【正文】 1 檢測裝置的信號處理技術(shù) 填空題 運(yùn)算 放 大器 反相放大器 的放大倍數(shù)及傳遞函數(shù)是（ G=U0/Ui=R1/R G（ S） =U0（ S） /Ui（ S） ） 同 相放大器 的放大倍數(shù)（ G=U0/Ui=（ R1/R2十 1)） 。 ( a )Z1( b )_Ui+AZ2U0R1_Ui +AR2U0 測量放大器，又稱 （ 儀用 ） 放大器、數(shù)據(jù)放大器 。 測量放大器 廣泛用于傳感器的信號放大，特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合。 測量放大器除了對低電平信號進(jìn)行線性放大外，還擔(dān)負(fù)著 （ 阻抗匹配和抗共模干擾 ） 的任務(wù) 。 測量放大器的組成 ： 測量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器組成，其中 Al、 A2二個(gè)同相放大器組成 （ 前級 ） ，為對稱結(jié)構(gòu)， 輸入信號加在 Al、 A2的同相輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。 （ 差動(dòng)放大器 ） A3為后級，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式，適應(yīng)對地負(fù)載的需要 。 R2 R3R39。 1GR39。 2 R39。 3R1R+++U i +A1U i A2A3 U0 測量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計(jì)算 （ G= Uo/Ui=（ R3/R2） （ 1+R1/ RG+ R39。1/ RG） AD521： ①、 AD521的管腳功能與基本接法如圖 123所示。 ② 、 管腳 OFFSET ( 6)用來調(diào)節(jié)放大器零 點(diǎn)，調(diào)整方法是將該端子接到 10kn電位器的兩固定端，滑動(dòng)端接負(fù)電 源 端。 ③、 測量放大器計(jì)算公式為 ： G=UOUT/UIN=（ RS/RG） 放大倍數(shù)在 1000范圍內(nèi)調(diào)整，選用 Rs=1000k土 15%時(shí)，可以得到較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。 ④、 在使用 AD521 (或其他測量放大器 )時(shí)，都要特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入 (1或3)端必須與電源的地線相連構(gòu)成回路?？梢灾苯酉噙B，也可以通過電阻相連。 +_R s = 1 0 0 0 kR6G12Ui10kRsS E N S E5O F F S E T14Rs1O U T P U T88711CO M D6754RE F13410332V+1V291011121314+ INV+U0+ INVINO F F S E TR GINGRA D 5 2 1 圖 123 AD521管腳功能與基本接法 a)管腳 功能 b)基本接法 ⑤ 、 圖 （ 124） 中給出了信號處理電路中與傳感器不同的藕合方式下的接地方法。 電容器糯合通過電阻 R為偏置電流提供回路 2 R s = 1 0 0 0 k61210k5141 811R7413103V+V2CU0CR GUR s = 1 0 0 0 k61210k5141 811 7413103V+V2 U0R GR s = 1 0 0 0 k61210k5141 811 7413103V+V2 U0R G 圖 124 AD521的輸入信號藕合方式 a)變壓器 藕 合 b)熱電偶直接 藕 合 c)電容器 藕 合 (2)、 AD522 ①、 AD522也是單芯片集成精密測量放大器，當(dāng)放大倍數(shù)為 100時(shí)，非線性僅為 ％ ，在 100Hz頻帶內(nèi)噪聲的峰值為 1. 5mV，其中共模抑制比 CMRR大于 120dB (當(dāng)放大倍數(shù)為 1000時(shí) )。 ②、 AD522的管腳功能如圖 125所示。管腳 6是調(diào)零端， 2和 14端連接調(diào)整放大倍數(shù)的電阻。與 AD521不同的是，該芯片引出了電源地 9和數(shù)據(jù)屏蔽端 13，該端用于連接輸入信號引線的屏蔽網(wǎng)，以減少外電場對輸入信號的干擾。 ③、 圖 126所示為 AD522在信號處理中與直流測量電橋的連接圖。 圖中的信號地必須與電 源 地相連，以便為放大器的偏置電流構(gòu)成通路。 連接在端子 2和 14之間的 RG是調(diào)整增益電位器，調(diào)整 RG大小，即可調(diào)整測量放大器的倍數(shù)。 SENSE為 檢測端子， REF為參考端子，這兩個(gè)端子的作用主要是消除放大器負(fù)載的影響，在該電路中分別接在放大器輸出端和電源公共端。 輸出電壓 U。計(jì)算如下 ： Uo=（ 1+200k/ RG） {（ U1U2） [（ U1+U2） /2]（ 1/CMRR） } （ 126） 當(dāng)共模抑制比 CMRR≥ 1時(shí)，上式變?yōu)?： Uo=（ 1+200k/ RG） {（ U1U2） （ 127） +_R GA D 5 2 2NSS E N S EN U L LD A T A G U A RDO U T P U T 87G N D65RE F432191011121314V++ INVINN U L LR G U1612Ui10k5141811741393VsV s2+VU0U2GRA D 5 2 210uF10uF 圖 12 測量放大器 AD522用于電橋的典型電路 三 、程控測量 放 大器 PGA 3 ①、 當(dāng)傳感器的輸出與自動(dòng)測試裝置或系統(tǒng)相連接時(shí)，特別是在多路信號檢測時(shí)，各檢測點(diǎn)因所采用的傳感器不同，即使同一類型傳感器，根據(jù)使用條件的不同，輸出的信號 電平也有較大的差異，通常從微伏到伏，變化范圍很寬。 ②、 由于 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓通常規(guī)定為 O～ 10V或者 177。5V ，因此若將上述傳感器的輸出電壓直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，就不能充分利用 A/D轉(zhuǎn)換器的有效位，影響測定范圍和測量精度。因此，必需根據(jù)輸入信號電平的大小，改變測量放大器的增益，使各輸入通道均用最佳增益進(jìn)行放大。 ③、 為 滿足此需要，在電動(dòng)單元組合儀表中，常使用各種類型的變送器。 ④、 在含有微機(jī)的檢測系統(tǒng)則采用一種新型的可編程增益放大器 PGA (Programmabll Gain Amplifier)，它是通用性很強(qiáng)的放大器，其特點(diǎn)是硬件設(shè)備少，放大倍數(shù)可根據(jù)需要通過編程進(jìn)行控制，使 A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到均一化。 ⑤、 例如，工業(yè)中使用的各種類型的熱電偶，它們的輸出信號范圍大致在 0～ 60mV左右，而每一個(gè)熱電偶都有其最佳測溫范圍，通?？蓜澐譃?O～ 土 10mV， 0～ 士 20mV， 0～ 土 40mV、 O～ 土 80mV四種量程，針對這 四種量程，只需相應(yīng)地把放大器設(shè)置為 500， 250， 125， ，則可把各種熱電偶輸出信號都放大到 0～ 177。5V 。 程控測量放大器原理結(jié)構(gòu) 1）、 圖 127為程控測量放大器的原理結(jié)構(gòu)圖，它是圖 122電路的擴(kuò)展，增加了模擬開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路。增益選擇開關(guān) S1S39。 S2S39。 S3S39。3成對動(dòng)作，每一時(shí)刻僅有一對開關(guān)閉合，當(dāng)改變數(shù)字量輸入編碼，則可改變閉合的開關(guān)號，選擇不同的反饋電阻，達(dá)到改變放大 器增益的目的。 A1+_R2S 2 39。_U0D0S 3 39。S1 S2 S3D2D1S 1 39。A2+_A3+_R3R 3 39。Ui+ U iR 2 39。 2）、 一個(gè)實(shí)際的程控測量放大器 ： ⑴、 圖 128是一個(gè)實(shí)際的程控測量 放大器原理結(jié)構(gòu)圈，是由美國 AD公司生產(chǎn)的 LH0084。 A1+_x1S 2 39。_U0S 3 39。S1S2S3R7S 1 39。A2+_A3+_R8R1 0Ui+ U ix4S4S 4 39。R6R2R4R1R5R3U 0 39。R1 168G4G1x8G 1 0R97R1 4R1 2R1 3R1 5131112D0D1110 4 ⑵、 在圖 128中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由譯碼 驅(qū)動(dòng)器和雙 4通道模擬開關(guān) 1組成，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字輸入由 D0和 D1二位狀態(tài)決定，經(jīng)譯碼后可有四種狀態(tài)輸出，分別控制 SlS139。、 S2S239。、 S3S339。、 S4S439。四組雙向開關(guān)，從而獲得不同的輸入級增益。 ⑶、 為保證線路正常工作，必須滿足 R2 =R R4=R R6 =R1； ⑷、 該模塊也通過改變輸出端的接線方式來改變后一級放大器 A3的增益。 當(dāng)管腳 6與 10相連作為輸出端，管腳 13接地時(shí)，則放大器 A3的增益 G3=1。改變連線方式，即改變 A3的輸入電阻和反饋電阻，可分別得到 4 倍到 10倍的增益。但這種改變的方法不能用程序?qū)崿F(xiàn)。 3）、 程控測量放大器的應(yīng)用 程控測量放大器 PGA的優(yōu)越性之一 就是能進(jìn)行量程自動(dòng)切換。特別當(dāng)被測參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍比較寬時(shí)，采用程控測量放大 器會更方便，更靈活。 例如 ： 數(shù)字電壓表，其測量動(dòng)態(tài)范圍可以從幾微伏到幾百伏，過去是用于撥動(dòng)切換開關(guān)進(jìn)行量程選擇， 現(xiàn)在，在智能化數(shù)字電壓表中，采用程控放大器和微處理器，可以很容易實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，其原理如圖 129所示。 D is p la yP G A CP UA / DUi 設(shè) PGA的增益為 100三檔 ， AID轉(zhuǎn)換器為 12位雙積分式。用軟件實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換的框圖如圖 1210所示。 自動(dòng)切換量程的過程如下 : ①、 當(dāng)對被測信號進(jìn)行檢測，并進(jìn)行 AID轉(zhuǎn)換后， CPU便判斷是否超值。 ②、 若超值，且這時(shí) PGA的增益已經(jīng)降到最低檔，則說明被測量超過數(shù)字電壓表的最大量程，需轉(zhuǎn)入超量程處理。 ③、 若未在最低檔的位置，則把 PGA的增益降一檔，再重復(fù)前面的處理。 若不超值，便判斷最高位是否為零。 如果是零，則再查增益是否為最高一檔，如不是最高檔，將增益升高一級再進(jìn)行 AID轉(zhuǎn)換及判斷 ； 如果是 1，或 PGA已經(jīng)升到最高檔，則說明量程已經(jīng)切換到最合適擋，此時(shí)微處理器對所測得的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步處理。因此智能化數(shù)字電壓表可自動(dòng)選取最合適的量程，提高了測量精度。 5 四、隔離般大器 1） 、 在一個(gè)自動(dòng)檢測系統(tǒng)中，都希望在輸人通道中把工業(yè)現(xiàn)場傳感器輸出的模擬信號與檢測系統(tǒng)的后續(xù)電路隔離開來，即無電的聯(lián)系。 2） 、 這樣可以避免工業(yè)現(xiàn)場送出的模擬信號帶來的共模電壓及各種干擾對系統(tǒng)的影響。解決模擬信號的隔離問題要比解決數(shù)字信號的隔離問題困難得多。目前，對于模擬量信號的隔離，廣泛采用隔離放大器。這是近十幾年來發(fā)展起來的新型 器件。 3） 、 隔離放大器按原理分有兩種類型，一種是按變壓器藕合的方式，另一種是利用線性光藕合器再加相應(yīng)的補(bǔ)償?shù)姆绞健? 4） 、 按變壓器藕合方式工作的隔離放大主種放大器 ： 先將現(xiàn)場模擬信號調(diào)制成交流信號， 通 過變壓器 藕 合給解調(diào)器，輸出的信號再送給后續(xù)電路， 5）、 例如 ： 計(jì)算機(jī)的 AID轉(zhuǎn)換器。 隔離放大器的原理結(jié)構(gòu) ⑴、 隔離放大器由四個(gè)基本部分組成 ： 如圖 1211所示。 ①、 輸入部分包括輸入運(yùn)算放大器、調(diào)制器 ； ②、 輸 出部分包括解調(diào)器、輸出運(yùn)算放大器 ； ③、 信 號輔合變壓器 ； ④、 隔 離電源。 ⑵、 這四 個(gè)基本部 分裝配在 一起，組成模塊結(jié) 構(gòu)，不但用戶使用方 便，同時(shí)提高了可靠 性。此種隔離放大 器組件的核心技 術(shù)是超小型變壓 器及其精密 裝配技術(shù)。 這樣一個(gè)非 常復(fù)雜的功 能組件， 其體積只有 64 12 9mm3，安裝形式為雙列直插式，插座用 40腳插座。 ⑶、 國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的是美國 AD公司的隔離放大器 ； 如 ： Mode127 Mode127 AD29 AD294等。 ⑷、 典型的隔離放大器原理圖如圖 1212所示。 圖 1212a為原理框圖， 圖 1212b為簡化的功能圖。 ⑸、 對它的結(jié)構(gòu)簡要說明如下 ： 外加直流電源 Vs； 經(jīng)穩(wěn)壓器后為 電源振蕩器提供電源，可產(chǎn)生 100kHz的高頻電壓，分兩路輸出。一路到輸入部分，其中 C繞組作為調(diào)制器的交流電源，而 b繞組供給 1號 隔離電源形成士 15V的浮空電源，可作為前置放大器 Al及外附加電路的直流電源。另一路到輸出部分 ， e繞組作為解調(diào)器的交流電源，而 d繞組供給 2號 隔離電源形