第四章測(cè)量基礎(chǔ)電路

1、第四章測(cè)量基礎(chǔ)電路2基本運(yùn)放電路 21反相比例放大器電信號(hào)從集成運(yùn)算放大器的反相端輸入，因而輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。這種放大器組態(tài)稱為反相放大器，應(yīng)用最為廣泛。簡(jiǎn)單的反相比例放大器如圖2-3所示。其外 部元件為輸入回路電阻R、反饋電阻心、平衡 電阻RP.根據(jù)集成運(yùn)算放大器的基本原理，反相比例 放大器的主要設(shè)計(jì)公式可歸納如下：閉環(huán)電壓增益Af-匚2. 2同相比例放大器牝工作原理：信號(hào)從同相端輸入，因而輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同。這種運(yùn)算放大器圖24同相比例放大器組態(tài)，稱為同相比例放大器。同相比例放大器也 是應(yīng)用很廣的一種基本組態(tài)，其基本電路形式如 圖2-4所示。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的性能，可以

2、方便地導(dǎo) 出同相比例放大器的下列基本公式：理想輸入阻抗Rln = 6閉環(huán)增益A, =1 + 7 R,2. 3加法放大器水圖2-5為典型的反相加法器電路。各輸入信號(hào)電壓將通過(guò)各自回路輸入電阻轉(zhuǎn)換為電 流，在“虛地”點(diǎn)相加，流經(jīng)反饋電阻而轉(zhuǎn)換為輸出電壓，因而輸出電壓為輸入信號(hào)電壓之 和，即：/ =/ +12 +/3 + + /% =一1 =一(人 + /2 + /3 + + In)Rf住 R, R；R,= -(v, +一匕+二匕+一匕) mm當(dāng)取& = R2 = =R” = RRf則匕+匕+匕+£)K而Rr =RIIRJIRJIIIRJR$當(dāng)取R =仝，】表示輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)，則加

3、法器可用于求算n個(gè)輸入信號(hào)的平均值。n如果把加法放大器與減法放大器結(jié)合起來(lái)，可組合成進(jìn)行加減混合運(yùn)算的加減放大器。減法放大器又稱為差動(dòng)比例放大器，其主要用途是從大的共模信號(hào)背景中提取并放大 差模信號(hào)。減法器廣泛用于電橋中不平衡信號(hào)的檢測(cè)及傳感器的差值信號(hào)放大等。簡(jiǎn)單的減法器由一只運(yùn)算放大器和四只電阻構(gòu)成，如圖2-6所示。2. 5積分電路圖2-7是集成運(yùn)放理想模擬積分電路。其輸岀電壓是輸入電壓的積分，當(dāng)集成運(yùn)放的開(kāi) 環(huán)增益無(wú)限大，輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流及苴漂移為零時(shí)，根擄等效電路可得到：勺fRC2. 6微分電路如果將積分電路中的電阻R和電容器C的位苣互換，則可構(gòu)成圖2-11所示的微分電路。2

4、. 7電壓比較器與應(yīng)用*模擬電壓比較器是用來(lái)鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓相對(duì)大小的器件。這兩個(gè)模擬輸入電壓，可以一個(gè)是模擬輸入信號(hào)，另一個(gè)是參考電壓，也可以兩個(gè)都是模擬輸入電壓。比較器的符號(hào)與運(yùn)放相同，理想比較器的特性如圖4-20所示。當(dāng)匕 匕時(shí)，輸岀為邏輯1電平：當(dāng)匕 匕時(shí)，輸出為邏輯0電平；當(dāng)=匕時(shí)，是輸出發(fā)生變化的臨界點(diǎn)。圖4-20：電壓比較器及英特性1）任意電平比較器利用運(yùn)放構(gòu)成的求和型任意電平比較器電路如圖4-21所示。這種比較器的特點(diǎn)是兩個(gè) 相比較的電壓均加在運(yùn)放的反相端，它的比較電平（比較器的翻轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)）為：其輸岀的髙低電平分別為運(yùn)放的正.負(fù)飽和電位, 加入鉗位電路，可輸出所要求的

5、邏輯電平。上式表明，這種比較器的比較點(diǎn)電壓不僅與 VR有關(guān)，而且與電阻R|與心的比值有關(guān)，這給 比較點(diǎn)電壓的選擇帶來(lái)靈活性。若采用單片集成電壓比較器構(gòu)成求和型任意 電平比較器，輸出的高低電平就是比較器的邏輯 電平。圖4-21：求和型任意電平比較器2）滯后電平比較器水滯后比較器又稱為斯密特觸發(fā)器。在比較器的同相端加入少量的正反饋，即可構(gòu)成滯 后比較器。圖4-22為任意電平滯后比較器的原理圖和傳輸特性。圖示電路的上、下比較電平及滯后電平分別為：由傳輸特性可見(jiàn)，對(duì)于這種比較器,當(dāng)輸入電壓匕從低值達(dá)到上比較電平 匕時(shí)，比較器輸岀從髙電平匕"跳變?yōu)?低電平匕"這種滯后特性稱為下行滯后

6、 特性，簡(jiǎn)稱下行特性。在這種比較器中，改變參考電壓匕， 可同時(shí)調(diào)節(jié)上、下比較電平，而不影響滯R后電平。但改變反饋系數(shù)，雖可調(diào)節(jié)滯后電平，同時(shí)亦會(huì)影響上、下比較電平, 三個(gè)參數(shù)不能獨(dú)立調(diào)節(jié)是這種電路的缺 點(diǎn)°3）窗口比較器的仿貞電路*2. 8儀器放大器*在工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域中，常需要對(duì)遠(yuǎn)離運(yùn)放的多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，這些信號(hào)的電平 分布很廣，低到幾微伏髙到幾伏。由于信號(hào)遠(yuǎn)離運(yùn)放，兩者地電位不能統(tǒng)一，不可避免地存 在長(zhǎng)線干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引入的誤差。這些共模干擾信號(hào)可能髙達(dá)10V,為了抑制 干擾，運(yùn)放常采用差動(dòng)輸入方式，對(duì)測(cè)量電路的基本要求是：（1）髙輸入阻抗。以減輕信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)和

7、抑制傳輸網(wǎng)絡(luò)電阻不對(duì)稱引入的誤差。（2）高共模抑制比。以抑制各種共模干擾引入的誤差。（3）高增益及寬的增益調(diào)節(jié)范用。以適應(yīng)信號(hào)源電平的寬范圍。（4）非線性誤差要小。（5）零點(diǎn)的時(shí)間及溫度穩(wěn)定性要高。零位可調(diào)，或者能自動(dòng)校零。（6）具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，即放大器的輸出信號(hào)應(yīng)盡可能快地跟隨被測(cè)量的變化。以上這些要求通常采用多運(yùn)放組合的測(cè)量放大器來(lái)滿足。典型的組合方式有：二運(yùn)放 同相串聯(lián)式測(cè)量放大器：三運(yùn)放同相并聯(lián)式測(cè)疑放大器及四運(yùn)放髙共模抑制測(cè)量放大器。圖4-25：儀器放大器 對(duì)差動(dòng)放大器有：% = A（匕2 -匕rl）2. 9線性檢波電路*把正負(fù)極性交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性的直流信號(hào)稱為整流。單極性

8、的直流輸出電壓與 輸入交流信號(hào)的幅值呈線性比例關(guān)系的整流稱為線性檢波，又稱精密檢波。1）精密半波檢波電路由運(yùn)放和二極管組成的精密半波檢波電路如圖所示。兩個(gè)二極管分別接在運(yùn)放的反 饋回路中，運(yùn)放接成反相放大器形式。設(shè)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，即嶺=V. S. （yf） oR2當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，運(yùn)放輸岀電壓VJ為負(fù)， 二極管Di導(dǎo)通，6截此Di導(dǎo)通使運(yùn)放處于 深度負(fù)反饋狀態(tài)，從而保證了運(yùn)放的反相輸入 端為虛地，由于輸岀信號(hào)是從虛地經(jīng)過(guò)電阻皿 而取岀，所以輸岀電壓V«=0。當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓 為正，二極管D截止，而D2的狀態(tài)取決于乂,' 的大小。若VoXVd，D2亦截止，運(yùn)

9、放處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)，此時(shí)，也丄一厲匕S%,即有圖4-26精密半波檢波器Vi<Vl)/A(, 0因?yàn)檫\(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益很高(&, 一般為1(/IO'),所以匕很小。這就相當(dāng) 于把二極管的閥值電壓勺j降低上，從而有效地克服了二極管的閥值電壓對(duì)檢波性能 的影響，大大提高了電路對(duì)于小信號(hào)的檢波能力。一旦V/>VD, £>2導(dǎo)通，運(yùn)放處于反相 比例放大工作狀態(tài)，其輸岀電壓匕=(*%)匕。如果取R=R?，則有匕=-匕。顯然, 由于D：的導(dǎo)通，使運(yùn)放處于深度負(fù)反饋閉環(huán)工作狀態(tài)，而D：又處于反饋回路之中，因此二 極管D：導(dǎo)通后的非線性特性由于負(fù)反饋的作用而明顯地改善，使

10、檢波電路的輸出和輸入之 間具有良好的線性關(guān)系。根據(jù)以上分析，精密半波檢波電路的輸出電壓為：0 V. > 0Vo = I 1側(cè)I V, <0其波形圖及檢波特性如圖 所示。圖中刃是指經(jīng)濾波后的直流輸出電壓。(a)(b)圖4-27 :精密半波檢波器的波形及檢波特性2. 10濾波器電路濾波器是一種能使一左頻率的信號(hào)通過(guò)，而阻止或衰減苴它頻率信號(hào)的電路，濾波器 可由LC或RC無(wú)源元件組成，亦可由有源器件和LC或RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。前者稱為無(wú)源濾波 器，后者稱為有源濾波器。無(wú)源濾波電路和有源濾波電路無(wú)源濾波電路：利用LCR組成的濾波電路，缺點(diǎn)1)存在電感2)輸入電阻、輸出電阻 不易控制：3)低頻需較

11、大的電感和電容值；有源濾波電路：利用RC無(wú)源濾波電路和運(yùn)放組成的濾波電路，特點(diǎn)1)沒(méi)有電感元件; 2)輸入阻抗高、輸出阻抗小：3)可以將輸入信號(hào)放大易調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)1)由于運(yùn)放帶寬乍， 一般用于頻率小于幾十千赫以下，但當(dāng)大于10KHZ時(shí)LC濾波效果會(huì)較好；2)需供電：3 ) 不適合高電壓、大電流；按頻率特性可將有源濾波器分為低通濾波(LPF,即Low Pass Filter).高通濾波(HPF, 即 High Pass Filter)、帶通濾波(BPF,即 Band Pass Filter)、帶阻濾波(BEF,即 Band Eliminate Filter)等四種。fdB髙通濾波帶阻濾波按截止頻率FP附近幅頻特性或相頻特性的不同，濾波效果可以分： 通帶內(nèi)幅度最平坦，“巴特沃茲”特性；Q0.7,適合一般濾波。 幅頻特性在一上范圍內(nèi)有波動(dòng)，在F=FO附近下降較陡，“契比雪夫”特性：Q1.0, 適合調(diào)制解調(diào)電路。 相位平坦，“貝塞爾”特性；Q04,對(duì)脈沖響應(yīng)沒(méi)有過(guò)沖現(xiàn)象，脈沖波形失真小;a