仪表放大器基础与应用

运算放大器的一种特殊实现是仪表放大器,这是一种带有输入缓冲放大器的差分放大器。在本教程中,我们将学习一些重要的仪表放大器的基础知识和应用,以及一个三运放仪表放大器的电路和工作。

如果你想了解更多关于运算放大器的基础知识,请阅读运算放大器的基本知识有关差分放大器的基本知识,请阅读差分放大器”。

介绍

许多工业和消费应用需要测量和控制物理条件。例如,测量乳制品厂内的温度和湿度以精确地保持产品质量,或精确地控制塑料炉的温度以生产特定等级的塑料,等等。

这些物理条件下的变化必须通过传感器转化为电量,然后放大。这种放大器,被用来放大信号来测量物理量,通常被称为仪表放大器。

仪表放大器的输入是来自换能器的输出信号。换能器是一种能把一种形式的能量转换成另一种形式的装置。大多数换能器输出都是非常低电平的信号。

因此,在下一个阶段之前,有必要放大信号的水平,排除噪声和干扰。一般的单端放大器不适合这种操作。为了抑制噪声,放大器必须具有较高的共模抑制比。

用于此类低电平放大、高共模比、高输入阻抗以避免负载的专用放大器是仪表放大器。

仪表放大器用于需要高输入电阻、低噪声和精确闭环增益的精确低电平信号放大。此外,低功耗、高转摆率和高共模抑制比是良好的性能。

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一个好的仪表放大器的要求

仪器放大器通常用于放大低电平信号,抑制噪声和干扰信号。因此,一个好的仪表放大器必须满足以下规格:

有限、准确、稳定的增益:由于仪表放大器需要放大来自换能器设备的非常低的信号,高和有限的增益是基本要求。增益也需要准确,闭环增益必须稳定。

简单的增益调整:除了有限和稳定的增益外,增益因子在规定的值范围内的变化也是必要的。增益调整必须更容易和精确。

高输入阻抗:为了避免输入源的负载,仪表放大器的输入阻抗必须非常高(理想情况下是无穷大)。

低输出阻抗:一个好的仪表放大器的输出阻抗必须非常低(理想情况下为零),以避免加载对立即下一级的影响。

高CMRR:当通过长线传输时,换能器的输出通常包含共模信号。一个好的仪表放大器必须只放大差分输入,完全排除共模输入。因此,仪表放大器的共模抑制比理想情况下必须是无限的。

高转换速率:仪表放大器的旋转速率必须尽可能高,以提供最大的未失真输出电压摆动。

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三运放仪表放大器

最常用的仪表放大器由三个运算放大器组成。在这个电路中,一个非反相放大器连接到差分放大器的每个输入端。

该仪表放大器提供高输入阻抗精确测量输入数据从传感器。仪表放大器的电路图如下图所示。

1.仪表放大器电路

运放1和运放2是非反相放大器,一起构成仪表放大器的输入级。运放3是构成仪表放大器输出级的差分放大器。

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仪表放大器的工作原理

仪表放大器的输出级为差分放大器,其输出V是应用于其输入终端的输入信号的放大差值。如果运算放大器1和运算放大器2的输出是Vo1群和Vo2则差分放大器的输出分别为:

V= (R3./ R2) (Vo1群- vo2)

Vo1和Vo2的表达式可以根据输入电压和电阻得到。考虑仪表放大器的输入级如下图所示。

2.输入级

节点A的电势是输入电压V1。因此结点B的势也是V1,从虚短的概念。因此,节点G的势也是V1

节点D的电势是输入电压V2。因此结点C处的势也是V2,从虚短。因此,节点H处的势也是V2

理想情况下,输入级运放的电流为零。因此,当前通过电阻R1, R获得和R1是相同的。

在节点E和F之间应用欧姆定律,

I = (Vo1群- vo2) / (R1+ R获得+ R1) ——————— 1

I = (Vo1群- vo2) / (2 r1+ R获得)

由于运放1和运放2的输入端没有电流流过,因此节点G和H之间的电流I可表示为:

I = (VG- vH) / R获得= (V1- v2) / R获得————————- 2

将方程1和2,

(Vo1群- vo2) / (2 r1+ R获得) = (V1- v2) / R获得

(Vo1群- vo2) = (2 r1+ R获得) (V1- v2) / R获得——3

差分放大器的输出为:

V= (R3./ R2) (Vo1群- vo2)

因此,(Vo1群- - - - - - Vo2) =(右2/ R3.V)

替换(Vo1群- - - - - - Vo2的值,我们得到

(右2/ R3.V)= (2 r1+ R获得) (V1-V2) / R获得

例如V= (R3./ R2) {(2 r1+ R获得) / R获得} (V1-V2)

上面的方程给出了仪表放大器的输出电压。放大器的总增益由术语(R3./ R2) {(2 r1+ R获得) / R获得}。

注意:

  • 通过调整电阻R的值,可以控制仪表放大器的总电压增益获得
  • 仪表放大器的共模信号衰减由差分放大器提供。

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三运放仪表放大器的优点

  • 三运放仪表放大器电路的增益可以很容易地通过调整R的值来改变和控制获得不改变电路结构。
  • 放大器的增益只取决于所使用的外部电阻。因此,通过仔细选择电阻值,很容易准确地设置增益。
  • 仪器放大器的输入阻抗取决于输入级的非反相放大器电路。非反相放大器的输入阻抗非常高。
  • 仪表放大器的输出阻抗就是差分放大器的输出阻抗,非常低。
  • 运放3的共模抑制比很高,几乎所有的共模信号都会被拒绝。

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传感器桥式仪表放大器

电阻式换能器桥是由电阻组成的网络,其电阻会因某些物理条件的变化而变化。例如,热敏电阻的电阻随着温度的变化而变化,光相关电阻的电阻随着光强度的变化而变化。

通过将这样的电桥作为电路的一部分,就可以产生与被测物理量的变化成比例的电信号。

这样的电信号可以被放大,用来监测和控制物理过程。仪表放大器可以用传感器桥连接到其输入端子之一,如下图所示。

3.换能器桥式仪表放大器

设传感器器件在电阻桥中的电阻为RT其阻力的变化为ΔR。换能器器件的有效电阻为RT±ΔR。电阻电桥提供直流电压V直流

当电桥平衡时,即在所测物理量的某一参考条件下,有:

V一个= Vb

R一个(Vdc) / (R一个+ RT) = RB(Vdc) / (RB+ RC)

在此条件下,仪表放大器的差分输入为

VDiff= Vb- - - - - - V一个= 0

因此,放大器的输出为零。因此,连接在输出端的显示设备显示被测物理量的参考值。

参考条件通常由设计人员选择,它取决于传感器的器件特性、被测物理量的类型和应用的类型。

当被测物理量发生变化时,电压V一个将不再等于Vb。这是因为换能器器件的电阻从R改变T(RT±ΔR)。

这为仪表放大器产生了一个差分输入,放大器的输出将不再为零。

电阻RB和RC是常数,所以电压VB与之前相同,即。

Vb= RB(Vdc) / (RB+ RC)

但是电压V一个由传感器器件的电阻变化引起的变化,现在给出如下:

弗吉尼亚州= R一个(Vdc) / (R一个+ RT+ΔR)

差动电压VDiff是,

VDiff= Vb- - - - - - V一个

VDiff= {RB(Vdc) / (RB+ RC)} - {R一个(Vdc) / (R一个+ RT+ΔR)}

如果把电路中所有的电阻都取为相同的值,即R一个= RB= RC= RT= R

VDiff= {R(Vdc)/(2R)} - {R(Vdc)/(2R+ ΔR)}

VDiff= {RVdc[2R+ΔR] - RVdc。2} / 2 R (2 R +ΔR)

VDiff=R.Vdc [2 r+ΔR -2 r] / {2R(2 R +ΔR)}

VDiff=ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)}

如果V的值Diff是正的,表示Vb大于V一个

仪表放大器的输出为:

VO= (R3./ R2V)d

Vo= (R3./ R2)(ΔR (Vdc) / {2 (2 R +ΔR)})

随着电阻ΔR << 2R, Vo可以写成,

Vo= (R3./ R2)(ΔR / 4 R) (Vdc)

由上式可知,输出依赖于电阻ΔR的变化。显示器可以根据被测量的物理量的单位进行校准。

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仪表放大器的应用

仪表放大器,连同换能器桥可以用于各种各样的应用。这些应用通常被称为数据采集系统。

在输入阶段,有一个传感器装置,将物理量的变化转换为电信号。

电信号被馈送到仪表放大器。放大后的信号被输入显示设备,该设备经过校准以检测被测量的变化。

温度控制器

4.温度控制系统使用仪表放大器

一个简单的温度控制器系统可以构建使用热敏电阻作为传感器设备,在电阻桥,如图所示。

电阻电桥在一定的参考温度下保持平衡。对于这个参考温度的任何变化,仪表放大器将产生一个输出电压,驱动继电器依次打开/关闭加热单元,从而控制温度。

温度指示器

所示的温度控制器电路也可用作温度指示器。电阻电桥在特定的参考温度下保持平衡o= 0 v。

温度指示计被校准到与此参考条件相对应的参考温度。

随着温度的变化,放大器的输出也会发生变化。可以适当地设置放大器的增益以指示所需的温度范围。

光强度计

通过将热敏电阻替换为光相关电阻(LDR),可以使用相同的电路来检测光强度的变化。桥在黑暗中处于平衡状态。

当光照射在LDR上时,它的电阻会发生变化,使电桥不平衡。这导致放大器产生有限的输出,进而驱动仪表。

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差分放大器

下一个-运放作为积分器

2反应

  1. 我认为转换率应该是低的,这样opamp的输出可以在最短的时间内达到它的最大值,但是这里提到的转换率应该是高的。
    如果我在这里犯了错误,请给我一些参考资料。

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