精密儀器設計-精密電路設計

1、精精 密密 儀儀 器器 設設 計計 Design of Precision Instrument測控技術與儀器研究所測控技術與儀器研究所自動化工程學院自動化工程學院 1精密電路設計精密電路設計 一、電子電路在精密儀器中的地位一、電子電路在精密儀器中的地位精密儀器幾乎都由精密儀器幾乎都由傳感器件或傳感器傳感器件或傳感器、信號或數(shù)據(jù)處理器信號或數(shù)據(jù)處理器、顯顯示器或記錄器示器或記錄器等幾大部分組成。等幾大部分組成。傳感元件傳感元件(一次轉換一次轉換)放大器或放大器或信號調理電路信號調理電路信號轉信號轉換電路換電路激勵電路激勵電路數(shù)字數(shù)字顯示器顯示器筆錄儀筆錄儀模擬電表模擬電表模擬指示模擬指示波形記

2、錄波形記錄數(shù)字指示數(shù)字指示被測被測非電量非電量傳感器傳感器信號處理器信號處理器顯示、記錄器顯示、記錄器單參數(shù)檢測精密儀器結構示意圖（不帶微處理器）單參數(shù)檢測精密儀器結構示意圖（不帶微處理器）2傳感元件傳感元件(一次轉換一次轉換)放大器放大器信號調信號調理電路理電路數(shù)數(shù)模模轉轉換換器器激勵電路激勵電路CRT、LCD硬盤硬盤數(shù)字數(shù)字顯示器顯示器數(shù)字顯示數(shù)字顯示數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲文字、表格、文字、表格、圖形顯示圖形顯示被測被測非電量非電量微微處處理理器器打印機打印機數(shù)據(jù)或圖數(shù)據(jù)或圖形記錄形記錄傳感器傳感器信號或數(shù)據(jù)處理器信號或數(shù)據(jù)處理器一、電子電路在精密儀器中的地位一、電子電路在精密儀器中的地位3傳感

3、傳感器器2運運放放電電路路數(shù)數(shù)模模轉轉換換器器顯示器顯示器硬盤硬盤模出接口模出接口輸入輸入2微微處處理理器器打印機打印機多多路路選選通通器器傳感傳感器器1輸入輸入1傳感傳感器器N輸入輸入N一、電子電路在精密儀器中的地位一、電子電路在精密儀器中的地位4為何電子電路會有如此廣泛的應用，占有如此重要的地位？為何電子電路會有如此廣泛的應用，占有如此重要的地位？主要原因：主要原因：提高測量儀器的精度和靈敏度提高測量儀器的精度和靈敏度 擴充量程和多功能實現(xiàn)自動化測量擴充量程和多功能實現(xiàn)自動化測量 排除機構活動件，提高工作可靠性及壽命排除機構活動件，提高工作可靠性及壽命尤其是現(xiàn)代化精密儀器，具有很強的數(shù)據(jù)處

4、理能力，尤其是現(xiàn)代化精密儀器，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，只有合適的電子電路才能使其功能和自動化程度達到更高只有合適的電子電路才能使其功能和自動化程度達到更高的水平。的水平。一、電子電路在精密儀器中的地位一、電子電路在精密儀器中的地位51、內容、內容精密儀器電路對傳感器輸出的測量信號進行放大、精密儀器電路對傳感器輸出的測量信號進行放大、處理、轉換和線性化處理后，驅動顯示或控制執(zhí)行機構處理、轉換和線性化處理后，驅動顯示或控制執(zhí)行機構動作。動作。精密儀器電路擔負著精密儀器電路擔負著選擇、放大、運算、信號轉換、選擇、放大、運算、信號轉換、邏輯處理邏輯處理等任務，是精密儀器不可缺少的組成部分。等任務，是精

5、密儀器不可缺少的組成部分。6精精度度高高2、功能、功能：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化 易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)高倍率放大高倍率放大分辯率、分辯率、讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差 易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)量程切換量程切換解決了量程與分辯率的矛盾解決了量程與分辯率的矛盾 通過信號的調制解調、選頻與濾波、共模抑制電路通過信號的調制解調、選頻與濾波、共模抑制電路方便地方便地選取有用信號、抑制無用信號；選取有用信號、抑制無用信號；減少噪聲、干擾與非被測參數(shù)的影響。減少噪聲、干擾與非被測參數(shù)的影響。 利用電路可對儀器誤差進行利用電路可對儀器誤差進行自動校正自動校正零點零點的自動校正

6、、的自動校正、放大倍數(shù)放大倍數(shù)的自動校正、的自動校正、非線性誤差非線性誤差的修正的修正 利用利用差動電路補償電路差動電路補償電路、平衡電路平衡電路使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小使許多干擾因素的影響互相抵消、顯著減小7使使用用方方便便 電路可電路可方便方便信號傳輸，使它信號傳輸，使它便于便于讀出或實現(xiàn)控制、執(zhí)行；讀出或實現(xiàn)控制、執(zhí)行； 電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路電路放大倍數(shù)可很高，數(shù)字式電路讀取更方便；讀取更方便； 電路的反應速度高，信息傳輸快，利用信號鎖存，電路的反應速度高，信息傳輸快，利用信號鎖存，便于實便于實 現(xiàn)動態(tài)采樣；現(xiàn)動態(tài)采樣； 利用電路可進行利用電路可進行巡回采樣巡回采

7、樣或同時讀取多路信號；或同時讀取多路信號； 利用信號分離電路，可讀取利用信號分離電路，可讀取各成分參數(shù)；各成分參數(shù)； 通過計算機與邏輯處理電路，便于實現(xiàn)信號的通過計算機與邏輯處理電路，便于實現(xiàn)信號的運算處理運算處理，直接讀取所需的直接讀取所需的復雜參數(shù)值；復雜參數(shù)值； 便于利用電路便于利用電路存儲測量結果。存儲測量結果。易于自動化：易于自動化：通過電路可實現(xiàn)邏輯判斷、處理、功放、反饋控制等。通過電路可實現(xiàn)邏輯判斷、處理、功放、反饋控制等。2、功能、功能：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化：有助實現(xiàn)精密儀器高精度、使用方便、自動化8 大量數(shù)據(jù)的大量數(shù)據(jù)的動態(tài)動態(tài)和和自動自動采樣；采樣； 大

8、量數(shù)據(jù)的大量數(shù)據(jù)的存儲；存儲； 完成較為復雜多樣的完成較為復雜多樣的運算；運算； 較為復雜多樣的較為復雜多樣的誤差自動修正；誤差自動修正； 較高水平的較高水平的智能化。智能化。 計算機完成這些任務都需要儀器電路對信號進行預處計算機完成這些任務都需要儀器電路對信號進行預處理，并通過接口將計算機與儀器溝通。理，并通過接口將計算機與儀器溝通。運算速度快、儲存量大、智能化、圖形化運算速度快、儲存量大、智能化、圖形化PC儀器、智能儀器、虛擬儀器儀器、智能儀器、虛擬儀器9n 精密儀器電路的特點：精密儀器電路的特點： 高精度高精度與與高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性； 高靈敏度高靈敏度、高分辯率高分辯率，可檢測微弱信號；，

9、可檢測微弱信號； 檢測信號的檢測信號的多樣性多樣性； 信號的信號的處理要求處理要求； 儀器化的電路設計，要滿足儀器化的電路設計，要滿足操作方便操作方便、自動測試自動測試、 工作可靠工作可靠等要求。等要求。10n 對精密儀器電路的要求對精密儀器電路的要求1. 信號的拾取與抗干擾能力信號的拾取與抗干擾能力首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)）；首先，要求電路是低噪聲的（低噪聲器件、合理選擇參數(shù)）；其次，采取恰當?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地，電路本身其次，采取恰當?shù)钠帘?、隔離，合理的布線與接地，電路本身 的合理設計。的合理設計。2. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性-是對儀器電路乃至整個精密儀器的是對儀

10、器電路乃至整個精密儀器的最基本的要求最基本的要求。 溫溫 漂漂導致儀器的示值在導致儀器的示值在一次運行中發(fā)生漸變；一次運行中發(fā)生漸變； 長期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀由于元器件老化、接插件疲勞氧化原因，使儀 器性能在器性能在長期運行中發(fā)生變化；長期運行中發(fā)生變化； 短期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性表示為表示為示值重復性示值重復性。由輸入信號的信噪比、電。由輸入信號的信噪比、電 路本身的噪聲和抗干擾能力決定。路本身的噪聲和抗干擾能力決定。11 電路的穩(wěn)定性不僅包括電路的穩(wěn)定性不僅包括零點和放大倍數(shù)（靈敏度）零點和放大倍數(shù)（靈敏度）的穩(wěn)定性，的穩(wěn)定性，還應包括還應包括線性度線性度

11、、頻率特性頻率特性、輸入輸出阻抗輸入輸出阻抗的穩(wěn)定性等。的穩(wěn)定性等。提高穩(wěn)定性的措施：提高穩(wěn)定性的措施： 減小溫漂減小溫漂選溫漂小經老化處理的元件，合理安排熱源，選溫漂小經老化處理的元件，合理安排熱源， 采取深度負反饋和補償措施。采取深度負反饋和補償措施。 提高短期穩(wěn)定性提高短期穩(wěn)定性選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器選低噪聲、工作性能穩(wěn)定可靠的元器 件、適當布線與接地及采取合適的抗干擾措施，還常采取件、適當布線與接地及采取合適的抗干擾措施，還常采取 深度負反饋深度負反饋、 差動差動或或平衡平衡電路。電路。靜態(tài)靜態(tài)下：多次重復取樣取平均、下：多次重復取樣取平均、濾波器的時間常數(shù)濾波器的時間常數(shù)示

12、值分散性。示值分散性。123. 頻率特性與響應速度頻率特性與響應速度 是衡量儀器是衡量儀器動態(tài)性能動態(tài)性能的指標。的指標。被測對象頻率范圍，從直流開始，高端可至被測對象頻率范圍，從直流開始，高端可至1011Hz，以致更高。，以致更高。頻率特性頻率特性同時巡回采樣，巡回點越多，要求采樣速度越高。同時巡回采樣，巡回點越多，要求采樣速度越高。 響應速度響應速度4. 線性度線性度是儀器是儀器精度精度的又一重要指標。的又一重要指標。xy0實際曲線實際曲線規(guī)定曲線規(guī)定曲線maxmaxyyy 通常要求儀器的輸入輸出間具有線性關系通常要求儀器的輸入輸出間具有線性關系 線性標尺便于讀出；線性標尺便于讀出； 換檔

13、時只須改變分度值，不必另行定標；換檔時只須改變分度值，不必另行定標； 記錄波形曲線不失真；記錄波形曲線不失真； 進行進行A/D轉換、細分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時均不考慮非線性因素，轉換、細分、伺服系統(tǒng)控制跟蹤時均不考慮非線性因素， 比較方便。比較方便。精密儀器的非線性度主要由精密儀器的非線性度主要由傳感器傳感器、電路電路、顯示執(zhí)行機構顯示執(zhí)行機構這三部這三部分的非線性度產生。分的非線性度產生。135. 分辯率分辯率提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。提高分辯率有利于減小讀數(shù)誤差，方便讀數(shù)。模擬儀表模擬儀表：最小刻度值的一半。：最小刻度值的一半。 放大器的放大倍數(shù)。放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字儀表數(shù)字

14、儀表：數(shù)字顯示最低位：數(shù)字顯示最低位1個字對應的被測量。個字對應的被測量。量化誤差量化誤差最低位最低位1個字對應的被測量個字對應的被測量 細化電路細化電路 A/D位數(shù)位數(shù)6. 輸入與輸出阻抗輸入與輸出阻抗要與相應的要與相應的傳感器傳感器和所驅動的和所驅動的顯示執(zhí)行機構顯示執(zhí)行機構阻抗匹配阻抗匹配。一般要求電路輸入阻抗很高。（一般要求電路輸入阻抗很高。（有的傳感器輸出阻抗大有的傳感器輸出阻抗大108以上以上 ）但不是所有情況（但不是所有情況（輸入阻抗輸入阻抗 輸入端噪聲輸入端噪聲 ）合理的要求是合理的要求是輸入級的輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗輸入級的輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配相匹配，使，使放

15、大器的放大器的輸出信噪比輸出信噪比達最大值。達最大值。7. 計算與邏輯控制功能計算與邏輯控制功能通常檢測儀器需要完成一定的通常檢測儀器需要完成一定的計算計算，以獲得所需的被測參數(shù)值；，以獲得所需的被測參數(shù)值；儀器電路還要完成一系列儀器電路還要完成一系列邏輯判斷處理邏輯判斷處理，以保證儀器正常工作。，以保證儀器正常工作。14電子管時期電子管時期電子管放大器電子管放大器放大應變電橋的輸出信號，放大應變電橋的輸出信號， 組成電阻應變儀。組成電阻應變儀。50年代中后期年代中后期晶體管晶體管發(fā)展到了實用階段。各種電子管電路發(fā)展到了實用階段。各種電子管電路 隨之改為晶體管電路。隨之改為晶體管電路。60年代

16、年代數(shù)字頻率計、數(shù)字電壓表等數(shù)字頻率計、數(shù)字電壓表等數(shù)字儀表數(shù)字儀表發(fā)展到了實用發(fā)展到了實用 階段。各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場。階段。各種各樣的數(shù)字儀表相繼投放市場。70年代年代各種各種模擬模擬、數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路大批量投入生產，價格大大批量投入生產，價格大 大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開辟了廣闊前景。大降低，為數(shù)字儀表的發(fā)展和推廣開辟了廣闊前景。70年代中期年代中期微機系統(tǒng)微機系統(tǒng)開始在檢測儀器中得到實際應用。開始在檢測儀器中得到實際應用。 顯著提高了檢測儀器的性能和自動化程度。顯著提高了檢測儀器的性能和自動化程度。80年代年代大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路制造技術不斷完善，以制造

17、技術不斷完善，以單片集成單片集成 模數(shù)轉換器模數(shù)轉換器為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。為核心的各種數(shù)字面板表取代傳統(tǒng)電表。15（一）優(yōu)質化（一）優(yōu)質化優(yōu)質化的一個重要方面就是提高電路的工作優(yōu)質化的一個重要方面就是提高電路的工作可靠性可靠性。例：例：一個含有一個含有104個晶體管的電路個晶體管的電路若單個晶體管可靠性為若單個晶體管可靠性為0.9999 整個電路可靠性為整個電路可靠性為0.9999100000.37若單個晶體管可靠性為若單個晶體管可靠性為0.99999 整個電路可靠性為整個電路可靠性為0.99999100000.905若單個晶體管可靠性為若單個晶體管可靠性為0.999999 整

18、個電路可靠性為整個電路可靠性為0.999999100000.99為使整個電路的工作可靠性達到為使整個電路的工作可靠性達到99%，則單個器件可靠性必須達到，則單個器件可靠性必須達到0.999999（二）集成化（二）集成化趨勢趨勢（1）集成塊的密集度越來越高；）集成塊的密集度越來越高；（2）采用集成塊的范圍越來越廣。）采用集成塊的范圍越來越廣。16（三）數(shù)字化（三）數(shù)字化能較好地解決能較好地解決量程量程和和分辯率分辯率的矛盾；的矛盾；（1）易于集成化；）易于集成化；（2）抗干擾能力強；）抗干擾能力強；（3）便于動態(tài)采樣，便于記憶存儲；）便于動態(tài)采樣，便于記憶存儲；（4）便于與計算機聯(lián)用。）便于與計

19、算機聯(lián)用。但數(shù)字電路但數(shù)字電路不能完全取代不能完全取代模擬電路。模擬電路。（四）通用化（四）通用化（1）一個電路盡量采用相同的單元電路；）一個電路盡量采用相同的單元電路；（2）整個儀器的構成采用電路模塊化、積木化；）整個儀器的構成采用電路模塊化、積木化；（3）推廣通用儀器。）推廣通用儀器。（五）自動化與智能化（五）自動化與智能化（六）虛擬化（六）虛擬化17導體半導體絕緣體功率模塊功率放大器件P型N型三極管場效應管PN結PN結集成運算放大器分立元件五、精密檢測電路-電子器件的發(fā)展半導體：體積小、重量輕、壽命長、輸入功率小、功率轉換效率高摻雜擴散、漂移電流放大作用18 集成運放集成運放有源濾波器運

20、算加減微積分線性非線性乘除對、指數(shù)運放處于線性放大狀態(tài) （負反饋）運放處于非線性狀態(tài) （開環(huán)或正反饋）比較器振蕩器五、精密檢測電路-電子器件的發(fā)展1901 數(shù)字電路模擬電路ADDA線性電源開關電源電池電源按鍵顯示五、精密檢測電路-電子器件的發(fā)展20集成運算放大器: 實現(xiàn)信號的組合和運算的放大器。集成運放：模擬器件。運放電路: 器件外圍。 集成運放配上不同的反饋網絡和采用不同的反 饋方式，構成功能和特性完全不同的電子電路， 它是各種電子電路(儀器電路)中最基本的組成環(huán) 節(jié)。集成運放電路優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。1、定義五、精密檢測電路-運算放大器運算放大器21（1）電路一

21、般采用直接耦合的電路結構，而不采用阻容耦合結構；（2）輸入級采用差動放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，從而改進單管的性能；（4）大量采用恒流源設置靜態(tài)工作點或做有源負載(電流源具有交 流電阻大的特點)，提高電路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工藝制造出來的，故具有同相偏 差。元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、集成運放特點五、精密檢測電路-運算放大器223、 基本構成 集成運放是以雙端為輸入、單端為輸出的直接耦合型高增益放大器, 其內部組成原理框圖用圖1.2 表示, 它由輸入級、 中間級、 輸出級和偏置電路等四部分組成。 集成運算放大器內部組成原

22、理框圖差動輸入級電壓放大級輸出級偏置電路uiduo五、精密檢測電路-運算放大器234、集成放大器封裝形式1 金屬圓帽封裝 (8/10/12腳)2 雙列直插封裝 (8/14腳)3 貼片封裝 (8/14腳)1 塑料封裝 （1070度）2 陶瓷封裝 （50125度） 價格相差2個數(shù)量級3 金屬陶瓷封裝 （更高）5、集成放大器封裝材料五、精密檢測電路-運算放大器24五、精密檢測電路-運算放大器6、集成運放主要參數(shù)25五、精密檢測電路-運算放大器6、集成運放主要參數(shù)267、集成運放的種類u 通用運放u 低功耗u 低溫漂u 高輸入阻抗u 低噪聲u 高速運放u 高壓運放u 多元運放u 單電源u 跨導型運放五

23、、精密檢測電路-運算放大器278、集成運放的使用u 合理選擇u 消振u 調零u 保護 u 擴流先消振、后調零五、精密檢測電路-運算放大器28五、精密檢測電路-運算放大器9、精密儀器電路、精密儀器電路n 信號放大電路（小信號、低漂移直流、高輸入阻抗、電荷、低噪音等小信號、低漂移直流、高輸入阻抗、電荷、低噪音等）n 信號處理電路（濾波、特征值檢測、采樣保持等濾波、特征值檢測、采樣保持等）n 調制與解調電路（振幅、頻率、相位、脈沖等振幅、頻率、相位、脈沖等）n 29集成運放理想化的條件：開環(huán)電壓放大倍數(shù) AO ;差模輸入電阻 ri開環(huán)輸出電阻 rO共模抑制比 KCMRR ;0 ; .uuouAO五、

24、精密檢測電路-運算放大器30理想運放對于理想運放Ao,riu uouiu=Ao=-+集成運放工作在線性區(qū)的特點：uiuO_+u-u+i-uiuO+_i+ 0i-= i+=0uiri i-= i+=u-u+=,五、精密檢測電路-運算放大器31當u+ u-時，u0=UO+iiuO+rid+輸出電壓u0只有兩種可能：當u+ U U+ +) )時，輸出電壓時，輸出電壓U Uo o處于低電平處于低電平U UL L在在R R1 1中的電流中的電流I I1 1為正為正( (I I1 1 0) 0)， D DZ Z2 2反向擊穿反向擊穿( (D DZ Z1 1導通導通) )，則有，則有U Uo oU Ui i

25、0 0U U0L0LU U+ +L LU U0H0HU U+ +H HU U - - U UZ Z = = U Uo oU U = = U U+ + = = U Uo o R R2 2/(/(R R2 2 + +R R3 3) ) 臨界條件臨界條件解得解得: :U Uo o = = - - U UZ Z (1+(1+R R2 2/ /R R3 3) = ) = U U0L 0L ( (輸出輸出低低電平電平) ) U U= =U U+ +=(=(U Uo o+ +U UZ Z) =-() =-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z = =U U+ +L L( (輸出輸出低電平低電平時

26、時同相同相端電位、端電位、下下比較電平比較電平) ) 49當當U Ui i逐漸減小時，只要逐漸減小時，只要U Ui i U U+ +L L-(-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 時，時，I I1 1不換向，不換向，則，比較器狀態(tài)不改變，輸出電平為則，比較器狀態(tài)不改變，輸出電平為U Uo o= =U U0L 0L = = - -U UZ Z (1+(1+R R2 2/ /R R3 3) )當當U Ui i U U+ +L L-(-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 時，時，I I1 1換向換向( (從正從正負負) )，則，則D DZ Z1 1反向擊穿反向擊穿(

27、(D DZ Z2 2導通導通) )比較器輸出比較器輸出U Uo o轉為高電平轉為高電平( (U UL LU U0H0H) )。因同相端的正反饋作用加速翻轉過程。因同相端的正反饋作用加速翻轉過程。這時這時U U + + U UZ Z = = U Uo oU U = = U U+ + = = U Uo o R R2 2/(/(R R2 2 + +R R3 3) )解得解得U Uo o = = U UZ Z (1+(1+R R2 2/ /R R3 3) = ) = U U0H 0H ( (輸出輸出高高電平電平) )U U = = U U+ + = (= (U Uo o+ +U UZ Z) = ()

28、= (R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z = =U U+ +H H( (輸出輸出高電平高電平時時同相同相端電位、端電位、上上比較電平比較電平) )50U UU Ui iU Uo oR R1 1 A AR R3 3D DZ Z2 2I I1 1I I2 2R R2 2D DZ Z1 1U Uf fU UZ ZU UU Ui iU Uo oR R1 1 A AR R3 3D DZ Z2 2I I1 1I I2 2R R2 2D DZ Z1 1U Uf fU UZ ZU Uo oU Ui i0 0U U0L0LU U+ +L LU U0H0HU U+ +H H U Ui i繼續(xù)下降，輸

29、出維持高電平端電壓繼續(xù)下降，輸出維持高電平端電壓U Uo o= =U U0H 0H (R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z ， 而同相端和反相端電平翻轉到而同相端和反相端電平翻轉到 U U+ +H H (R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 若若U Ui i上升，只要上升，只要U Ui i U U+ +H H 時，時，I I1 1換向換向( (從負從負正正) )，則，則D DZ Z2 2反向擊穿反向擊穿( (D DZ Z1 1導通導通) ) 比較器輸出比較器輸出U Uo o又轉為低電平又轉為低電平 U U0 0U U0L0L=-(1+=-(1+R R2 2/ /R R3

30、 3) )U UZ Z 。 此時，此時， U U= =U U+ += =U U+ +L L=-(=-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z U Ui i繼續(xù)上升，輸出仍維持低電平繼續(xù)上升，輸出仍維持低電平U Uo o = = U U0 0L L； 而同而同/ /反相端電平已轉為反相端電平已轉為U U= =U U+ += =U U+ +L L=-(=-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 。52 比較器的傳輸特性具有遲滯回線的形式，所以稱為比較器的傳輸特性具有遲滯回線的形式，所以稱為遲滯比較器遲滯比較器，由于，由于 比較門限電平的回差變化，又稱比較門限電平的回差變化，又

31、稱回差比較器回差比較器。 此零電平比較器的比較電平不再是單一的零電平此零電平比較器的比較電平不再是單一的零電平( (U UR R=0) =0) 而是具有位于零電平附近的兩個電平而是具有位于零電平附近的兩個電平上上( (大大) )比較電平比較電平U U+H +H = (= (R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 下下( (小小) )比較電平比較電平U U+L+L=-(=-(R R2 2/ /R R3 3) )U UZ Z 兩者之差稱為兩者之差稱為滯后電平滯后電平。U U = = U U+ +H HU U+ +L L =(=(U Uo oH HU UoLoL) )R R2 2/(/(R

32、 R2 2+ +R R3 3) ) U U+ +H H = =U Uo oH HR R2 2/(/(R R2 2+ +R R3 3) ) U U+ +L L = =U UoLoLR R2 2/(/(R R2 2+ +R R3 3) ) U U可由可由R R2 2R R3 3調節(jié)，適當選取調節(jié)，適當選取U U ，可消除，可消除“振鈴振鈴”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。但但U U的存在檢測靈敏度的存在檢測靈敏度 U U不宜過大，通常不宜過大，通常R R2 200時，時，D D導通，電容導通，電容C C被充電到的峰值被充電到的峰值峰值跟蹤階段峰值跟蹤階段，0 0A A段。段。 當當U Ui i過峰值而下降時，過峰值而

33、下降時，D D反偏而截止，由于反偏而截止，由于的反向電阻較大，電容的反向電阻較大，電容C C上的電荷因無放電回上的電荷因無放電回路而被保持下來路而被保持下來保持階段保持階段，ABAB段。段。 此后只有當此后只有當U Ui i上升到大于電容上升到大于電容C C上的電壓上的電壓( (U Ui i U UC C) )，D D才導通，使輸出才導通，使輸出U Uo o跟蹤輸入跟蹤輸入U Ui i ，直到，直到新的峰值，并保持下來。新的峰值，并保持下來。 56U Ui iD DC CU Uo oR RL LR Rs s e es sUit0UiUoABCDEUo理想Uo實際2 2 、誤差分析、誤差分析 實

34、際二極管并不是理想元件。實際二極管并不是理想元件。 電路輸出端總有一定負載電阻電路輸出端總有一定負載電阻( (R RL L) )。 信號源也有一定內阻信號源也有一定內阻( (R Rs s) )。跟蹤階段跟蹤階段電容電容C C上電壓上電壓U UC C無法完全跟蹤無法完全跟蹤U Ui i，按一定的時間常數(shù)上升。，按一定的時間常數(shù)上升。保持階段保持階段U UC C將通過將通過R RL L進行放電，從而使進行放電，從而使U Uo o偏離被測信號峰值。偏離被測信號峰值。偏離的程度與元件的質量、取值有關。元件參數(shù)一旦確定，偏離值的偏離的程度與元件的質量、取值有關。元件參數(shù)一旦確定，偏離值的大小又與被測信號

35、大小又與被測信號U Ui i有直接關系。有直接關系。57U Ui iD DC CU Uo oR RL LR Rs s e es sUit0UiUoABCDEUo理想Uo實際一、改善二極管的非線性及消除不靈敏區(qū)一、改善二極管的非線性及消除不靈敏區(qū)將二極管放在運放的反饋回路中。將二極管放在運放的反饋回路中。U Ui i A A1 1U Uo oD D A A2 2C C此時，此時，D的等效開啟電壓為的等效開啟電壓為Ui= UD/A1d 式中式中A1d A1的開環(huán)增益，一般在的開環(huán)增益，一般在80dB以上以上(即即1000倍倍)。UD 二極管死區(qū)二極管死區(qū)(不靈敏區(qū)不靈敏區(qū))電壓，硅管電壓，硅管UD

36、 0.5V。 Notes： Ui是一個很小的值，是一個很小的值， Ui 0 。這就消除了二極管的不靈敏區(qū)。這就消除了二極管的不靈敏區(qū)。 當當D導通后，導通后，A1工作在電壓跟隨狀態(tài)，從而消除了工作在電壓跟隨狀態(tài)，從而消除了D的非線性影響。的非線性影響。58二、增加保持時間二、增加保持時間實際實際 D D的反向電阻及的反向電阻及A A1 1 A A2 2的輸入阻抗并非無窮大。的輸入阻抗并非無窮大。 存儲電容存儲電容C C也存在漏電流。也存在漏電流。在在保持階段保持階段電容電容C C上的電壓將通過上的電壓將通過A A1 1 A A2 2 D D及及C C的等效漏電阻而放電，從而的等效漏電阻而放電，

37、從而引起保持電壓的漂移，其漂移率為引起保持電壓的漂移，其漂移率為 D D = = U Uo o / /t t = = I I漏漏 / / C C式中，式中， I I漏漏 = = I Ib b + + I ID D + + I IC CI Ib b A A1 1 A A2 2 的偏置電流和漏電流之和；的偏置電流和漏電流之和；I ID D D D 的反向飽和漏電流；的反向飽和漏電流；I IC C C C的漏電流。的漏電流。59NotesNotes：要要D D( (電壓漂移率電壓漂移率) )，增加，增加保持時間保持時間，可，可C C和和I I漏漏 實際電容實際電容C C值受工作速度的限制，且值受工作

38、速度的限制，且C C其漏電流其漏電流I IC C 漏漏也大。也大。 有效的方法是有效的方法是I I漏漏 ，其途徑有二：，其途徑有二：選用優(yōu)質元件選用優(yōu)質元件C C選聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏電流小選聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏電流小( (I IC C 漏漏) )的電容的電容A A1 1A A2 2選場效應管作輸入級的運放選場效應管作輸入級的運放D D選開關特性好的形狀二極管，或用場效應管代替選開關特性好的形狀二極管，或用場效應管代替 改進電路改進電路如盡可能減小加在峰值檢測二極管上的反向電壓等。如盡可能減小加在峰值檢測二極管上的反向電壓等。60整流把正負極性交變的信號轉換成單極性的直流信號，稱為整流

39、。線性整流單極性的直流輸出電壓與輸入交流信號的幅值呈線性比例關系的整流，稱為線性整流，又稱精密檢波。絕對值電路又稱全波整流電路。它的特點是能將交變的雙極性信號轉換為單極性信號。在自動檢測儀表中常用這一特點來對信號進行幅值檢測。uiRLuituRLtI0UDVr=ctguiuDr61uiRLuituRLt利用二極管的單向導電性可以實現(xiàn)較大信號的檢波，但由于二極管的正向伏安特性的非線性(r)及其閾值電壓(UD)的存在，無法實現(xiàn)精密的線性檢波。二極管的伏安特性為：) 1(kTqVseIII0UDVr=ctguiuDr UD 二極管的閾值(導通)電壓。 r 二極管的動態(tài)電阻，表示當偏壓高于UD后特性曲

40、線的斜率。 二極管的特性可用等效電路來描述。這里忽略了二極管的反向漏電流，實際上對于硅二極管，這種反向漏電流是相當小的。62uiuoDR例如：當輸入信號為線性的三角波時，經二極管檢波電路后的輸出波形，將產生明顯的畸變。I0UDUuo=IR0UDttui 輸入信號越小，畸變越嚴重；當輸入信號0):Uo為負(0) D1導通，D2截止 D1導通，使運放處于深度負反饋狀態(tài)。從而保證了運放的反相輸入端“虛地”(Uin-=0)，由于輸出信號(Uo)是從“虛地” 取出，R2無電流流過， Uo =065 AUoUiUoR1R2RD1D2Ui負半周(Ui0) D1截止，D2的狀態(tài)取決于Uo的大?。喝鬠oUD ，D2導通，運放處于反相比例放大工作狀態(tài)，Uo= - (R2/R1)Ui ，若取R1=R2 ，則Uo= -Ui 。顯然， D2導通，使A處于深度負反饋閉環(huán)工作狀態(tài)，而D2又在反饋回路中。因此， D2導通后的非線性特性，由于負反饋的作用而明顯改善，使檢波電路的輸出與輸入之間具有良好的線性關系。由以上分析 Uo= 0， Ui0 | Ui |， Ui0): A1是反相輸入 D2截止，D1導通，