1、溫度測量系統(tǒng)的前向通道設(shè)計摘要: 將溫度變化通過電橋一邊上熱敏電阻的阻值變化為一微小的電壓變化，通過由OP-07（實際用LM324）構(gòu)成的差分放大器放大到5V5V電壓范圍，之后經(jīng)電平抬高電路將信號變?yōu)?10V的電壓范圍來匹配之后可能會使用的通用ADC的輸入范圍。關(guān)鍵字：測量放大器溫度測量一、 設(shè)計要求設(shè)計一個溫度測量系統(tǒng)的前向通道（參考框圖見圖1）。測溫傳感器用正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT(絕對溫度T=300K時，RT為200k ),當(dāng)溫度變化引起RT相對于R2阻值變化±1，代表溫度變化范圍為：225KT375K。要求設(shè)計一個測量放大器，要求如下：a) 1）RT相對于R2阻值變化

2、7;1,輸出電壓010V。b) 2）在輸入共模電壓+7.5V7.5V范圍內(nèi)，放大器的CMRR105。c) 3）測量放大器的差模輸入電阻2M（可不測試，由電路設(shè)計予以保證）。d) 4）放大器的通頻帶為0100Hz。e) 5）設(shè)計并制作一個信號變換電路，參見圖2。將函數(shù)發(fā)生器單端輸出的正弦電壓信號不失真地轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，用作測量直流電壓放大器頻率特性的輸入信號。R1R1R2RT基準電源7.5VVi+Vi=測量放大器極性轉(zhuǎn)換 電路VoR1R2=200KVREF5V5V信號變換 電路Vo函數(shù)發(fā)生器Vi 信號變換電路 測量放大器二、 設(shè)計思路由，而溫度變化在225KT375K中可以求得的變化范圍在1

3、98k202k之間變化，根據(jù)電橋上電阻的分壓可以求得輸入電壓的變化范圍在-18.8mV18.7mV，根據(jù)測量放大器輸出指標信號放大到-5V5V,所以放大器增益約為278。因為為一個毫伏級信號，所以為了能夠正確的將信號輸入和放大，所以用差動輸入來抑制相對輸入信號而言比較大的共模信號的干擾。極性轉(zhuǎn)換電路采用簡單的反相相加器來實現(xiàn)，即將-5V5V的測量放大器的輸出電壓和一個5V的基準電壓相加后經(jīng)過一個增益為1的反相放大器后即可得一個010V輸出電壓。對于電橋的7.5V的基準電源和極性轉(zhuǎn)換電路中5V的基準電壓的，都采用了運方和穩(wěn)壓管構(gòu)成的基準電壓源。而信號變換電路則采用了簡單的跟隨器和增益為1的反相放

4、大器構(gòu)成三、 設(shè)計電路分析1 測量放大器1）基本原理由于對于小信號經(jīng)行采集所以需要用差動輸入，所以選用了3個運算放大器構(gòu)成的差動放大器，原理電路圖如下：由于任何形式的信號都可分解為一對差模信號和共模信號相加之和，所以為了原理推導(dǎo)的簡便，在輸入端直接加入了一對差模信號和共模信號，輸入信號的信號源等效模型如上圖，數(shù)學(xué)表達式如下：為差模信號， 為共模信號。根據(jù)運算放大器的虛短、虛斷的概念可得方程：為圖中節(jié)點2的電壓、為圖中節(jié)點1的電壓，為上流過的電流。解上述聯(lián)立方程得：， 為第一級的增益。由、表達式可知，第一級對輸入的差模信號進行了增益為的放大，而對共模信號并沒有增益。第二級為減法器，即，為第二級增

5、益。帶入、得：整個測量放大器的總增益：由輸出電壓的表達式可見，測量放大器的輸出只含有輸入信號的差模分量，而完全抑制了共模分量，就理想化而言改電路可以提取出被共模噪聲淹沒的微弱差模信號并予以放大。2）由器件不理想所造成的誤差分析上述理論分析所得出：最終輸出是只有差模分量而不存在共模分量，即共模抑制比為是基于運算放大器是理想的，即輸入阻抗為無窮大，輸入電流為0，開環(huán)增益無窮大，且配置的器件完全理想化所得出的結(jié)論。然而實際供選用的器件LM324為通用放大器，對于測量放大器的指標要求，LM324不能作為理想運方來逼近，所以這里從運方本身的不理想和電阻的所引入電路不平衡兩個角度來分析可能造成的共模誤差和

6、增益誤差。為了分析的簡便在分析其中任一一個誤差引起原因時，設(shè)其余的各個因素均為理想，即不引入誤差。a) 由減法器電阻不平衡引起的共模誤差前述推導(dǎo)設(shè)減法器中運算放大器正、負端所接電阻均相等，現(xiàn)考慮電阻不對稱所入的誤差，分析電路如下圖：輸入信號，即為前級輸出采用疊加法分析：當(dāng)輸入，接地時，由運方特性可得：當(dāng)輸入，接地時，由運方特性可得：輸出將 代入上式，得, 由上式可見，輸出信號中由于，和的不相等引入了共模干擾分量。，由于測量放大器第二級的增益要求，所以（0.1倍以下），這樣由和的阻值不平衡所引起的誤差便忽略，即認為，簡化上式，并帶入值，得：為和的差值，即電阻的偏離值，是電阻的相對誤差率，對于所選

7、用電阻而言其最大值為一給定值，如金環(huán)誤差為5。若選金環(huán)誤差電阻，且共模輸入7.5V，則最差情況下7.5*5%=0.375V（此處最差情況為一個電阻偏移5，而非兩個電阻各偏5的極端情況）。用由上述分析可知，電阻的精度對共模分量的輸出即測量電路的共模抑制比有著一定的影響，所以在不能夠選用高精度的電阻時，必須要對電路的平衡性作出一定的調(diào)整。b) 由運方參量不理想引起的誤差由于是測量放大器所以應(yīng)該選用高輸入阻抗及高共模抑制比的運算放大器，而用通用放大器來代替可能會引起一定的誤差。考慮輸入電阻Ri，開環(huán)增益，而其余元件均為理想的情況下，電路的輸出，此時運算放大器的分析模型如下圖：對圖中節(jié)點1、2，即運算

8、放大器的和列節(jié)點方程：，分別為圖中電阻的倒數(shù)（電導(dǎo)）解上述聯(lián)立方程組，得：由上式可知對若考慮了運算放大器的輸入阻抗和開環(huán)增益，則放大增益會減小。若認為為量級，而為量級，則對于選擇在的和而言增益的影響不大但若要實現(xiàn)100倍以上高增益的放大時，即選的比較大時，這類影響即比較顯著了。上述兩點誤差分析都是針對測量放大器后級電阻而言的，因為要滿足放大增益的指標，要比其余電阻大一個數(shù)量級，所以其精度以及選取值的范圍就需要考慮了。3）測量放大器的增益分配根據(jù)上面的分析得知，的測量放大器中第二級的增益不易太大。對于第一級的放大而言，其輸出的信號中依然攜帶著共模信號的分量，共模分量并沒有被抑制，所以若要使得測量

9、放大器有一個比較大的共模的輸入范圍，則第一級的放大倍數(shù)也不易太大（實際中，共模輸入范圍是由LM324供電電壓來決定的，因為要求7.5V的共模輸入，其實對這一級的放大增益并沒有什么太大的要求）。所以將總增益比較平均的分配給兩級，第二級為20，而第一級則用可變電阻控制在1020左右，來測量放大器總的增益指標。2極性轉(zhuǎn)換電路因為要將測量放大器的輸出雙極性的信號，轉(zhuǎn)變成通用ADC輸入信號的范圍，所以經(jīng)行信號的極性變換，即將5V5V的雙極性信號變換稱為010V的單極性信號，也就是完成一個電平的抬高。采用一個反相的加法器來實現(xiàn)，即將測量放大器的輸出和一個穩(wěn)壓5V加到反相加法器的入端，設(shè)置反相加法器的增益為

10、1這樣實現(xiàn)了信號極性的轉(zhuǎn)換。電路圖如下輸入端為測量放大器的輸出。電路中通過滑動變阻其來校準輸出的5V的電壓，從而達到準確的極性轉(zhuǎn)換。2 信號變換電路和7.5V穩(wěn)壓電路因為并沒有直接采用熱敏電阻作為溫度采集，所以對于頻響、增益、共模抑制比的測定需要用到一組同頻反相的輸入小信號，所以對于信號源輸入的交流信號左一定的信號變換來得到這樣一組輸入信號。實現(xiàn)電路則是采用了簡單的設(shè)計跟隨電路和一個增益為1的反相放大器來實現(xiàn)（若是只用信號源輸入，則不必加射隨器，但考慮到也許會接在其余輸入源上，所以附加了信號隔離）。7.5V穩(wěn)壓電路依然采用運方和穩(wěn)壓管構(gòu)成的基準電壓電路。實現(xiàn)的電路如上圖，從圖中可以看到，7.5

11、V的基準電源被接到了信號變換電路的共端，即信號是浮地輸入的。因為考慮到測量時需要測量共模抑制比，所以希望能夠輸入一對共模和差模信號，也能夠明顯地觀測到測量放大器對與輸入共模地抑制。變換后的輸入等效電源如左圖5總體電路圖圖中測量放大器和電橋連接在一起，而沒有和測試信號電路直接相連。四、 指標測試結(jié)果穩(wěn)壓電路校準：1）5V穩(wěn)壓調(diào)整：斷開測量放大器到極性轉(zhuǎn)換電路的連接，使得極性轉(zhuǎn)換電路只與5V穩(wěn)壓電路相連接，接通電源測量輸出端，并調(diào)整控制增益變阻器，使得輸出電壓為5V。斷開電源，聯(lián)通先前斷開的電路。5V穩(wěn)壓電源輸出2）7.5V穩(wěn)壓調(diào)整：接通電源，調(diào)節(jié)可變電阻使得穩(wěn)壓端輸出為7.5V穩(wěn)壓值。7.5V穩(wěn)

12、壓輸出1增益將測量放大器與電橋相連，測量前斷開電橋，調(diào)節(jié)電橋上可變電阻，使得電橋各臂上的阻值均為200k，聯(lián)通電橋，接通電源。觀察最后的輸出端，應(yīng)為5V的電平，若不為5V調(diào)節(jié)測量放大器第二級的變阻，使得輸出電壓盡可能趨近與5V。斷開電源，斷開電橋，調(diào)整變阻使可變電阻的橋臂上阻值分別為198k和202k，接通電橋和電源，測量輸出端的電壓，電橋上由于阻值不平衡引起的電壓，即可以求出電壓增益。實測數(shù)據(jù)：1）電阻平衡時輸出端為5V。2）調(diào)節(jié)可變電阻一臂上阻值為202k時，輸出電壓為10.2V。3）調(diào)節(jié)可變電阻一臂上阻值為198k時，輸出電壓為-0.3V。輸入電壓無法通示波器讀出，用理論值代入，可得：增

13、益2通頻帶將測量放大器與測試電路相連接，接通電源，觀測測量放大器兩輸入端為一對極性相反的信號，調(diào)節(jié)輸入信號頻率為幾或幾十赫茲的低頻，調(diào)節(jié)輸入信號幅度，使得輸出端的輸出信號幅度為10V，增大輸入信號頻率，使得輸出信號的幅度為8.5V（由于測量放大器輸出端被抬高了5V,所以在計算帶寬時，幅度計算應(yīng)為，而不是10*0.707=0.707）時，記下此時的頻率，即為3db帶寬.實測數(shù)據(jù)：測得帶寬為6.75KHZ輸入正弦信號的輸出3共模抑制比測量方案1：在測量放大器輸入端接入7.5V（7.5V）的直流共模電壓，觀察測量放大器的輸出電壓值，可得共模增益，再輸入由前測得的差模放大增益可求得共模抑制比。測量方案2：將做好的測試電路接入測量放大器的輸入端，此時輸入等效為疊加在7.5V共模信號上的一對差模信號，觀察測量放大器的輸出端，讀出此時的直流和交流信號幅值，后可得差模和共模增益，即可以求得共模抑制比。實測數(shù)據(jù)：采用測試方案1：測得在7.5V共模輸入時，測量放大器輸出為200mV，可得共模增益為，根據(jù)差模放大增益可得共模抑制比為74.4db（5250）采用測試方案2：若采用測試方案2，則需要將信號源的地線接在7.5V穩(wěn)壓源的輸出端，但實際測量中發(fā)現(xiàn)，實驗室中的信號源地端一旦接入7.5V穩(wěn)壓輸出端后，改點電位即變