隔离放大器与仪用放大器.ppt

智能仪器与系统智能仪器与系统 56学时学时 第二章第二章 智能仪器的输入智能仪器的输入/输出通道及接口技术输出通道及接口技术 （二）仪用放大器及隔离放大器（二）仪用放大器及隔离放大器主要讲解的内容主要讲解的内容:1)1)仪用放大器的作用及原理仪用放大器的作用及原理2)2)仪用放大器的接口及使用仪用放大器的接口及使用3)3)隔离放大器的作用及原理隔离放大器的作用及原理4)4)隔离放大器的接口及使用隔离放大器的接口及使用重点：重点：1 1）了解仪用放大器的基本工作原理）了解仪用放大器的基本工作原理 2)2)掌握程控指数增益仪用放大器掌握程控指数增益仪用放大器和和多多 档程控仪用放大器的使用及接口形档程控仪用放大器的使用及接口形 式式.3 3）了解隔离放大器的基本工作原理）了解隔离放大器的基本工作原理 和使用和使用 用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不用单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高，只能用在要求不高，条件不太恶劣的场合，当它高，只能用在要求不高，条件不太恶劣的场合，当它们的性能不能满足应用要求时，可以使用仪用放大器。们的性能不能满足应用要求时，可以使用仪用放大器。仪用放大器是一种精密的仪用放大器是一种精密的差动电压增益差动电压增益器件，它的特器件，它的特点是：高输入阻抗，低偏置电流，低漂移，高共模抑点是：高输入阻抗，低偏置电流，低漂移，高共模抑制，制，平衡的差动输入和单端输出平衡的差动输入和单端输出，放大增益可由用户，放大增益可由用户选择电阻来设定。它的主要用途是作选择电阻来设定。它的主要用途是作传感器传感器信号的放信号的放大，或作差动小信号的大，或作差动小信号的前置放大前置放大。所以仪用放大器也。所以仪用放大器也是智能仪器中最常用的放大器之一。是智能仪器中最常用的放大器之一。一一.仪用放大器（测量放大器）仪用放大器（测量放大器）1.仪用放大器的作用仪用放大器的作用2.仪用放大器的工作原理仪用放大器的工作原理仪用放大器又称仪用放大器又称测量放大器或数测量放大器或数据放大器。典型据放大器。典型的仪用放大器电的仪用放大器电路结构为路结构为对称性对称性结构结构如左图所示：如左图所示：它由三个运放和它由三个运放和几个电阻组成。几个电阻组成。由同相放大器由同相放大器A1,A2构成输入构成输入极极,信号从信号从A3输输出出,仪用放大器仪用放大器上下对称，上下对称，即图中即图中R1=R2R1=R2，R3R3R4R4，R5R5R6R6。则。则放大器闭环放大器闭环增益为：增益为：从上式可看出从上式可看出:由于由于电路参数选择对称形式电路参数选择对称形式,放大倍数和二个输放大倍数和二个输入端的失调电压无关入端的失调电压无关.所以输出信号不会受共模干所以输出信号不会受共模干扰的影响扰的影响.即仪用放大器可抑制共模干扰即仪用放大器可抑制共模干扰.改变电路参数改变电路参数RGRG或或R R都可改变其放大倍数都可改变其放大倍数.一般一般为了保证电路参数的对称性，改变增益最合为了保证电路参数的对称性，改变增益最合理，最简单的办法是改变理，最简单的办法是改变R RG G的阻值。当采用集成仪的阻值。当采用集成仪用放大器时，用放大器时，RGRG一般为外接电阻一般为外接电阻若改变若改变RGRG的阻值用程序控制的阻值用程序控制,就可成为程控仪用就可成为程控仪用放大器放大器.假设假设R3=R5R3=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为1 1，则可以，则可以推出仪用放大器闭环增益为：推出仪用放大器闭环增益为：2 2）仪用放大器特别适合用于长距离的测量。仪用放大器特别适合用于长距离的测量。3.3.仪用放大器的特点及应用仪用放大器的特点及应用1 1）仪用放大器由于采用对称结构且信号直接加在仪用放大器由于采用对称结构且信号直接加在输入端，输入端，因此输入阻抗很高，有很强的抑制共模因此输入阻抗很高，有很强的抑制共模干扰能力。干扰能力。例如工业过程中的温度传感器热电偶就经常用在很恶例如工业过程中的温度传感器热电偶就经常用在很恶劣的环境中，如用普通放大器放大这样微弱的传感器劣的环境中，如用普通放大器放大这样微弱的传感器输出信号，放大器对干扰的抑制能力作用将很弱。一输出信号，放大器对干扰的抑制能力作用将很弱。一般使用般使用差分差分仪用放大器仪用放大器.如下图所示如下图所示:图中使用图中使用可变增益放大器可变增益放大器PGA203PGA203作为输出放大器作为输出放大器,由二个由二个运放运放OPA27作为输入放大器作为输入放大器,电阻网络选择对称形式电阻网络选择对称形式,使之使之构成的仪用放大器构成的仪用放大器.在原有的放大器的增益的基础上增加在原有的放大器的增益的基础上增加了了100100倍倍,分别得到了分别得到了10101 1,20,202 2,10,104 4,10,108 8的放大倍数的放大倍数,适当改适当改变变200200(RG)RG)的阻值的阻值,和程控放大器一样和程控放大器一样还可得到其它放大还可得到其它放大倍数倍数.例如例如AD512,AD522AD512,AD522，AD612 AD612，AD614AD614,AD620AD620，AD623AD623都都是美国是美国ADAD公司生产的集成仪用放大器芯片，另外公司生产的集成仪用放大器芯片，另外INA114/118INA114/118则是则是BBBB公司提供的二种高精度仪用放大器。公司提供的二种高精度仪用放大器。其主要性能指标均超过其主要性能指标均超过AD512,AD512,还有还有MAXMAX公司的公司的MAX4195/4196/4197MAX4195/4196/4197等其中等其中INA114INA114是一种通用是一种通用仪用放仪用放大器大器,尺寸小尺寸小,精度高精度高,价格便宜价格便宜.例例1)INA114INA114主要性能如下主要性能如下:4.集成程控仪用放大器集成程控仪用放大器1)1)典型的程控仪用放大器集成电路芯片典型的程控仪用放大器集成电路芯片电源引起的失调是指电源电压每变化电源引起的失调是指电源电压每变化1%1%，引起放大器，引起放大器的漂移电压值的漂移电压值.对于共电源系统，该指标则是设计系对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一统稳压电源的主要依据之一从上图可看出从上图可看出,由三个放大器和一些电阻构成由三个放大器和一些电阻构成,电阻选择对电阻选择对称形式称形式.V0(6.V0(6引脚引脚)为输出信号为输出信号,V1+,V1+和和V1-(2,3V1-(2,3引脚引脚)为对称为对称输入信号输入信号,(4,7,(4,7引脚引脚)为供电电源为供电电源,(1,8,(1,8引脚引脚)为外接可调电为外接可调电阻阻R RG G,(5,(5引脚引脚)为基准电压端为基准电压端.使用时基本连接方法如下图所示使用时基本连接方法如下图所示:50K50K 二个内部反馈电阻之和二个内部反馈电阻之和,R,RG G为外部可调电阻为外部可调电阻.利用仪用放大器利用仪用放大器AD612AD612或或AD614AD614外接外接多路开关多路开关组成，组成，其原理图如下：其原理图如下：例例2 2 程控指数增益仪用放大器程控指数增益仪用放大器八选一多路开关四选一多路开关仪用放大器(23.24)(23.24)引脚为引脚为输入信号端输入信号端,1414引脚为输出信引脚为输出信号端号端3-123-12引脚为内部引脚为内部可调电阻端可调电阻端八选一多路开关四选一多路开关仪用放大器使用使用2 2片模拟片模拟多路开多路开关关AD7503AD7503，AD7510AD7510，其，其中中AD7503AD7503为八选一的为八选一的 模拟多路开关接模拟多路开关接 3-10 3-10引脚用于选引脚用于选 择择2-2562-256倍增益倍增益 电阻；电阻；AD751 AD751 接接11-1211-12引脚引脚,用于选择用于选择2 29 9.2.21010 倍增益电阻倍增益电阻.八选一多路开关四选一多路开关仪用放大器控制端口用控制端口用80318031单片机的，单片机的，其输出控制代其输出控制代码码N NC C与闭环增与闭环增益益A A 的关系是：的关系是：由控制使能端控制增益的放大倍数由控制使能端控制增益的放大倍数.当当0 0 N NC C88时（低时（低8 8位时），位时），P1.3=0 P1.3=0，AD7503AD7503被选被选通，选通通，选通2 21 1-2-28 8的闭环增益；的闭环增益；当当8 8 N NC C 9 9时，（高时，（高2 2位时）位时）P1.3=1P1.3=1，AD7503 AD7503被被禁止，禁止，AD7510 AD7510工作，选通工作，选通2 29 9，2 21010的闭环增益。的闭环增益。使用使用AD612或或AD614外接电阻替代外接电阻替代RG实现多档增益程实现多档增益程控仪用放大器。如下图所示：各档增益所需控仪用放大器。如下图所示：各档增益所需RG的阻值的阻值可用下式计算：可用下式计算：其中其中Ai为各档所需闭为各档所需闭环增益。环增益。例例3:多档程控仪用放大器多档程控仪用放大器程控仪用放大器在仪用放大器中，前级共模增益与电阻在仪用放大器中，前级共模增益与电阻R1，R2，RG无关，因此可利用这一特点，通过改变无关，因此可利用这一特点，通过改变R1，R2的阻值来改变整个放大器的闭环增益，可获得增益的阻值来改变整个放大器的闭环增益，可获得增益与控制代码成线性关系的程控仪用放大器。其原理与控制代码成线性关系的程控仪用放大器。其原理图如下所示：图如下所示：例例4:线性程控增益仪用放大器线性程控增益仪用放大器分别以分别以N N个等值电阻个等值电阻R R的串联网络代替电阻的串联网络代替电阻R1R1和和R2R2，为保证电阻的对称性，为保证电阻的对称性,二组二组n n选选1 1的多的多路开关受控于同一个控制信号，同步切换与路开关受控于同一个控制信号，同步切换与二组串联电阻的串接端二组串联电阻的串接端若控制信号若控制信号代码所选通的代码所选通的开关与此开关串接入开关与此开关串接入反馈回路电阻反馈回路电阻R R的个数相同，的个数相同，则此时的闭则此时的闭环增益环增益为：为：图中图中R3=R4R3=R4，R5=R6R5=R6。显然通过选择。显然通过选择R R与与R RG G，R5R5和和R3R3的比值，可以得到所需的线性增益。的比值，可以得到所需的线性增益。例如例如R RG G=2 R=2 R，R5=R3 R5=R3，则，则A A=1+N=1+NC C。在实际应用中，在实际应用中，R1和和R2的串联电阻网络和多路开关的串联电阻网络和多路开关通常使用数字电位器来代替，其电路实现极为方便。通常使用数字电位器来代替，其电路实现极为方便。下图给出了使用美国下图给出了使用美国X i c or公司公司X9221双非易失性双非易失性数控电位器实现的线性增益程控仪用放大器实例。数控电位器实现的线性增益程控仪用放大器实例。数控电位器 0 0 NC NC 63 63。最小增益为。最小增益为1 1，最大增益为，最大增益为12.12.7 7。增益步。增益步进值为。进值为。图中选用图中选用X9221X9221芯片，芯片，VHVH端端和和VLVL端电阻为端电阻为40k40k，滑动端，滑动端VWVW步进电阻差值为步进电阻差值为794 794 。取取RG=7.94 RG=7.94 k k，则程控增益为：，则程控增益为：A=1+0.2NC A=1+0.2NC，其中，其中，NC NC 为滑动端位置，为滑动端位置，放大器使用放大器使用80318031的的P1.0P1.0口口和和P1.1P1.1口作为口作为X9221X9221的串行的串行总线时钟和通信线总线时钟和通信线.二.隔离放大器1.1.隔离放大器的作用及使用场合隔离放大器的作用及使用场合什么是隔离放大电器？什么是隔离放大电器？隔离放大电器的输入、输出和电源电路之间没有直接隔离放大电器的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？应用于何种场合？隔离放大电器主要用于便携式测量仪器和某些测控系统隔离放大电器主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。能力传送信号。隔离放大器的组成及表示符号如下图所隔离放大器的组成及表示符号如下图所示示：放大器分为输入（放大器分为输入（A A）和（）和（B B）二个独立供电回路。）二个独立供电回路。目前目前ADAD公司已生产出几种型号的隔离放大器，如公司已生产出几种型号的隔离放大器，如277277，284/286284/286，289289，290/292290/292等。目前使用的隔离放大等。目前使用的隔离放大器主要有三种：器主要有三种：输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso光耦合式隔离放大器以光为耦合媒介光耦合式隔离放大器以光为耦合媒介,输入与输出在输入与输出在电气上完全隔离电气上完全隔离,通过光信号的传递通过光信号的传递,实现信号的传实现信号的传递递.器件本身具有体积小，偏压系数低，漂移小，频器件本身具有体积小，偏压系数低，漂移小，频带宽，漏电流极小，成本低等特点。有一些带宽，漏电流极小，成本低等特点。有一些隔离放隔离放大器还提供了内置大器还提供了内置DC/DC变换器变换器,给使用者提供更大给使用者提供更大灵活性灵活性,因此被广泛应用在各种输入输出隔离电路中。因此被广泛应用在各种输入输出隔离电路中。其原理图如下其原理图如下:2.光耦合式隔离放大器光耦合式隔离放大器b)光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV例如例如B-BB-B公司推出的公司推出的ISO100,ISO300,3650,3652ISO100,ISO300,3650,3652等就等就是这样一种小型的廉价光耦放大器。还有惠普公司是这样一种小型的廉价光耦放大器。还有惠普公司的的HCPL7800,7800A/7800BHCPL7800,7800A/7800B等等.下面以下面以36503650为例介绍为例介绍:3.变压器耦合式隔离放大器变压器耦合式隔离放大器其原理图如下其原理图如下:下面以下面以AD202AD202为例介绍为例介绍:1）仪用放大器主要用于差动小信）仪用放大器主要用于差动小信号的前置放大。有很高号的前置放大。有很高 的抑制共的抑制共模干扰能力。模干扰能力。2）典型的仪用放大器电路结构由典型的仪用放大器电路结构由三个运放和几三个运放和几 个电阻组成。个电阻组成。3）注意几种典型形式的仪用放注意几种典型形式的仪用放大器的原理及芯片。大器的原理及芯片。4）隔离放大器具有良好的隔离性隔离放大器具有良好的隔离性能，使用较多的隔离放大器主要能，使用较多的隔离放大器主要有变压器耦合式隔离放大器和光有变压器耦合式隔离放大器和光电耦合式隔离放大器。电耦合式隔离放大器。5）注意几种典型形式的隔离放大注意几种典型形式的隔离放大器原理及芯器原理及芯 片。片。