共模信号。

    (三)有源屏蔽驱动电路

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    与三运放高共模抑制比电路结构类似,不同的是该电路的输入端和传感器的输出端相连时,用屏蔽电缆来连接。

    有源屏蔽驱动电路:将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后,使其输入端的共模电压1∶1地输出,并通过输出端各自电阻(阻值相等)加到传感器的两个电缆屏蔽层上,即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动,而不是接地,电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零,这种电路就是有源屏蔽驱动电路。(没看懂。。)

    电桥放大电路

    电桥放大电路:由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于电参量式传感器,如电感式、电阻应变式、电容式传感器等,经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号,并用运算放大器作进一步放大,或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路,输出放大了的电压信号。

    (一)单端输入电桥放大电路

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    (二)差动输入电桥放大电路

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    将传感器电桥两输出端分别于差动放大器的两输入端相连,构成差动输入电桥放大电路。

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    (三)线性电桥放大电路

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    将传感器构成的可变电桥R2接在运算放大器的反馈回路中,使得输出电压与传感器电阻相对变化率δ成线性关系

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    可编程增益放大电路

    亦称程控增益放大电路,简称 PGA。

    按所采用的放大器分:

    1、单运放可编程增益放大电路

    2、多运放可编程增益放大电路

    3、测量放大器可编程增益放大电路

    4、单片集成可编程增益放大器

    按输出信号分:模拟式和数字式

    (一)通用运放可编程增益放大器

    由多路模拟开关和通用集成运算放大器构成,按运算放大器个数又可分为单运放和多运放。

    (二)数字式可编程增益放大器

    隔离放大电路

    隔离放大电路: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。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。可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电和电磁等方式。主要的隔离方式:电磁(变压器)耦合和光电耦合。

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    示波器是我们电子工程师的左膀右臂,把示波器玩好玩精是我们的必备技能之一。在进行电子制作的时候,我们免不了要使用各种各样的测试仪器,而其中比较常用的一种就是示波器了,使用示波器的时候,我们使用探头来测量时间、频率和电压值等物理量,那么,你了解示波器探头的工作原理吗?本文跟随小编一起来学习一下吧。

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    先看看示波器的规划原理:

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    波形首先要通过探头,经由前端的放大器进行放大,之后由模数转换单元进行转换,进而储存到采集内存中,然后显示到显示器上。

    将示波器的探头拆开,来看一看里面的构造。在连接示波器的一端有一个BNC接口,如果你不运用BNC接头而是直接用两根线将信号引入示波器的话,你会看到到信号发生了失真,一个方波进去,显示出的却是锯齿波!这究竟是什么原因呢?

    示波器一般输入阻抗都比较高,为了降低对被测电路的影响。因此你会在探头BNC接口的后面看到一个1M欧姆的电阻或相似的电路。这样外部较小的电容值也会使得输入处形成一个滤波器,从而使得被测波形失真。如何搞定这个问题就要看探头的处理方式了!

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    一般来说,示波器的探头都会用一个并联的可调电容器来抵消掉这部分线缆的影响。有些补偿电容器可以让我们自己调节,并选择最好的效果。示波器上都会有一个方波源,我们将探头钩在信号源上,并调节电容器以使得屏幕上显示出来的方波成为最标准的“方波”。电容量过大会使得探头形成低通滤波器,而相反则变成高通滤波器。因此要仔细调节才行。

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    而探头上一般还会有一个衰减器,对被测信号进行衰减。其倍数一般为10倍。1V的信号进去,显示出100mV。部分示波器可以自动识别探头的状态并显示正确的数值。

    探头利用高阻抗的特点来保证电路不受到测量部分的干扰,但有些时候我们需要以低阻抗的测验方式来对某些电路进行测量。比如50欧姆阻抗的射频输出电路,对于有50欧姆阻抗测量功能的机器来说,这就是按一下按键的问题;但是对于普通的示波器来说,这时候探头就不合适测量了。你需要用BNC三通和50欧的末端电阻来进行匹配,并在另一端直接连接到50欧姆的输出端。

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    对于电子爱好者来说,看似简单的测量仪器,日常使用时我们却很少去注意他们的原理,看来想把它用好,还需要进一步思考才行。本文小编为大家分享的示波器探头的工作原理,你学会了吗?

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    在这里插入图片描述
    波形功率放大器匹配电路,量被形发生器产生的驱动信号匹能实际负鼓,达司踵想電动发東。工德出功击地大霜中输入电用一船旺配为高用或0输出电用西税为50或近零值。器,电压电流输出范围均高于输入范围,则称为压/电流放大器。
    ATA-2041是一款理想的可放大交直流信号的单通道波形功率放大器。最大输出400Vp-p (±200V)高压,可以驱动高压型负载。电流100mA峰值,频率可覆盖DC-500KHz,电压增益数控可调,一键保存常用设置,提供了方便简洁的操作选择,可与主流的信号发生器配套使用,实现信号的完美放大。
    在这里插入图片描述
    通常实现阻抗共轭匹配就可以使放大器输出最大功率给负载。输入为BNC接口,输入电阻50Ω、5kΩ两档可选,完美匹配高低内阻信号源。输出电阻为50Ω / 2.5kΩ。
    波形功率放大器的应用广泛,可分为工业、农业、交通运输、医疗、生活等,医用超声换能器(超声探头)是医学超声仪器系统的重要组成部分,它在新型医学仪器的研制和医学研究中,占有相当重要的位置。超声诊断中,首先必须向人体发射超声波,然后接收人体组织结构信息的反射回波。起信息转换作用的是医用超声换能器,由它完成一种电-声和声-电转换,换能器的性能状况直接关系着医用超声设备的性能。

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    2021-01-20 05:21:05
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空空如也

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仪用放大电路原理