模拟信号调理电路

　　模拟信号调理电路主要有以下几种功能：
　　(1) 将目前工业仪表通用的0～10mA，4～20mA标准信号，转变成0～2V或l～5V电压信号，以便满足A/D转换器的要求。
　　（2）某些测量信号可能是非电压信号，如热电阻等，需要将这些非电压信号变换为电压信号。对于某些弱电压信号，如热电偶信号，必须放大、滤波，这些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等等。
　　（3）在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达几百伏，不采用隔离的办法就无法完成数据采集的任务。因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施等等；

　1.1 单端输入的限幅滤波电路
　　图3.19（a）所示电路适用于单端输入放大电路的限幅与滤波，这里采用稳压管D对输入大信号限幅，稳压管的稳压值应比输入信号大2V左右。注意选择漏电流小的稳压管，对于小信号（如热电偶或其它毫伏级的小电压信号），可以把稳压管D换成二个反向并联的硅二极管。这里的滤波电路用的是双级RC非平衡式低通滤波器。单级RC滤波器以分贝计的衰减率A为
　　　　　　　　　　　　(3-25)
　1.2 双端输入的限幅滤波电路
　　图3.19（b）所示电路运用于双端输入放大电路的限幅与滤波。这里既要考虑信号本身（两个信号线之间）的限幅、滤波，又要考虑每根线对系统地的限幅、滤波，因此电路比单端输入时复杂。其中稳压管D1为信号限幅，在小信号时可以用反问并联二极管代替；稳压管D2、D3分别为两个信号端对系统地的限幅，其稳压数值的选择要考虑到信号源的情况。例如信号时必须要有的，这时稳压管的稳压值如果小于这个共模电压，就破坏了桥路的正常工作，因此是不行的。如果信号源的共模信号是干扰造成的，而不是信号源本身所固有的，这时就可选择较低稳压值的稳压管消除这种干扰。但是，无论何时，不应把正常信号限幅。稳压数值的选择还要考虑后面电路的要求，例如后面接的CMOS模拟开关，其电源电压为5V，则应把两个信号线的电平限制在5V以下，以防止CMOS电路发生自锁。当接到同相输入放大电路时，也应考虑防止发生这种情况。 C3、C4为信号线对系统地滤波（或称共模滤波），对滤除交流共模干扰很有效。C1、C2及其电阻构成差模滤波电路，这里把滤波电平平分在两个输人端上，构成平衡式双级RC滤波器，其衰减函数的计算和前面的单端非平衡式RC滤波器的相同。平衡式有利于防止共模信号转变成差模信号而产生误差。
　 1.3 滤波电路中的R,C数值的选择
　　对于相同的RC值，应尽量减小C值，加大R值，因为电阻的体积和价格不会因R值加大而增大，而减小C值，将减小电容的体积和价格。但是R值的增大受下列因素所限制：一是滤波电容的漏阻、多路切换开关的漏阻或者是印刷线路板的漏阻。另外，RC数值的选择，和滤波器在多路切换开关前或后，以及输入信号是否是热阻信号有关。
　二、隔离技术
　2.1 光电隔离
　　　　　　
　2.2 “飞电容”技术
　　　　
　　　
　2.3 隔离放大器
　　现以AD公司的AD289隔离放大器为例进行简要说明其结构。如图3.22所示。这里隔离放大器是所谓三端口隔离式，即通过变压器将输入信号、输出信号、电源三者相互都隔离开。
　三、运算放大电路
　　1. 关于理想运放和实际运放
　　运算放大电路的核心是运算放大器，运算放大器又有理想运算放大器和实际运算放大器的说法。所谓理想运放，即指其参数为理想化的运算放大器。如开环放大倍数 A＝∞，开环输入电阻Ri = ∞，失调电压VOS＝ 0，失调电流 Ios＝0，共模抑制比KCM = ∞，共模输入电压范围，输出幅度和电源范围相同等等。然而实际生产出的运算放大器达不到绝对理想，参数不理想的运算放大器称为实际运放。实际运放A＜∞，Ri＜∞，Vos≠0,IOS ≠ 0，KCM ＜∞，共模输入电压范围，输出幅度通常比电源电压范围小等等。
　　 2. 运算电阻的选择
　　①运算电阻不能过小，它受下面几个因素制约：
　　a．引线电阻为毫欧级，大时可达几百毫欧，因此运算电阻过小，使得引线电阻产生的误差加大。
　　b．输入阻抗不宜过小，输入阻抗小还是大，代表后级电路汲取前级电路能量的大还是小，后级电路对前级电路的影响大还是小，显然，希望输入阻抗大些，需要前级的驱动能量小些。因此在选择电阻时一定要考虑满足输入阻抗的要求。
　　②运算电阻又不能过大，它受下面几个因素的制约：
　　a．电路的漏阻，一般在几百兆欧以上，在温度高、潮湿、灰尘大等情况下，漏阻减小。因此电阻过大、则使漏阻的影响加大；
　　b．电阻过大，使得电路噪声加大，同时使失调电流的影响加大；
　　C．过大的电阻不易保证精度。
　　③一般来说，运算电阻应在1K～500K范围内为宜，当然这只是经验数据，应具体考虑不同情况下的特殊要求。
　　④Rf的最佳值见Rf*
　　对于反相输入电路
　　　　　　　　　　　　（3-29）
　　对于同相输入电路
　　　　　　　（3-30）

　　3. 运算放大电路的输入阻抗
　　(1) 反相输入电路的输入阻ZiBF

　 　见图 3.23（a），由“虚地”’原理，即VF ＝VT＝0，可知输入阻抗ZiBF≈ZIF也就是说反相输入电路的输入阻抗近似等于反相输入端和信号间的输入电阻。由于该电阻不能选得太大，因此反相输入电路的输入阻抗较低。
　　（2）同相输入电路的输入阻抗 ZiBT
　　见图3.23（b），其闭环输入阻抗如下：
　　　　　　　　　　　(3-31)
　　其中 ，通常AF＞＞l，Ri＞＞ZIT，所以式（3-4-7）可以写成：　

　　
　　即：同相输入电路的输入阻抗等于开环输入阻抗乘以反馈深度。由于开环输入阻抗一般都很大，Ri ＝106～1011（具体数值可查阅相关手册），而反馈深度又远大于1，因此闭环输入阻抗很大，这也是同相输入电路的最大优点。
　　（3）差动输入电路的输入阻抗ZiBd
　　见图3.23（C），其闭环输入阻抗为
　　　　　　　　　　（3-32）
　　即为两输入电阻之和，因此普通差动电路的输入阻抗也比较低。
　　 4. 失调电压，失调电流对运算精度的影响
　　失调电压 VOS和失调电流IOS等效在输入端的误差为；
　　　　　　　　　（3-33）
　　输出端的误差为：
　　　　　（3-34）
　　显然，运算放大器的 VOS、IOS越小越好，运算电阻 ZIT 越小越好。
　　 5. 关于运算放大器的其他参数
　　（1）电源电压范围
　　（2）共模抑制比
　　（3）输入偏置电流
　　（4）输出电流
　　（5）电压转换率
　　（6）共模电压范围
　　（7）输出电压幅度
　　6. 闭环原理
　　对于具有深度负反馈的闭环系统，其前向通路的放大倍数为A，反馈回路的放大倍数（即反馈系数）为F，则闭环系统输出y和输入x之间的放大倍数K为：
　　　
　四、微机测试系统中运算放大电路应用实例