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1、测量系统的调理电路测量系统的调理电路本节主要内容本节主要内容通用运算放大器通用运算放大器仪表放大器仪表放大器程控、隔离放大器程控、隔离放大器数字化电气测量系统构成数字化电气测量系统构成电气测量系统的调理电路电气测量系统的调理电路在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部分，其功能在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部分，其功能可以概括成以下几点：可以概括成以下几点：n放大作用：放大作用：将传感器的输出的小信号放大成将传感器的输出的小信号放大成ADC所需要的单端所需要的单端（single-ended）电压信号。）电压信号。n共模抑制：共模抑制：针对含共模分量的差分信号输入，调理电路的
2、输出应只针对含共模分量的差分信号输入，调理电路的输出应只放大输入的差模信号，输出信号中共模分量理想情况下应为零。放大输入的差模信号，输出信号中共模分量理想情况下应为零。n阻抗转换：阻抗转换：将高阻信号源输出的信号转变成低内阻信号后，再送至将高阻信号源输出的信号转变成低内阻信号后，再送至下级放大电路放大。下级放大电路放大。n电气隔离：电气隔离：电气隔离是指高电压和大电流的主回路与电子测量和控电气隔离是指高电压和大电流的主回路与电子测量和控制系统间的隔离，隔离最好在传感器制系统间的隔离，隔离最好在传感器/变换器处完成变换器处完成,也可采用隔离也可采用隔离调理电路调理电路,实现的方法有光电隔离和变压
3、器隔离。实现的方法有光电隔离和变压器隔离。运算放大器运算放大器高速放大器（大于等于高速放大器（大于等于50MHz）(164)精密放大器精密放大器(510)低功耗低功耗(117)低输入偏置电流低输入偏置电流/FET输入输入(31)低噪声低噪声(45)宽带宽带(135)低偏移电压低偏移电压(99)高电压高电压(4)(连接至信号电缆屏蔽层。连接至信号电缆屏蔽层。作用：提高交流信号共模抑制比（作用：提高交流信号共模抑制比（ACCMR）。）。集成差分放大器集成差分放大器AD8200系列系列集成仪表放大器的共模抑制比集成仪表放大器的共模抑制比CMRR虽然很高，但允许输入的共虽然很高，但允许输入的共模电压范
4、围却受正负电源电压的范围限制。在有些应用中，前置放大模电压范围却受正负电源电压的范围限制。在有些应用中，前置放大器的共模输入电压范围远远超出电源电压范围，集成差分放大器在集器的共模输入电压范围远远超出电源电压范围，集成差分放大器在集成仪表放大器的前级增加一个专门抑制高共模输入的差分放大级。成仪表放大器的前级增加一个专门抑制高共模输入的差分放大级。ADI的的AD8200系列在单系列在单+5V供电时允许的共模电压范围为供电时允许的共模电压范围为-8V+28V，其内部结构如图所示。，其内部结构如图所示。A1与两侧的分压电阻配合，可以扩展与两侧的分压电阻配合，可以扩展输入共模电压的范围。输入共模电压的
5、范围。程控、隔离放大器程控、隔离放大器程控放大器多档程控放大器，通过两位程控信号多档程控放大器，通过两位程控信号C C1 1和和C C2 2来控制模拟开关来切换反馈电阻来控制模拟开关来切换反馈电阻RfRf ，可实现四个档的闭环增益值，可实现四个档的闭环增益值R Rf0f0/R/R、R Rf1f1/R/R、R Rf2f2/R/R和和R Rf3f3/R/R。特点：特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值。电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值。可编程增益放大器的增可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路益可通过数字逻辑电路来控制。来控制。隔离运算放大器隔离运算放大器
6、n隔离运算放大器是指隔离运算放大器是指输入、输出不共地，输入、输出不共地，目的是保证输入、输目的是保证输入、输出更好的隔离。出更好的隔离。n常用的隔离放大器主常用的隔离放大器主要有要有电磁（变压器）电磁（变压器）耦合和光电耦合耦合和光电耦合两种两种形式。形式。作用：作用：（1 1）抗干扰（干扰信号过不去）；）抗干扰（干扰信号过不去）；（2 2）安全考虑，对测量人员和测量仪器有益。）安全考虑，对测量人员和测量仪器有益。隔离运算放大器隔离运算放大器AD202/204、AD284、AD289、BGF01等。等。集成隔离运放的特点是三端口隔离，能抗高的共模电压（集成隔离运放的特点是三端口隔离，能抗高的
7、共模电压（1500V），高共），高共模抑制比，高输入阻抗，高精度，低漂移和低噪声等，广泛用于数字采集模抑制比，高输入阻抗，高精度，低漂移和低噪声等，广泛用于数字采集系统、医疗仪器、计算机及其他电子设备提供隔离保护。系统、医疗仪器、计算机及其他电子设备提供隔离保护。隔离放大器隔离放大器AD202内部结构图。内部结构图。典型典型集成隔离放大器集成隔离放大器产品产品数字化数据采集系统数字化数据采集系统nA/DA/D转换器的作用转换器的作用将模拟电压量转换为数字量的器件。将模拟电压量转换为数字量的器件。nA/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1 1）分辨力：分辨力：指能够引起指能够引起
8、A/DA/D转换器变化一个字的输入量的变化量。对于转换器变化一个字的输入量的变化量。对于n n位位A/DA/D转换器中，其分辨力为转换器中，其分辨力为 1/(21/(2n n-1)-1)，约等于，约等于 1/(21/(2n n)，或直接称为，或直接称为n n位位分辨力。分辨力。（分度值）（分度值）（2)2)转换精度转换精度 ：主要表现为量化误差，为分辨力数值的一半：主要表现为量化误差，为分辨力数值的一半（3 3）转换时间：指完成一次）转换时间：指完成一次A/DA/D转换所需的时间，决定最高采样频率。转换所需的时间，决定最高采样频率。（5 5）参考电压（基准电压）参考电压（基准电压）（6 6）其
9、它参数（输入电阻、温度系数，共模抑制比等）其它参数（输入电阻、温度系数，共模抑制比等）A/DA/D转换器转换器n采样保持器的作用采样保持器的作用（1 1）保证保证A/DA/D转换器在模数转换期间输入电压信号是稳定不变的；转换器在模数转换期间输入电压信号是稳定不变的；（2 2）S/HS/H是以是以“快采慢测快采慢测”的方法实现对快速变化信号进行测量的方法实现对快速变化信号进行测量的有效手段。的有效手段。采样保持电路采样保持电路(S/H)采样保持器的结构采样保持器的结构 采样保持电路通常由采样保持电路通常由保持电容器，输入输出缓冲放大器，逻辑输保持电容器，输入输出缓冲放大器，逻辑输入控制的开关电路
10、入控制的开关电路等组成等组成 对低频信号（直流信号）不需要对低频信号（直流信号）不需要S/HS/H。采样期间：采样期间：开关闭合，模开关闭合，模拟输入信号向保持电容充拟输入信号向保持电容充电，电，A2A2的输出电压跟随输的输出电压跟随输入信号的变化。入信号的变化。保持期间：保持期间：开关断开，电开关断开，电容器上的电压可维持不变，容器上的电压可维持不变，A2A2的输出电压送至的输出电压送至A/DA/D转换转换器进行模数转换。器进行模数转换。多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式 每个通道都有各自独自的采样保持器与每个通道都有各自独自的采样保持器与A/DA/D转换器，这
11、种结转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速数据采集进行同步、高速数据采集。多通道A/D转换 各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/DA/D转换转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行器。通过多路开关分，对各路信号分时进行A/DA/D转换。能够转换。能够实现多路信号的同步采集实现多路信号的同步采集，但，但采集速度稍慢采集速度稍慢。多通道共享A/D转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式 各通道公用一个采样保持器和各通道公用一个采样保持器和A/DA/D转换器。工作时，通过多路转
12、换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现多路多路信号的分时采集信号的分时采集，而，而非同步采集非同步采集。并且。并且采集速度最慢采集速度最慢。优点是。优点是节省节省硬件成本，适于对采集速度要求不高的应用场合硬件成本，适于对采集速度要求不高的应用场合。多通道共享采样保持器与多通道共享采样保持器与A/DA/D转换器转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式本章小结本章小结调理电路调理电路通用运算放大器结构特点通用运算放大器结构特点测量（仪表）放大器特性分析测量（仪表）放大器特性分析高精度集成运放，程控放大器、隔离放大器、乘法器及其应高精度集成运放，程控放大器、隔离放大器、乘法器及其应用用电气测量中的共模信号的产生及其危害电气测量中的共模信号的产生及其危害