智能化傳感器中應(yīng)用儀表放大器的電路設(shè)計(jì)解析

喬紅霞

摘 要：儀表放大器在智能化傳感器有著廣泛的應(yīng)用，具有高輸入阻抗性、高共模抑制比、低漂移等特點(diǎn)，特別是在智能化傳感器輸出的小信號(hào)放大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章在闡述智能儀表放大器結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上，分析智能化傳感器中應(yīng)用儀表放大器的電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)用注意事項(xiàng)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：智能化傳感器；儀表放大器；電路設(shè)計(jì)；應(yīng)用

智能化傳感器中應(yīng)用儀表放大器能夠有效收集和放大各種數(shù)據(jù)信息同時(shí)對(duì)共模信號(hào)還具有抑制的功能，但是在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候需要充分考慮輸入共模電壓范圍、增益選擇、放大的差模信號(hào)頻率、濾波、偏置電流等設(shè)計(jì)問(wèn)題。智能儀表儀器輸入的傳感器信號(hào)，一般都具有微小的特征，信號(hào)幅度比較小，且在應(yīng)用的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)噪聲。文章結(jié)合儀表放大器結(jié)構(gòu)和原理特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際具體分析儀表放大器的設(shè)計(jì)，結(jié)合每個(gè)電路的特點(diǎn)來(lái)為電路實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)計(jì)提供重要的支持。

一、智能化傳感器中儀表放大器的構(gòu)成原理

儀表放大器的結(jié)構(gòu)具體如圖所示。經(jīng)過(guò)圖發(fā)現(xiàn)，儀表放大器主要由兩級(jí)差放大器電路共同構(gòu)成，同相差分的輸入方式是A1和A2，通過(guò)同相輸入能夠在很大程度上提升電路的輸入阻抗，減少電路對(duì)微小信號(hào)的衰減。經(jīng)過(guò)不同的差入輸入能夠讓電路對(duì)差模型信號(hào)進(jìn)行放大處理，同時(shí)對(duì)共模輸入信號(hào)起到的重大作用是跟隨，從而讓送到后級(jí)差模信號(hào)和共模信號(hào)幅度值，也就是共模抑制比得到提升，在CMRR要求不發(fā)生變化的情況下，可結(jié)合實(shí)際適當(dāng)?shù)慕档碗娮杈_匹配要求，從而讓儀表放大器線路比一般的差分放大線路具有更強(qiáng)大的共模抑制能力。

二、儀表放大器的電路設(shè)計(jì)

·智能化儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案

現(xiàn)階段，智能化儀表放大器的實(shí)現(xiàn)方式分為兩種，一種是分立元件組成實(shí)現(xiàn)，另外一種是單片集成芯片作用實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)有的元器件，具體以單運(yùn)放和集成四運(yùn)放為關(guān)鍵，結(jié)合具體實(shí)踐設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路方案。第一，由三個(gè)通用運(yùn)放組成的三運(yùn)放儀表放大器電路，并配合電阻外圍電路、A1和A2，將同相互信號(hào)段的橋式信號(hào)輸入到相應(yīng)的電路中。A1、A2和A3可應(yīng)用LM741這種通用型運(yùn)放替代。電路操作原理和構(gòu)成和一般情況下應(yīng)用的儀表放大器相同。第二，應(yīng)用三個(gè)精確密度運(yùn)放組成。第三，應(yīng)用四運(yùn)放集成電路為關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⑺姆N功能的獨(dú)立運(yùn)放集成在一個(gè)芯片中，減少因?yàn)檫\(yùn)放和制造工藝不同帶來(lái)的器件性能差異，同時(shí)應(yīng)用統(tǒng)一的電源能夠在很大程度上降低電源本身的噪聲。第四，應(yīng)用單片集成芯片實(shí)現(xiàn)，具有電路操作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)電源要求低等方面的特點(diǎn)，在應(yīng)用工作電源的情況下就能實(shí)現(xiàn)操作，設(shè)計(jì)效率和應(yīng)用效率良好?！?】

·智能化儀表放大器性能測(cè)試分析

智能化儀表放大器電器電路的四種方案中應(yīng)用的都是電阻組合而成的電橋電路形式，具體是將差分信號(hào)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閱味说男盘?hào)源V。智能化儀表放大器性能測(cè)試主要是從信號(hào)源的最大輸入轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚≥斎?，具體轉(zhuǎn)變的數(shù)據(jù)信息如表一所示。智能化儀表放大器性能測(cè)試最大和最小輸入主要是指在給定的測(cè)試條件下，在電路信息輸入輸出不失真的情況下來(lái)進(jìn)行信號(hào)源的輸入操作。仿真性的智能化儀表放大器性能要比一般測(cè)試性能高，在應(yīng)用的時(shí)候不會(huì)受到外界的干擾。但是在實(shí)際測(cè)量中一般結(jié)合應(yīng)用仿真測(cè)試和實(shí)際測(cè)試，先通過(guò)仿真測(cè)試確定電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，之后通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試對(duì)其性能指標(biāo)和參數(shù)信息設(shè)置問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，在保證電路功能的基礎(chǔ)上提升電路設(shè)計(jì)總體效率。

·智能化儀表放大器電路設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題

·智能儀表放大器的共模范圍

在對(duì)智能儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析之后發(fā)現(xiàn)，共模電壓的輸出電壓是相同的，差模電壓一般出現(xiàn)在增益電阻上，在電流經(jīng)過(guò)之后智能儀表放大器會(huì)出現(xiàn)反饋電阻。因此可以證明，在輸入一定的差模電壓之后，反饋電阻電壓范圍會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在輸入的共模電壓比電源電壓1.25V小的時(shí)候會(huì)達(dá)到理想狀態(tài)的共模抑制比，因而在共模電壓比較大的額時(shí)候需要選擇較高電壓的智能儀表放大器。【2】

·智能化儀表放大器共模電壓的頻率范圍

共模電壓的頻率越高，最終所能夠體現(xiàn)的抑制效果就越不好，并隨著頻率的增加不斷惡化這種情況。如果智能儀表放大器在100Hz的情況下很平坦，在頻率超過(guò)100Hz的時(shí)候，智能儀表放大器就會(huì)快速的下降，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅不會(huì)抑制高頻共模喜好，而且還會(huì)讓共模信號(hào)失去調(diào)節(jié)的作用。因而對(duì)于RF干擾性強(qiáng)的場(chǎng)合，要盡可能選擇共模抑制頻率范圍 強(qiáng)的儀表放大器。同時(shí)，要將高頻噪聲在達(dá)到精密智能化儀表放大器之前對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾操作。

·智能化儀表放大器的差模放大倍數(shù)

在理論下，調(diào)節(jié)智能化儀表放大器的增益就能將差模進(jìn)行放大處理。但是實(shí)際上放大的差模和被測(cè)試的信號(hào)頻率存在很大的關(guān)聯(lián)。在被測(cè)試信號(hào)頻率高的時(shí)候，增益的倍數(shù)會(huì)在無(wú)形中降低。在輸入的信號(hào)頻率是10kHz的時(shí)候，增益的效果不會(huì)超過(guò)80倍。智能化儀表放大器的設(shè)置可以參照各種類型儀表放大器的增益寬指標(biāo)，在增益高的時(shí)候儀表放大器外接電阻會(huì)降低?！?】

·輸入偏置的電流回路設(shè)計(jì)

在偏置電流回路設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要是指在智能儀表放大器的輸入端口中加入所需要的偏執(zhí)電流。智能化儀表放大器的偏置電流分成多個(gè)納安的形式，加上智能儀表當(dāng)大氣輸入阻抗能力強(qiáng)，偏置電流會(huì)隨著電壓的輸入變小，因此需要根據(jù)不同的適用場(chǎng)合來(lái)選擇偏執(zhí)電流回路接地形式。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，智能儀表放大器具有高精確度、低功耗、共模抑制性比較高的特點(diǎn)，被人們廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和放大中，智能儀表放大器能夠?qū)Σ罘中盘?hào)進(jìn)行放大處理，對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制。這個(gè)過(guò)程中需要考慮輸入的共模電壓范圍、增益選擇問(wèn)題。文章在闡述儀表放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真測(cè)試和實(shí)際性能測(cè)試分析了四種類型的放大器電路，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并討論智能化儀表放大器在應(yīng)用操作中需要注意的問(wèn)題，旨在為相關(guān)人員設(shè)計(jì)儀表放大器提供重要的思路和意見(jiàn)參考。

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