同樣可改變放大器的增益課件

第五章信號(hào)調(diào)理技術(shù)信號(hào)調(diào)理的目的傳感器信號(hào)放大電路調(diào)制解調(diào)電路濾波電路第五章信號(hào)調(diào)理技術(shù)信號(hào)調(diào)理的目的信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。5.1信號(hào)調(diào)理的目的

1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。5.1信號(hào)調(diào)理的

傳感器（Sensor/Transducer）是指能把物理化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用和輸出的電信號(hào)，用于獲取被測(cè)信息，完成信號(hào)的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換的器件。其性能直接影響整個(gè)儀器的性能。5.2傳感器傳感器（Sensor/Transducer傳感器的選用原則

在實(shí)際選用傳感器時(shí)可根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境等因素合理選用，主要應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面：1.傳感器的類型

由于同一物理量可能有多種原理的傳感器可供選用，可根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)、傳感器的使用條件如傳感器的量程、體積、測(cè)量方式（接觸式還是非接觸式）、信號(hào)的輸出方式、傳感器的來源（國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口）、價(jià)格等首先考慮選用何種原理的傳感器。傳感器的選用原則在實(shí)際選用傳感器時(shí)可根據(jù)具體的測(cè)2.傳感器的性能指標(biāo)(1)線性范圍

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。傳感器的線性范圍越寬，量程越大，在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。在量程范圍內(nèi)，靈敏度在理論上應(yīng)保持定值，并且保證一定的測(cè)量精度。

(2)精度

精度是傳感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳感器精度越高，價(jià)格越昂貴。選用傳感器時(shí)，如果測(cè)量目的是定性分析，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不必選用絕對(duì)精度高的傳感器；如果是定量分析，需要獲得精確的測(cè)量值，可選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。2.傳感器的性能指標(biāo)(1)線性范圍

(3)靈敏度

當(dāng)靈敏度提高時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的值隨被測(cè)量的變化加大，有利于信號(hào)處理。通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。但傳感器靈敏度提高，混入被測(cè)量中的干擾信號(hào)也會(huì)被放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。

(4)穩(wěn)定性

傳感器的性能不隨使用時(shí)間而變化的能力稱為穩(wěn)定性。傳感器的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境是影響傳感器穩(wěn)定性的主要因素。應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境選擇具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的傳感器，或采取適當(dāng)措施減小環(huán)境的影響。(3)靈敏度當(dāng)靈敏度提高時(shí)，傳感器輸出信號(hào)

(5)頻率響應(yīng)特性

在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件下，傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，傳感器的頻率響應(yīng)特性好，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍寬。實(shí)用中傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，延遲時(shí)間越短越好。(5)頻率響應(yīng)特性在允許頻率范圍內(nèi)保持不失

放大器(Amplifier)是信號(hào)調(diào)理電路中的重要元件，合理選擇使用放大器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。智能儀器常工作于惡劣環(huán)境中，要求放大電路兼有高輸入阻抗、高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、測(cè)量放大器、隔離放大器等是智能儀器中常用的放大器。5.3.1程控放大器

在通用測(cè)量?jī)x器中，為了適應(yīng)不同的工作條件，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，提高測(cè)量精度，常采用可變?cè)鲆娣糯笃?。智能儀器含有微處理器，用儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益稱為程控增益放大器（Programmable-GainAmplifer），簡(jiǎn)稱程控放大器(PGA

）。5.3放大器放大器(Amplifier)是信號(hào)調(diào)理電路中的重程控反相放大器、程控同相放大器等（1）程控反相放大器

由理想運(yùn)放條件，有5.4一般反相放大電路程控反相放大器、程控同相放大器等（1）程控反相放大器由理想

如圖5.5所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置受控制信號(hào)C1、C2的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位置而變，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當(dāng)放大倍數(shù)小于1時(shí)，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。

5.5反相程控放大電路

如圖5.5所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置(2)程控同相放大器5.6一般同相放大電路同相放大器的增益

改變Rf或R1，同樣可改變放大器的增益，但同相放大器只能構(gòu)成增益放大器，不能構(gòu)成衰減放大器。(2)程控同相放大器5.6一般同相放大電路同相放大器的增5.7程控同相放大電路

下圖2.7為利用8選1集成模擬開關(guān)CD4051構(gòu)成程控同相放大器的原理電路，圖中，C、B、A為通道選擇輸入端，其狀態(tài)由程序（D2、D1、D0的狀態(tài)）控制，C、B、A不同的編碼組合決定開關(guān)與哪一通道接通，從而選擇R0～R7之間的某個(gè)電阻接入電路。實(shí)現(xiàn)程控增益的功能。ABC：0005.7程控同相放大電路下圖2.7為利用8選13．集成程控放大器

集成程控放大器種類繁多，如單端輸入的PGA103PGA100；差分輸入的PGA204、PGA205等。本節(jié)介紹BURR－BROWN公司的PGA202/203程控放大器，它應(yīng)用靈活方便，又無需外圍芯片。（1）性能特點(diǎn)●數(shù)字可編程控制增益：PGA202的增益倍數(shù)為1，10，100，1000；PGA203的增益倍數(shù)為1，2，4，8，PGA202與PGA203級(jí)聯(lián)使用可組成從1～8000倍的16種程控增益。3．集成程控放大器集成程控放大器種類繁多，如單端●增益誤差：G<1000

0.05％～0.15％，G=10000.08％～0.1％；●非線性失真：G=10000.02％～0.06％。●快速建立時(shí)間：2μs。●快速壓擺率：20V/μs●共模抑制比：80～94dB。●頻率響應(yīng)：G<10001MHz；G=1000250kHz?！耠娫垂╇姺秶骸?～±18V。●增益誤差：G<10000.05％～0.15％，（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GA202/203采用雙列直插封裝，根據(jù)使用溫度范圍的不同，分為陶瓷封裝(－25～＋85℃)和塑料封裝(0～＋70℃)兩種。引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：

圖5.8PGA202/203引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)GA202/203采用雙列直插封裝，根

其中，A0、A1為增益數(shù)字選擇輸入端，與TTL、CMOS電平兼容，可以和任何單片機(jī)的I/O口直接相連，其增益選擇及增益誤差見表2.1。表5.1增益選擇及誤差其中，A0、A1為增益數(shù)字選擇輸入端，與TTL、CMO

除表中提供的幾種增益外，PGA202/203外接如圖5.9所示的緩沖器及衰減電阻，改變電阻R1與R2的比值，可獲得更多不同的增益圖5.9改變外接電阻獲得可變?cè)鲆鎴D增益與電阻的關(guān)系為除表中提供的幾種增益外，PGA202/203外接如圖（3）PGA202基本用法PGA202不需任何外部調(diào)整元件就能可靠工作。但為了保證效果更好，在正、負(fù)電源端分別連接一個(gè)1μF的旁路鉭電容到模擬地，且盡可能靠近放大器的電源引腳，如圖5.10所示，由于11腳、4腳上的連線電阻都會(huì)引起增益誤差，因此11、4腳連線應(yīng)盡可能短。圖5.10PGA202的基本用法（3）PGA202基本用法PGA202不需任PGA202/203與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連接可構(gòu)成自動(dòng)增益控制電路，如圖5.11所示。圖2.11利用PGA202自動(dòng)增益控制電路

PGA202/203與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連

將PGA202和PGA203兩片級(jí)聯(lián)，如圖2.12所示，A3、A2、A1、A0組合可有16種狀態(tài)，可在1～8000范圍內(nèi)選擇16種增益。圖5.12PGA202/203級(jí)聯(lián)電路A0A1A2A30101放大倍數(shù)是多少？將PGA202和PGA203兩片級(jí)聯(lián)，如圖2.12所5.3.2儀用放大器

在智能儀器中，常常需要精確放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號(hào)，要求放大電路輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、穩(wěn)定性好。這種用來放大傳感器輸出的微弱電壓或電流信號(hào)的放大電路稱為儀用放大電路（測(cè)量放大電路）。1．儀用放大器原理

儀用放大器(InstrumentationAmplifier)由3個(gè)運(yùn)算放大器組成，如下圖5.13所示5.3.2儀用放大器在智能儀器中，常常需要精確圖5.13儀用放大器原理由上圖得到運(yùn)放的放大倍數(shù)如何得到？推到過程P17圖5.13儀用放大器原理由上圖得到運(yùn)放的放大倍數(shù)如何得到

將前述的可編程增益放大器PGA202/203的輸入端接上運(yùn)放（如OPA27）及電阻網(wǎng)絡(luò)，可組成低噪聲的差分儀用放大器，如圖2.14所示。圖中使用PGA203由于電阻網(wǎng)絡(luò)的存在，所得到的放大倍數(shù)分別是100、200、400、800，即在原PGA203增益的基礎(chǔ)上增加了100倍。適當(dāng)改變200Ω的電阻，還可得到其他放大倍數(shù)。圖5.14由OPA27及PGA203構(gòu)成的可變?cè)鲆鎯x用放大器推到過程將前述的可編程增益放大器PGA202/203的輸入端2.集成儀用放大器集成儀用放大器有美國(guó)AnalogDevice公司的522、AD512、AD620、AD623、AD8221，BB公司的INA114、118；MAXIM公司的MAX4195、4196、4197等。其中，INA114是一種通用儀用放大器，尺寸小、精度高、價(jià)格低?！袷д{(diào)電壓低（≤50μV）●漂移?。ā?.25μV/℃）●輸入偏置電流低（≤2nA）●共模抑制比高（G=1000時(shí)≥115dB）主要性能如下：2.集成儀用放大器集成儀用放大器有美國(guó)AnalogDev●工作溫度

-40℃～+125℃●靜態(tài)電流?。ā?mA）●內(nèi)部輸入保護(hù)能夠長(zhǎng)期耐受±40V電壓●工作電壓范圍寬（±2.25V～±18V），可使用電池（組）或5V單電源供電系統(tǒng)，只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置1至10000之間的任意增益值●工作溫度-40℃～+125℃●靜態(tài)電流?。ā?mA）●圖5.16INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5.16INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5.17INA114的基本連接方法圖5.17INA114的基本連接方法

在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或高阻電源場(chǎng)合，其輸出其中G為增益在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或“50kΩ”是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金屬膜電阻，已用激光調(diào)整到精確的值。增益的精確度和漂移額定值中包含了這兩個(gè)電阻的精確度和溫度系數(shù)；RG為外部電阻，其穩(wěn)定性和溫漂也對(duì)增益有影響。從左式可見，增益越高，需要的阻值越低，所以接線電阻也很重要，線路上增加的插座會(huì)使增益誤差額外地增加，并且很可能是不穩(wěn)定的誤差“50kΩ”是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金5.3.3隔離放大器

隔離放大器(IsolationAmplifier)輸出端和輸入端各自具有不同的電位參考點(diǎn)、即輸入端和輸出端沒有直接的電耦合，而是通過光、變壓器或電容等耦合元件耦合。輸入端和輸出端的絕緣電壓一般達(dá)1000V以上，絕緣電阻達(dá)數(shù)十ΜΩ。因此輸入端的干擾不會(huì)直接到達(dá)輸出端，多路通道使用隔離放大器時(shí)相互之間不會(huì)影響。當(dāng)儀器工作環(huán)境噪聲較大而信號(hào)較小時(shí)，采用隔離放大器可保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全，提高共模抑制比，獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。5.3.3隔離放大器隔離放大器(Isol隔離放大器的符號(hào)如圖2.18所示圖2.18隔離放大器的符號(hào)按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦合和電容耦合三種。1、光電耦合隔離放大器

光電耦合隔離放大器以光為耦合媒介，輸入與輸出在電氣上完全隔離，通過光信號(hào)的傳遞實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。隔離放大器的符號(hào)如圖2.18所示圖2.18隔離放大器的符圖5.19為光電隔離放大器基本原理，輸入級(jí)激勵(lì)發(fā)光管，由光電管將光信號(hào)耦合到輸出級(jí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。其輸入、輸出級(jí)之間不能有電的連接，即前、后級(jí)不能共用電源和地線。圖5.19光電隔離放大器基本原理圖5.19為光電隔離放大器基本原理，輸入級(jí)激勵(lì)發(fā)光管，由光電

采用光電耦合原理的隔離放大器有BB公司：ISO100、ISO130、3650、3652、HP公司：HCPL7800/7800A/7800B等。為簡(jiǎn)化電路、節(jié)省空間、降低成本、提高性能，有一些隔離放大器提供了內(nèi)置DC/DC變換器，給使用者提供更大的靈活性，如BB公司的IS0212、ISO213、AD公司的AD202，AD204、AD210、AD215等。本節(jié)介紹BB公司生產(chǎn)的光電隔離放大器3650，其電路原理如圖所示采用光電耦合原理的隔離放大器有為簡(jiǎn)化電路、節(jié)省空間、降低成圖5.20光電隔離放大器3650的電路原理圖理想運(yùn)算放大器A1和光電二極管、發(fā)光二極管構(gòu)成負(fù)反饋回路，用于減小非線性和時(shí)間溫度的不穩(wěn)定性。圖5.20光電隔離放大器3650的電路原理圖理想運(yùn)算放大VD1、VD3分別為輸入端和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管，它們從發(fā)光二極管VD2接收到的光量相等即由理想運(yùn)放特性知VD1、VD3分別為輸入端和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管輸出回路中，放大器A2與內(nèi)置電阻（）構(gòu)成I/V轉(zhuǎn)換電路，有可見，輸出與輸入成線性關(guān)系。只要VD1、VD3一致性得到保證，信號(hào)的耦合就不會(huì)受光電器件的影響。輸出回路中，放大器A2與內(nèi)置電阻（2、變壓器耦合隔離放大器

變壓器耦合隔離放大器的輸入部分和輸出部分采用變壓器耦合，信息傳送通過磁路實(shí)現(xiàn)。典型的隔離放大器原理如圖2.21所示圖5.7隔離放大器原理圖2、變壓器耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器的輸入

輸入級(jí)將傳感器送來的信號(hào)濾波和放大，并調(diào)制成交流信號(hào)，通過隔離變壓器耦合到輸出級(jí)；輸出級(jí)把交流信號(hào)解調(diào)成直流信號(hào)，再經(jīng)濾波和放大，輸出直流電壓。放大器的兩個(gè)輸入端浮空，能夠有效地起測(cè)量放大器的作用。

變壓器耦合的隔離放大器有BB公司的ISO212、3656，AD公司的AD202、AD204、AD210、AD215等。其中AD202/AD204是一種微型封裝的精密隔離放大器，具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小和價(jià)格低等特點(diǎn)。輸入級(jí)將傳感器送來的信號(hào)濾波和放大，并調(diào)制成交AD202功能框圖如圖2.22所示，芯片由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、整流和濾波、電源變換器等組成。圖2.22AD202內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD202功能框圖如圖2.22所示，芯片由放大器、調(diào)制器、解表5.2AD202引腳功能表5.2AD202引腳功能3、電容耦合隔離放大器

采用電容耦合的隔離放大器如BB公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122等。其中，1SO122采用常規(guī)的雙列式封裝，價(jià)格便宜、使用方便。主要技術(shù)指標(biāo)如下：●額定隔離電壓≥1500V（交流60Hz連續(xù)）●隔離阻抗●輸入電壓范圍±12.5V●輸入電阻200kΩ●輸出電源范圍±12.5V3、電容耦合隔離放大器采用電容耦合的隔離放大器如BBISO122的原理框圖如圖2.23所示。輸入和輸出電路對(duì)稱，由基本積分電路（分別由A1、A2組成）、檢測(cè)放大器、滯回比較器及電流開關(guān)K1、K2組成。輸入和輸出部分通過兩個(gè)匹配的1pF電容耦合形成模擬信號(hào)的電氣隔離。圖5.23ISO122的原理框圖ISO122的原理框圖如圖2.23所示。輸入和

當(dāng)檢測(cè)放大器控制開關(guān)K1接通時(shí)，恒流源電流流入A1反相輸入端節(jié)點(diǎn)，恒流源電流流出該節(jié)點(diǎn)。使通過150pF積分電容的電流為當(dāng)檢測(cè)放大器控制開關(guān)K1接通時(shí)，恒流源電流流入A1反

當(dāng)檢測(cè)放大器A3控制開關(guān)K1斷開時(shí)，電流不流入A1反相輸入端節(jié)點(diǎn)，只有電流流出該節(jié)點(diǎn)，積分電流為積分器A1對(duì)或電流積分輸出或恒流對(duì)150pF電容充電所形成的線性斜坡電壓信號(hào)，當(dāng)信號(hào)達(dá)到滯回比較器的閾值電壓時(shí)，滯回比較器輸出當(dāng)檢測(cè)放大器A3控制開關(guān)K1斷開時(shí)，電流不流入A1滯回比較器輸出翻轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)匹配的1pF電容耦合至檢測(cè)放大器A3輸入端，A3輸出控制電流開關(guān)K1斷（或通），從而將送入積分器A1的電流由改變?yōu)椋ɑ蛴筛淖優(yōu)椋Ｖ貜?fù)上述過程。A1將輸出對(duì)稱的三角波，滯回比較器(振蕩頻率由內(nèi)部振蕩器控制為500kHz)和檢測(cè)放大器輸出占空比為0.5的對(duì)稱方波，使電流開關(guān)的通、斷時(shí)間完全相等。當(dāng)時(shí)，除去恒流外，還有與成比例的電流注入積分電容，A1輸出波形的上升和下降速率不同，使滯回比較器輸出波形的占空比不再為0.5，電流開關(guān)的通、斷時(shí)間相應(yīng)變化。這時(shí)，比較器輸出的是占空比與輸入信號(hào)的大小和極性成比例的脈沖調(diào)寬信號(hào)，即將輸入模擬量調(diào)制成脈沖調(diào)寬的數(shù)字信號(hào)。滯回比較器輸出翻轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)匹配的1pF電容耦合至檢測(cè)放大器第五章信號(hào)調(diào)理技術(shù)信號(hào)調(diào)理的目的傳感器信號(hào)放大電路調(diào)制解調(diào)電路濾波電路第五章信號(hào)調(diào)理技術(shù)信號(hào)調(diào)理的目的信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。5.1信號(hào)調(diào)理的目的

1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。5.1信號(hào)調(diào)理的

傳感器（Sensor/Transducer）是指能把物理化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用和輸出的電信號(hào)，用于獲取被測(cè)信息，完成信號(hào)的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換的器件。其性能直接影響整個(gè)儀器的性能。5.2傳感器傳感器（Sensor/Transducer傳感器的選用原則

在實(shí)際選用傳感器時(shí)可根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境等因素合理選用，主要應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面：1.傳感器的類型

由于同一物理量可能有多種原理的傳感器可供選用，可根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)、傳感器的使用條件如傳感器的量程、體積、測(cè)量方式（接觸式還是非接觸式）、信號(hào)的輸出方式、傳感器的來源（國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口）、價(jià)格等首先考慮選用何種原理的傳感器。傳感器的選用原則在實(shí)際選用傳感器時(shí)可根據(jù)具體的測(cè)2.傳感器的性能指標(biāo)(1)線性范圍

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。傳感器的線性范圍越寬，量程越大，在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。在量程范圍內(nèi)，靈敏度在理論上應(yīng)保持定值，并且保證一定的測(cè)量精度。

(2)精度

精度是傳感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳感器精度越高，價(jià)格越昂貴。選用傳感器時(shí)，如果測(cè)量目的是定性分析，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不必選用絕對(duì)精度高的傳感器；如果是定量分析，需要獲得精確的測(cè)量值，可選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。2.傳感器的性能指標(biāo)(1)線性范圍

(3)靈敏度

當(dāng)靈敏度提高時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的值隨被測(cè)量的變化加大，有利于信號(hào)處理。通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。但傳感器靈敏度提高，混入被測(cè)量中的干擾信號(hào)也會(huì)被放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。

(4)穩(wěn)定性

傳感器的性能不隨使用時(shí)間而變化的能力稱為穩(wěn)定性。傳感器的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境是影響傳感器穩(wěn)定性的主要因素。應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境選擇具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的傳感器，或采取適當(dāng)措施減小環(huán)境的影響。(3)靈敏度當(dāng)靈敏度提高時(shí)，傳感器輸出信號(hào)

(5)頻率響應(yīng)特性

在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件下，傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，傳感器的頻率響應(yīng)特性好，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍寬。實(shí)用中傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，延遲時(shí)間越短越好。(5)頻率響應(yīng)特性在允許頻率范圍內(nèi)保持不失

放大器(Amplifier)是信號(hào)調(diào)理電路中的重要元件，合理選擇使用放大器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。智能儀器常工作于惡劣環(huán)境中，要求放大電路兼有高輸入阻抗、高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、測(cè)量放大器、隔離放大器等是智能儀器中常用的放大器。5.3.1程控放大器

在通用測(cè)量?jī)x器中，為了適應(yīng)不同的工作條件，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲得合適的分辨率，提高測(cè)量精度，常采用可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｖ悄軆x器含有微處理器，用儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益稱為程控增益放大器（Programmable-GainAmplifer），簡(jiǎn)稱程控放大器(PGA

）。5.3放大器放大器(Amplifier)是信號(hào)調(diào)理電路中的重程控反相放大器、程控同相放大器等（1）程控反相放大器

由理想運(yùn)放條件，有5.4一般反相放大電路程控反相放大器、程控同相放大器等（1）程控反相放大器由理想

如圖5.5所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置受控制信號(hào)C1、C2的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位置而變，從而實(shí)現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當(dāng)放大倍數(shù)小于1時(shí)，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。

5.5反相程控放大電路

如圖5.5所示，虛線框?yàn)槟M開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置(2)程控同相放大器5.6一般同相放大電路同相放大器的增益

改變Rf或R1，同樣可改變放大器的增益，但同相放大器只能構(gòu)成增益放大器，不能構(gòu)成衰減放大器。(2)程控同相放大器5.6一般同相放大電路同相放大器的增5.7程控同相放大電路

下圖2.7為利用8選1集成模擬開關(guān)CD4051構(gòu)成程控同相放大器的原理電路，圖中，C、B、A為通道選擇輸入端，其狀態(tài)由程序（D2、D1、D0的狀態(tài)）控制，C、B、A不同的編碼組合決定開關(guān)與哪一通道接通，從而選擇R0～R7之間的某個(gè)電阻接入電路。實(shí)現(xiàn)程控增益的功能。ABC：0005.7程控同相放大電路下圖2.7為利用8選13．集成程控放大器

集成程控放大器種類繁多，如單端輸入的PGA103PGA100；差分輸入的PGA204、PGA205等。本節(jié)介紹BURR－BROWN公司的PGA202/203程控放大器，它應(yīng)用靈活方便，又無需外圍芯片。（1）性能特點(diǎn)●數(shù)字可編程控制增益：PGA202的增益倍數(shù)為1，10，100，1000；PGA203的增益倍數(shù)為1，2，4，8，PGA202與PGA203級(jí)聯(lián)使用可組成從1～8000倍的16種程控增益。3．集成程控放大器集成程控放大器種類繁多，如單端●增益誤差：G<1000

0.05％～0.15％，G=10000.08％～0.1％；●非線性失真：G=10000.02％～0.06％?！窨焖俳r(shí)間：2μs?！窨焖賶簲[率：20V/μs●共模抑制比：80～94dB?！耦l率響應(yīng)：G<10001MHz；G=1000250kHz?！耠娫垂╇姺秶骸?～±18V?！裨鲆嬲`差：G<10000.05％～0.15％，（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GA202/203采用雙列直插封裝，根據(jù)使用溫度范圍的不同，分為陶瓷封裝(－25～＋85℃)和塑料封裝(0～＋70℃)兩種。引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示：

圖5.8PGA202/203引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)GA202/203采用雙列直插封裝，根

其中，A0、A1為增益數(shù)字選擇輸入端，與TTL、CMOS電平兼容，可以和任何單片機(jī)的I/O口直接相連，其增益選擇及增益誤差見表2.1。表5.1增益選擇及誤差其中，A0、A1為增益數(shù)字選擇輸入端，與TTL、CMO

除表中提供的幾種增益外，PGA202/203外接如圖5.9所示的緩沖器及衰減電阻，改變電阻R1與R2的比值，可獲得更多不同的增益圖5.9改變外接電阻獲得可變?cè)鲆鎴D增益與電阻的關(guān)系為除表中提供的幾種增益外，PGA202/203外接如圖（3）PGA202基本用法PGA202不需任何外部調(diào)整元件就能可靠工作。但為了保證效果更好，在正、負(fù)電源端分別連接一個(gè)1μF的旁路鉭電容到模擬地，且盡可能靠近放大器的電源引腳，如圖5.10所示，由于11腳、4腳上的連線電阻都會(huì)引起增益誤差，因此11、4腳連線應(yīng)盡可能短。圖5.10PGA202的基本用法（3）PGA202基本用法PGA202不需任PGA202/203與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連接可構(gòu)成自動(dòng)增益控制電路，如圖5.11所示。圖2.11利用PGA202自動(dòng)增益控制電路

PGA202/203與比較器、二進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器連

將PGA202和PGA203兩片級(jí)聯(lián)，如圖2.12所示，A3、A2、A1、A0組合可有16種狀態(tài)，可在1～8000范圍內(nèi)選擇16種增益。圖5.12PGA202/203級(jí)聯(lián)電路A0A1A2A30101放大倍數(shù)是多少？將PGA202和PGA203兩片級(jí)聯(lián)，如圖2.12所5.3.2儀用放大器

在智能儀器中，常常需要精確放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號(hào)，要求放大電路輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、穩(wěn)定性好。這種用來放大傳感器輸出的微弱電壓或電流信號(hào)的放大電路稱為儀用放大電路（測(cè)量放大電路）。1．儀用放大器原理

儀用放大器(InstrumentationAmplifier)由3個(gè)運(yùn)算放大器組成，如下圖5.13所示5.3.2儀用放大器在智能儀器中，常常需要精確圖5.13儀用放大器原理由上圖得到運(yùn)放的放大倍數(shù)如何得到？推到過程P17圖5.13儀用放大器原理由上圖得到運(yùn)放的放大倍數(shù)如何得到

將前述的可編程增益放大器PGA202/203的輸入端接上運(yùn)放（如OPA27）及電阻網(wǎng)絡(luò)，可組成低噪聲的差分儀用放大器，如圖2.14所示。圖中使用PGA203由于電阻網(wǎng)絡(luò)的存在，所得到的放大倍數(shù)分別是100、200、400、800，即在原PGA203增益的基礎(chǔ)上增加了100倍。適當(dāng)改變200Ω的電阻，還可得到其他放大倍數(shù)。圖5.14由OPA27及PGA203構(gòu)成的可變?cè)鲆鎯x用放大器推到過程將前述的可編程增益放大器PGA202/203的輸入端2.集成儀用放大器集成儀用放大器有美國(guó)AnalogDevice公司的522、AD512、AD620、AD623、AD8221，BB公司的INA114、118；MAXIM公司的MAX4195、4196、4197等。其中，INA114是一種通用儀用放大器，尺寸小、精度高、價(jià)格低?！袷д{(diào)電壓低（≤50μV）●漂移?。ā?.25μV/℃）●輸入偏置電流低（≤2nA）●共模抑制比高（G=1000時(shí)≥115dB）主要性能如下：2.集成儀用放大器集成儀用放大器有美國(guó)AnalogDev●工作溫度

-40℃～+125℃●靜態(tài)電流?。ā?mA）●內(nèi)部輸入保護(hù)能夠長(zhǎng)期耐受±40V電壓●工作電壓范圍寬（±2.25V～±18V），可使用電池（組）或5V單電源供電系統(tǒng)，只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置1至10000之間的任意增益值●工作溫度-40℃～+125℃●靜態(tài)電流?。ā?mA）●圖5.16INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5.16INA114內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5.17INA114的基本連接方法圖5.17INA114的基本連接方法

在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或高阻電源場(chǎng)合，其輸出其中G為增益在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或“50kΩ”是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金屬膜電阻，已用激光調(diào)整到精確的值。增益的精確度和漂移額定值中包含了這兩個(gè)電阻的精確度和溫度系數(shù)；RG為外部電阻，其穩(wěn)定性和溫漂也對(duì)增益有影響。從左式可見，增益越高，需要的阻值越低，所以接線電阻也很重要，線路上增加的插座會(huì)使增益誤差額外地增加，并且很可能是不穩(wěn)定的誤差“50kΩ”是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這兩個(gè)電阻為金5.3.3隔離放大器

隔離放大器(IsolationAmplifier)輸出端和輸入端各自具有不同的電位參考點(diǎn)、即輸入端和輸出端沒有直接的電耦合，而是通過光、變壓器或電容等耦合元件耦合。輸入端和輸出端的絕緣電壓一般達(dá)1000V以上，絕緣電阻達(dá)數(shù)十ΜΩ。因此輸入端的干擾不會(huì)直接到達(dá)輸出端，多路通道使用隔離放大器時(shí)相互之間不會(huì)影響。當(dāng)儀器工作環(huán)境噪聲較大而信號(hào)較小時(shí)，采用隔離放大器可保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全，提高共模抑制比，獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。5.3.3隔離放大器隔離放大器(Isol隔離放大器的符號(hào)如圖2.18所示圖2.18隔離放大器的符號(hào)按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦合和電容耦合三種。1、光電耦合隔離放大器

光電耦合隔離放大器以光為耦合媒介，輸入與輸出在電氣上完全隔離，通過光信號(hào)的傳遞實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞。隔離放大器的符號(hào)如圖2.18所示圖2.18隔離放大器的符圖5.19為光電隔離放大器基本原理，輸入級(jí)激勵(lì)發(fā)光管，由光電管將光信號(hào)耦合到輸出級(jí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。其輸入、輸出級(jí)之間不能有電的連接，即前、后級(jí)不能共用電源和地線。圖5.19光電隔離放大器基本原理圖5.19為光電隔離放大器基本原理，輸入級(jí)激勵(lì)發(fā)光管，由光電

采用光電耦合原理的隔離放大器有BB公司：ISO100、ISO130、3650、3652、HP公司：HCPL7800/7800A/7800B等。為簡(jiǎn)化電路、節(jié)省空間、降低成本、提高性能，有一些隔離放大器提供了內(nèi)置DC/DC變換器，給使用者提供更大的靈活性，如BB公司的IS0212、ISO213、AD公司的AD202，AD204、AD210、AD215等。本節(jié)介紹BB公司生產(chǎn)的光電隔離放大器3650，其電路原理如圖所示采用光電耦合原理的隔離放大器有為簡(jiǎn)化電路、節(jié)省空間、降低成圖5.20光電隔離放大器3650的電路原理圖理想運(yùn)算放大器A1和光電二極管、發(fā)光二極管構(gòu)成負(fù)反饋回路，用于減小非線性和時(shí)間溫度的不穩(wěn)定性。圖5.20光電隔離放大器3650的電路原理圖理想運(yùn)算放大VD1、VD3分別為輸入端和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管，它們從發(fā)光二極管VD2接收到的光量相等即由理想運(yùn)放特性知VD1、VD3分別為輸入端和輸出端的兩個(gè)性能匹配的光電二極管輸出回路中，放大器A2與內(nèi)置電阻（）構(gòu)成I/V轉(zhuǎn)換電路，有可見，輸出與輸入成線性關(guān)系。只要VD1、VD3一致性得到保證，信號(hào)的耦合就不會(huì)受光電器件的影響。輸出回路中，放大器A2與內(nèi)置電阻（2、變壓器耦合隔離放大器