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          儀表放大器電路設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2014-11-13 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            0 引 言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/265321.htm

            智能儀表儀器通過輸入的信號(hào),一般都具有“小”信號(hào)的特征:信號(hào)幅度很小(毫伏甚至微伏量級(jí)),且常常伴隨有較大的噪聲。對(duì)于這樣的信號(hào),電路處理的第一步通常是采用先將小信號(hào)放大。放大的最主要目的不是增益,而是提高電路的信噪比;同時(shí)電路能夠分辨的輸入信號(hào)越小越好,動(dòng)態(tài)范圍越寬越好。電路性能的優(yōu)劣直接影響到智能儀表儀器能夠檢測(cè)的輸入信號(hào)范圍。本文從儀表放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理出發(fā),設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案,通過分析、比較,給出每一種電路方案的特點(diǎn),為電路設(shè)計(jì)愛好者、學(xué)生進(jìn)行電子電路實(shí)驗(yàn)提供一定的參考。

            1 儀表放大器電路的構(gòu)成及原理

            儀表放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中,運(yùn)放A1,A2為同相差分輸入方式,同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗,減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減;差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大,而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用,使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運(yùn)放A3為核心部件組成的差分放大電路中,在CMRR要求不變情況下,可明顯降低對(duì)電阻R3和R4,RF和R5的精度匹配要求,從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2,R3=R4,Rf=R5的條件下,圖1電路的增益為:G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可見,電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變Rg阻值實(shí)現(xiàn)。

            

           

            2 儀表放大器電路設(shè)計(jì)

            2.1 儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案

            目前,儀表放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類:第一類由分立元件組合而成;另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有元器件,文中分別以單運(yùn)放LM741和OP07,集成四運(yùn)放LM324和單片集成芯片AD620為核心,設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路方案。

            方案1 由3個(gè)通用型運(yùn)放LM741組成三運(yùn)放儀表放大器電路形式,輔以相關(guān)的電阻外圍電路,加上A1,A2同相輸入端的橋式信號(hào)輸入電路,如圖2所示。

            

           

            圖2中的A1~A3分別用LM741替換即可。電路的工作原理與典型儀表放大器電路完全相同。方案2 由3個(gè)精密運(yùn)放OP07組成,電路結(jié)構(gòu)與原理和圖2相同(用3個(gè)OP07分別代替圖2中的A1~A3)。

            方案3 以一個(gè)四運(yùn)放集成電路LM324為核心實(shí)現(xiàn),如圖3所示。它的特點(diǎn)是將4個(gè)功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個(gè)集成芯片里,這樣可以大大減少各運(yùn)放由于制造工藝不同帶來(lái)的器件性能差異;采用統(tǒng)一的電源,有利于電源噪聲的降低和電路性能指標(biāo)的提高,且電路的基本工作原理不變。方案4 由一個(gè)單片集成芯片A13620實(shí)現(xiàn),如圖4所示。它的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:一個(gè)AD620,一個(gè)增益設(shè)置電阻Rg,外加工作電源就可以使電路工作,因此設(shè)計(jì)效率最高。圖4中電路增益計(jì)算公式為:G=49.4K/Rg+1。

            

           

            

           

            2.2 性能測(cè)試與分析

            實(shí)現(xiàn)儀表放大器電路的四種方案中,都采用4個(gè)電阻組成電橋電路的形式,將雙端差分輸入變?yōu)閱味说男盘?hào)源輸入。性能測(cè)試主要是從信號(hào)源Vs的最大輸入和Vs最小輸入、電路的最大增益及共模抑制比幾方面進(jìn)行仿真和實(shí)際電路性能測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表1和表2。其中,Vs最大(小)輸入是指在給定測(cè)試條件下,使電路輸出不失真時(shí)的信號(hào)源最大(小)輸入;最大增益是指在給定測(cè)試條件下,使輸出不失真時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的電路最大增益值。共模抑制比由公式KCMRR=20|g | AVd/AVC|(dB)計(jì)算得出。

            說明:

            (1)f為Vs輸入信號(hào)的頻率;

            (2)表格中的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)全部以峰峰值表示;

            (3)由于仿真器件原因,實(shí)驗(yàn)中用Multisim對(duì)方案3的仿真失效,表1中用“-”表示失效數(shù)據(jù);

            (4)表格中的方案1~4依次分別表示以LM741,OP07,LM324和AD620為核心組成的儀表放大器電路。

            由表1和表2可見,仿真性能明顯優(yōu)于實(shí)際測(cè)試性能。這是因?yàn)榉抡骐娐返男阅芑旧鲜怯煞抡嫫骷男阅芎碗娐返慕Y(jié)構(gòu)形式確定的,沒有外界干擾因素,為理想條件下的測(cè)試;而實(shí)際測(cè)試電路由于受環(huán)境干擾因素(如環(huán)境溫度、空間電磁干擾等)、人為操作因素、實(shí)際測(cè)試儀器精確度、準(zhǔn)確度和量程范圍等的限制,使測(cè)試條件不夠理想,測(cè)量結(jié)果具有一定的誤差。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中,仿真與實(shí)際測(cè)試各有所長(zhǎng)。一般先通過仿真測(cè)試,初步確定電路的結(jié)構(gòu)及器件參數(shù),再通過實(shí)際電路測(cè)試,改進(jìn)其具體性能指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置。這樣,在保證電路功能、性能的前提下,大大提高電路設(shè)計(jì)的效率。

            

           

            由表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出:方案2在信號(hào)輸入范圍(即Vs的最大、最小輸入)、電路增益、共模抑制比等方面的性能表現(xiàn)為最優(yōu)。在價(jià)格方面,它比方案1和方案3的成本高一點(diǎn),但比方案4便宜很多。因此,在四種方案中,方案2的性價(jià)比最高。方案4除最大增益相對(duì)小點(diǎn),其他性能僅次于方案2,具有電路簡(jiǎn)單,性能優(yōu)越,節(jié)省設(shè)計(jì)空間等優(yōu)點(diǎn)。成本高是方案4的最大缺點(diǎn)。方案1和方案3在性能上的差異不大,方案3略優(yōu)于方案1,且它們同時(shí)具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì),但性能上不如方案2和方案4好。

            綜合以上分析,方案2和方案4適用于對(duì)儀表放大器電路有較高性能要求的場(chǎng)合,方案2性價(jià)比最高,方案4簡(jiǎn)單、高效,但成本高。方案1和方案3適用于性能要求不高且需要節(jié)約成本的場(chǎng)合。針對(duì)具體的電路設(shè)計(jì)要求,選取不同的方案,以達(dá)到最優(yōu)的資源利用。電路的設(shè)計(jì)方案確定以后,在具體的電路設(shè)計(jì)過程中,要注意以下幾個(gè)方面:

            (1)注意關(guān)鍵元器件的選取,比如對(duì)圖2所示電路,要注意使運(yùn)放A1,A2的特性盡可能一致;選用電阻時(shí),應(yīng)該使用低溫度系數(shù)的電阻,以獲得盡可能低的漂移;對(duì)R3,R4,R5和R6的選擇應(yīng)盡可能匹配。

            (2)要注意在電路中增加各種抗干擾措施,比如在電源的引入端增加電源退耦電容,在信號(hào)輸入端增加RC低通濾波或在運(yùn)放A1,A2的反饋回路增加高頻消噪電容,在PCB設(shè)計(jì)中精心布局合理布線,正確處理地線等,以提高電路的抗干擾能力,最大限度地發(fā)揮電路的性能。

            3 結(jié) 語(yǔ)

            在具體討論儀表放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了四種儀表放大器電路。通過仿真與實(shí)際性能測(cè)試,分析、總結(jié)出四種方案的特點(diǎn),為儀表放大器電路的設(shè)計(jì)者提供一定的思路借鑒。

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