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1、机电一体化概论,作者：赵再军,责任编辑：石国华 出版日期：2008年9月 IDPN：308-2008-016 课件章数：14,第四章 机电一体化中传感器与微机的接口技术,第一节 传感器前级信号的放大与隔离,集成运算放大器的特点,由于其输入阻抗高，增益大，可靠性高，价格低廉，使用方便，因而得到广泛使用。 随着半导体工艺的不断改进和完善，运算放大器的精度越来越高，品种也越来越多，现在已经生产出各种专用或通用运算放大器，以满足高精度机电一体化检测系统的需要，其中有测量放大器、可编程放大器、隔离放大器等。,一、运算放大器,1、反相放大器 ： AV=U0/Ui=-R1/R2,二、同相放大器,特点：放大器
2、输出电压1，引入共模电压，必须选择高共模抑制比的集成运放才能保证其精度。,同相放大器,三、差动放大器,两被测信号Ui1、Ui2分别从运放两端输入，输出信号为： U0=（1+Rf/R1）R3/（R2+R3） Ui2 -Rf/R1Ui1 1)若取R1 = R2 ， R3= Rf ， 则得： U0= Rf/R1 （ Ui2 - Ui1 ） ， 差模增益为Rf/R1 。,差动放大器的特点：,2)若只有共模信号输入时， Ui2 = Ui1 = Uic，可得： U0=（1+Rf/R1）R3/（R2+R3）-Rf/R1 Uic 在R1 = R2 ， R3= Rf可得U0= 0。 放大器共模增益为0，共模抑制
3、比KcMRB为。 最突出优点：抑制共模信号，抗干扰能力强。,二、测量放大器,1、测量放大器 组成： 由三个运算放大器组成，其中A1、A2二个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在A1、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输出方式，适应对地负载的需要。,测量放大器,2、测量放大器的特点,1）运放A1、A2性能对称，输入阻抗和电压增益对称，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗、高共模抑制比； 2）对微小差模电压敏感； 3）适用于与微小信号输出传感器配套使用。 放大倍数：AU=UO/（Ui+-Ui-）
4、,3、测量放大器的应用,应用于大的共模电压背景下对缓变微弱的差模信号进行放大。 常用于热电偶应变电桥、生物信号放大等。 测量放大器差模增益G=1+2R1/RG； 共模抑制比CMRR=（1+2R1/RG） CMRR3； 输入阻抗很大，约109 。,4、测量放大器的种类和特点,1）AD521：具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点 。 注意为偏置电流提供回路。为此，输入（1或3）端必须与电源的地线相连构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。 2）AD522：单芯片集成精密测量放大器。 该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰
5、。,AD521管脚,AD521输入信号耦合方式,AD522管脚,三、程控增益放大器,1、必要性： 各检测点因所采用的传感器不同，即使同一类型传感器。根据使用条件的不同，输出的信号电平也有较大的差异，通常从微伏到伏，变化范围很宽。必须根据输入信号电平的大小，改变测量放大器的增益，使各输入通道均用最佳增益进行放大。,2、PGA（Programmable Gain Amplifier）原理,K1闭合，余断开时，放大倍数为： Auf=-R1/R； K2闭合，余断开时，放大倍数为：Auf=-R2/R； 原理：利用改变反馈电阻阻值方法实现量程变换的可变换增益放大器电路。 选择不同开关闭合，即实现增益变换。
6、 若利用软件对开关闭合进行选择，即实现程控变换。,3、程控测量放大器,4、PGA作用,与A/D转换器组合，配合一定软件，很易实现输出信号的增益控制或量程变换，间接提高输入信号的分辨率； 与D/A转换器配合可构成减法器电路使用； 与乘法D/A配合使用可构成可编程低通滤波器电路。可适当调节信号和抑制干扰，应用广泛。,程控增益放大器,四、隔离放大器,1、定义：指输入输出和电源在电流和电阻彼此隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。 2、特点：具有一般通用运放的特性，又在其输入电路和输出电路间无直接耦合通路的放大器。信息传递通过磁路、光路来实现。,隔离放大器示意图,3、隔离放大器的主要类型,4、隔离放大器的组成,输入部分包括输入运算放大器、调制器； 输出部分包括解调器、输出运算放大器； 信号耦合变压器； 隔离电源。 实例：AD290，可进行增益和零点调节。,5、隔离放大器的工作原理,直流信号经放大后，由调制器变为交流，通过耦合变压器馈给输出电路； 解调器把输入回路馈给信号转换为原信号并经过滤波器送至输出运算放大器； 输入电路电源由逆变器（直流电变换为交流电装置）提供。,6、隔离放大器的应用场合,1）测量处于高共模电压下低电平信号； 2）消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差； 3）保护应用系统电路不致因输入端或输出端大的共模电压造成损坏； 4）为仪器仪表提供安全接口。,
