数据采集与处理技术_4.

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1、数据采集与处理技术数据采集与处理技术 1 教教 学学 内内 容容 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 2 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 工作原理及主要技术指标工作原理及主要技术指标 3.3 3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 3.4 3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 3.5 3.5 多路开关的配置多路开关的配置 第第3 3单元单元 模拟多路开关模拟多路开关 上上一单元主要内一单元主要内容容 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 3 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 图图1-1 1-1 微型计算机数据采集系统微型计

2、算机数据采集系统 放大放大 器器 采采 样样 / / 保保 持持 器器 传感器传感器 传感器传感器 传感器传感器 A A / / D D 转转 换换 器器 计计 算算 机机 显示器显示器 打印机打印机 绘图机绘图机 定时与逻辑控制定时与逻辑控制 接接 口口 被被 测测 物物 理理 量量 数字信号数字信号 开关信号开关信号 多路开关多路开关 传感器传感器 传感器传感器 传感器传感器 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 4 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 4.3 4.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 4.4 4.4 测量放大

3、器集成芯片测量放大器集成芯片 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 本章教学内容本章教学内容 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 5 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.1 4.1 概述概述 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 6 4.1 4.1 概概 述述 了解放大器的类型了解放大器的类型 了解在数据采集中使用测量放大了解在数据采集中使用测量放大器的器的 原因原因 本节教学目标本节教学目标 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 7 4.1 4.1 概概 述述 两种误解两种误解 ：1.1.凡是测量仪器中使用的放大器，就是凡是测量仪器中使用的放大器，就是 测量放大器；测量放大器； 2.

4、2.测量放大器只应用在测量仪器中。测量放大器只应用在测量仪器中。 测量放大器（测量放大器（Instrumentation AmplifiersInstrumentation Amplifiers） 又称仪用放大器、仪表放大器，简称又称仪用放大器、仪表放大器，简称IAIA 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 8 4.1 4.1 概概 述述 测量放大器的应用非常广泛。除了数据采集测量放大器的应用非常广泛。除了数据采集 和测量仪器领域外，在通信，生物医学工程和测量仪器领域外，在通信，生物医学工程 ，电子对抗、电子侦察，电子安防，自动控，电子对抗、电子侦察，电子安防，自动控 制，视听设备等多个方面都

5、发挥着重要的作制，视听设备等多个方面都发挥着重要的作 用。用。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 9 4.1 4.1 概概 述述 问题：问题：在数据采集中在数据采集中, , 经常会遇到一些微弱经常会遇到一些微弱 的微伏级信号（热电偶的输出信号），的微伏级信号（热电偶的输出信号）， 需要用放大器加以放大。需要用放大器加以放大。 放大器类型放大器类型 通用运算放大器通用运算放大器 测量放大器测量放大器 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 10 4.1 4.1 概概 述述 那么，选择何种放大那么，选择何种放大 器来放大微弱信号？器来放大微弱信号？ 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 11 4

6、.1 4.1 概概 述述 通用运算放大器通用运算放大器 具有具有mVmV级失调电压、数级失调电压、数V V/的的 温飘，不能用于放大温飘，不能用于放大微弱信号。微弱信号。 特点特点 目前市场上的放大器有以下特点。目前市场上的放大器有以下特点。 测量放大器测量放大器 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 12 4.1 4.1 概概 述述 测量放大器的输入阻抗都在测量放大器的输入阻抗都在1010 9 9 欧姆以上欧姆以上 ，输出阻抗通常只有几个毫欧。这是，输出阻抗通常只有几个毫欧。这是普通运普通运 放难以达到放难以达到的。测量放大器的输出可以近似的。测量放大器的输出可以近似 看作看作理想的单端信号

7、源理想的单端信号源。 通过两个对称，并且平衡的差分输入，使通过两个对称，并且平衡的差分输入，使 其对共模信号的抑制能力远高于通用运放。其对共模信号的抑制能力远高于通用运放。 具有低温漂、低失调电压和高稳定增益等具有低温漂、低失调电压和高稳定增益等 特点，在微弱信号检测系统中被广泛用于前特点，在微弱信号检测系统中被广泛用于前 置放大器。置放大器。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 13 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 14 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 了解了解测量测

8、量放大器的电路原理放大器的电路原理 了解测量放大器使用中的两个指标了解测量放大器使用中的两个指标 本节教学目标本节教学目标 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 15 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 有两级运放有两级运放 第一级：第一级：两个同相放大器两个同相放大器A A 1 1 、A A 2 2 输入阻抗高。 输入阻抗高。 第二级：第二级：普通差分放大器普通差分放大器A A 3 3 U Ui i1 1 U Ui i2 2 + + - - A A1 1 - - + + A A2 2 R R GG R R1 1 R R2 2 R R3 3 - - + + A A3 3 R

9、 R4 4 U U OO U U3 3 U U4 4 R R5 5 R R6 6 图图4-1 4-1 测量放大器原理电路测量放大器原理电路 I I GG 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 16 使用测量放大器的两个指标：使用测量放大器的两个指标： 测量放大器的增益测量放大器的增益 由上式可知，调节外接电阻的大小，可以由上式可知，调节外接电阻的大小，可以 改变测量放大器的增益。改变测量放大器的增益。 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 17 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 抗共模干扰能力抗共模干扰能力 对直流共

10、模信号，其抑制比为无穷大对直流共模信号，其抑制比为无穷大。 对交流共模信号。对交流共模信号。 如图如图4.24.2所示所示。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 18 4.24.2 测量放大器的电路原理测量放大器的电路原理 输入信号输入信号 的共模分的共模分 量传给屏量传给屏 蔽体蔽体 输入保护电路输入保护电路 U Ui i1 1 R Ri i1 1 U Ui i2 2 R Ri i2 2 R R3 3 R R1 1 R R4 4 A A3 3 - - + + R R6 6 R R2 2 U U OO R R5 5 R R GG R R2 2 R R1 1 图图4-2 4-2 交流共模干扰影

11、响及抑制方法交流共模干扰影响及抑制方法 A A4 4 + + - - A A2 2 - - + + C C1 1 C C2 2 A A1 1 + + - - 由于输入信号的传输线存在线阻由于输入信号的传输线存在线阻R R i i1 1 、R R i i2 2 和分布电容和分布电容C C 1 1 、C C 2 2 。 R Ri i1 1C C1 1 、 R R i i2 2 C C 2 2 分别对地构成回路分别对地构成回路。 当当R R i i1 1 C C 1 1 R Ri i2 2 C C 2 2 时，交流共模信号在两运时，交流共模信号在两运 放输入端产生分压放输入端产生分压 、 ， ， 所

12、以所以 ，对输入信号产生干扰。对输入信号产生干扰。 抑制干扰措施：抑制干扰措施： 在其输入端接一个输入保护在其输入端接一个输入保护 电路。电路。 当当R R 1 1 = = R R 2 2 时时，由于屏蔽层和信号线间由于屏蔽层和信号线间 对交流共模信号是等电位的，故对交流共模信号是等电位的，故C C 1 1 、 C C2 2 的分的分 压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 19 第第4 4章章 测量放大器测量放大器 4.34.3 测量放大器的测量放大器的 主要技术指标主要技术指标 数据采集与处理技术数据采集与处理技术

13、 20 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 了解了解测量测量放大器的主要技术指标放大器的主要技术指标 了解技术指标对使用的影响了解技术指标对使用的影响 本节教学目标本节教学目标 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 21 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 1.1. 非线性度非线性度 非线性度非线性度 放大器实际输出输入关系曲线 放大器实际输出输入关系曲线 与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。 什么是什么是非线性度非线性度 ？ 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 22 非线性度通常用满量程的百分比表示， 精密测量放大器的非线性度典型值为

14、 0.01%，特殊放大器的非线性度可达 0.0001%。 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 非线性度是由芯片内部缺陷造成 的，无法通过外部补偿措施予以消除 。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 23 非线性度与增益有关，且对数据采集精度非线性度与增益有关，且对数据采集精度 影响很大影响很大。 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 1212位位A AD D 转换器转换器 增益为增益为1 1，非线性偏差为非线性偏差为 0.025%0.025% 增益为增益为500500， 非线性偏差为非线性偏差为 0.1%0.1% 结果：结果：相当于把相当于把1212位位A/DA/D转换器变成转换器变成1010位以下位以下 的转换器。的转换器。 结论：结论： 一定要选择非线性度偏差小于一定要选择非线性度偏差小于0 0.024%.024% 的放大器的放大器。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 24 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 2.2. 温漂温漂 什么是什么是温漂温漂 ？ 温漂温漂 测量放大器输出电压随温度变化的测量放大器输出电压随温度变化的 程度。程度。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 25 4.34.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指