6.4 电子信息系统预处理中所用放大电路

 

6.4 电子信息系统预处理中所用放大电路

在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。本节将介绍几种常用的放大电路和预处理中的一些实际问题。

6.4.1 仪表放大器

集成仪表放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大。

一、仪表放大器的特点

在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言，信号源内阻 𝑅𝑠Rs​ 是变量，根据电压放大倍数的表达式

可知，放大器的放大能力将随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻 𝑅𝑖𝑛≫𝑅𝑠Rin​≫Rs​， 𝑅𝑖𝑛Rin​ 越大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。

此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力。

综上所述，仪表放大器除了具有足够大的差模放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。

二、基本电路

集成仪表放大器的具体电路多种多样，但是很多电路都是在图6.4.1所示电路的基础上演变而来的。根据运算电路的基本分析方法，在图6.4.1所示电路中，

因而

即

设

则

当 𝑢𝑖𝑛=𝑢1=𝑢2uin​=u1​=u2​ 时，由于 𝑢𝐴1=𝑢𝐴2uA1​=uA2​， 𝑅2R2​ 中电流为零， 𝑢𝑜𝑢𝑡=0uout​=0。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

图6.4.1 三运放构成的精密放大器

三、集成仪表放大器

图6.4.2所示是型号为INA102的集成仪表放大器，图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由 𝐴1A1​ 和 𝐴2A2​ 组成，与图6.4.1所示电路中的 𝐴1A1​ 和 𝐴2A2​ 对应，电阻 𝑅1R1​、𝑅2R2​ 和 𝑅𝑓Rf​ 与图6.4.1中的 𝑅R 对应，第二级电路的电压放大倍数为1。

四、应用举例

图6.4.4所示为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为-50～+150℃，分辨率为0.1℃。电路由三部分组成，如图中所标注。𝑅1R1​、𝑅2R2​、𝐷D 和 𝑅𝑓Rf​ 构成测量电桥，𝐷D 为温度测试元件，即温度传感器。电桥的输出信号接到集成仪表放大器INA102即 𝐴1A1​ 的输入端进行放大。𝐴2A2​ 构成的电压跟随器，起隔离作用，并驱动电压表，实现数字化显示。

设放大后电路的灵敏度为10 mV/℃，则在温度从-50℃变化到+150℃时，输出电压的变化范围为2 V，即从-0.5~+1.5 V。当INA102的电源电压为±18 V时，可将INA102的引脚②、⑥和⑦连接在一起，设定仪表放大器的电压放大倍数为10，因此仪表放大器的输出电压范围为-5~+15 V。根据运算电路的分析方法，可以求出 𝐴1A1​ 和 𝐴2A2​ 输出电压的表达式为

改变 𝑅2R2​ 滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据。

 

6.4.2 电荷放大器

电容性传感器的工作原理

在现代电子信息系统中，某些传感器如压电式加速度传感器和压力传感器属于电容性传感器。这类传感器的主要特点是具有非常高的阻抗和容性，其输出电压通常非常微弱。电容性传感器在工作时会产生与被测物理量成正比的电荷量，这种电荷量的产生通常具有较好的线性度，使得传感器能够精准地反映被测物理的变化。

积分运算电路的应用

为了将电荷量有效地转换成电压量，通常会使用积分运算电路。这类电路能够通过对电荷进行积分处理来输出对应的电压值。如图6.4.5所示，电容性传感器可以被等效为一个产生电动势（n）的电源，与一个输出电容（C）串联。根据理想运算放大器的“虚短”和“虚断”原则，我们可以设定运算放大器的输入端（up）为虚地状态，即up等于0。这样做可以将传感器对地的杂散电容短路，消除由此产生的误差。

输出电压的计算与电阻并联

在电荷放大器的设计中，式(6.4.4)可以用来描述n、C和电容上的电量q之间的关系。将这一关系式代入到输出电压的计算中，我们可以得到输出电压的具体表达式，如式(6.4.5)所示。为了防止电容C₁因长时间充电导致集成运放饱和，通常会在C₁上并联一个电阻R₁。这样的并联不仅可以防止运放饱和，还能确保传感器输出信号的频率不会过低，频率应大于某一设定阈值，以保持信号的稳定传输。

图6.4.5与图6.4.6的解释

图6.4.5展示了一个基本的电荷放大器电路图，而图6.4.6则展示了在电容C上并联电阻R的电荷放大器，这种设计有助于提高电路的稳定性和可靠性。在实用电路中，通常会将电荷放大器直接安装在传感器内部，以减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响。此外，为了防止传感器在过载时输出过大，通常会在集成运放的输入端加装保护二极管。

以上描述为电荷放大器的基本工作原理及其应用，通过精确地处理和转换电荷信号，这些电路确保了传感器能够有效地与电子信息系统进行交互，从而提高了整体系统的性能和精度。

 

6.4.4 放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施

放大电路是电子系统中不可或缺的一部分，特别是在需要处理微弱信号的应用场合。然而，干扰和噪声是影响放大电路性能的两大因素，它们可以严重影响信号的清晰度和精度。本节将详细介绍干扰和噪声的来源，并探讨有效的抑制措施。

一、干扰的来源及抑制措施

来源

在实际应用中，干扰可能来自多种源头，包括但不限于：

• 高压电网：高压电网运行时产生的电磁波可能对周围的电子设备产生影响。
• 电焊机及无线电发射装置：这些设备在操作过程中会产生强烈的电磁波，尤其是在电台、电视台等高功率设备的附近。
• 雷电：雷电产生的尖峰脉冲是一种极端但常见的干扰源。

抑制措施

为了减少这些干扰源对放大电路的影响，可以采取以下措施：

• 远离干扰源：尽可能将敏感设备安装在远离高干扰区域的位置。
• 金属屏蔽罩：使用金属屏蔽罩可以有效屏蔽外部电磁波的干扰。
• 滤波电路：在电源接入点安装钽电容和独石电容并联，可以滤除高频噪声。
• 有源滤波电路：根据已知的干扰频率，设计并使用有源滤波电路可以在特定频率上削弱干扰。

二、噪声的来源及抑制措施

来源

电子电路中的噪声主要有以下几种类型：

• 热噪声：由电子在导体中的随机热运动产生。
• 散弹噪声：由于载流子数目的随机波动产生，常见于PN结。
• 闪烁噪声（1/f噪声）：在低频下显著，与频率成反比，主要由晶体管和场效应管产生。

抑制措施

噪声的抑制可以通过以下策略实现：

• 使用低噪声元件：选择低噪声的集成运放和金属膜电阻替代普通电阻，尤其是在关键的信号路径上。
• 有源滤波电路：根据信号的频率范围，设计合适的有源滤波电路可以有效减少特定频率的噪声。
• 数据处理策略：在数据采集系统中，提高采样频率并采用数据平滑技术（如剔除异常数据，取平均值等）可以减少噪声的影响。

通过上述方法，可以有效地减少放大电路中的干扰和噪声，从而提高电路的整体性能和信号的可靠性。