第27卷第6期增刊 2006年6月
仪 器 仪 表 学 报
Vol.27No.6
June.2006
微小信号放大电路设计
孟丽霞 于林丽 濮钰麒 王斌 林燕凌 居滋培
(上海理工大学 上海 200031)
摘 要 热探测传感器当信号较小时,其输出电信号只有几十微伏,需要放大几万倍,才能满足A/D转换的需要,本文介绍的微小信号放大电路不仅满足了电压放大的要求,而且设计了相关的电路,避免了信号失真,以及高频、低频和50Hz市电的干扰。该电路可广泛适用于仪表的信号处理中。关键词 电路 信号 滤波
DesignofamplifyingMengLixia YuLinli PuYuqi WangBin LinYanling JuZipei
(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200031,China)
Abstract Toaheatdetector,whenthesignalistiny,theoutputelectricalsignalwillbeonlytentimesofv,whichmustbeamplifiedtenthousandtimestomeettheneedofA/Dtransformation.Theamplifyingcircuitfortinysignalpresentedherecannotonlyamplifythevoltage,butcanalsoavoidsignaldistortioncausedbydisturbanceandthedisturbancesofhighfrequency,lowfrequency,and50Hzpublicfrequency.Itiswidelyusedinsignalprocessingofinstruments.Keywords circuit signal filter
通、低通滤波电路,以及50Hz陷波滤波器,以降低高
1 引 言
热探测元件是热探测传感器的核心,这类元件均采用金属氧化物作为材料。由于生产和制造环境的影响,导致材料性能十分不稳定,以至于制造出来的热传感器的响应均匀性差别很大。目前采用从大量的同类元件中,挑选出响应性能一致的产品的办法,来解决响应均匀性差别的问题。因此筛选就成为至关重要的工作,而开发一个高精度的测试系统是完成性能测试的关键。该测试系统由一个激光器并经光学系统生成
φ≤0.1mm光斑照射在热探测元件表面,探测器有微小的信号输出,通过放大器将基波信号选出,并放大到
A/D转换板能够接受的信号范围,送入计算机,计算
频、低频噪声及50Hz市电干扰。同时,在结构设计上,使传感器直接与前置放大电路连接,以避免微弱信号传输中产生的干扰,整个放大电路的输出用屏蔽线缆与采集电路相连。此放大电路提供100000倍的放大率及0.15～100Hz的通频带宽范围。放大电路的原理框图如图1
所示。
图1 放大电路原理图
2 仪表放大电路的设计
该电路主要功能为将热敏传感器输出的信号以差模方式进行放大,此前置放大器关系到整个放大电路的优劣,必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能。故本设计采用LM725CN
带自动失调补偿的三运放测量放大电
机对该点的响应数据记录并进行处理分析。热敏传感器输出的信号极为微弱,只有1～μvpp,必须要有高增益的放大电路,将传感器输出100
信号放大至后端A/D电路所能接受的范围(0～
10V)。为了避免干扰造成信号失真,电路中加入了高
第6期增刊微小信号放大电路设计1013
路,作为此放大电路的前级放大器,这种形式的仪表放大器,其输入阻抗约为30～5000MΩ,共模抑制比
(CMR)Rdb=74～110dB,输入失调电压Vos=0.2mV,
通滤波器,为不损失其高频成分,截至频率设计为:
f=
ωπ=2π2
μV/℃。该电路如图2
失调电压温漂r=0.25～10所示。
同样,为了消除直流电平和低频信号干扰,避免信号经后级放大造成饱和以及信号失真的出现,用
OP2177设计了二阶高通滤波器。
4 主放大器电路的设计
A/
D,,就将主放
,Hz陷波器的输μvpp,而A/D转换信号要求0～1～100
10V,因此整个信号放大电路的放大倍数需要100000
图2 倍左右。前置放大电路的放大倍数约10倍左右,因此主放大电路设计为两级放大,每级放大倍数100倍左右,即G=1+R12/R13≈100。
改变R1阻值可得到不同的KUD值。三运放两
输入端均为同相输入,输入阻抗一般在10MΩ以上。三运放测量放大器具有高共模抑制比,高输入阻抗,增益可调等特点。
在三运放中增加了一个补偿网络,如图中的虚线部分。运放A4和电阻R,电容C组成一个积分器,其作用是将运放A3输出端的直流成份经积分、反相后反馈到其同相输入端,从输入信号中减去,从而消除了失调电压的影响。
5 50Hz陷波电路的设计
工频干扰是信号的主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用,但有部分工频干扰是以差模方式进入电路的,所以必须滤除。本设计采用集成运放双T反馈选频放大器。
3 滤波器的设计
为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号,加入了此低通滤波器将之滤除。低通滤波由双运放集成电路OP2177构成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特点,片内集成两个运放电路,可灵活构成各类放大和滤波电路。低通滤波电路如图3所示。
图中R10、R11、U6B、C8、C9
构成二阶压控有源低
6 放大电路调试
探测器输出的信号输入放大器输入端,通过示波器测量放大器输出端的信号,观察放大电路的增益。
μvpp左右,而放大器输出波形有4.探测器输出只有40
72vpp,说明放大电路确实产生了10万倍的增益,达到
了设计要求。由示波器还可看出响应信号和调制脉冲信号是同频变化的信号,放大器输出的响应信号中并没有夹杂其它频率的信号,说明放大电路的频率响应特性良好。
参考文献
[1] 谭建成.电机控制采用集成电路[M].北京:机械工
业出版社,1997.
[2] 曾国泰.脉冲与数字电路[
M].重庆:重庆出版
图3 低通滤波电路
社,2001.
第27卷第6期增刊 2006年6月
仪 器 仪 表 学 报
Vol.27No.6
June.2006
微小信号放大电路设计
孟丽霞 于林丽 濮钰麒 王斌 林燕凌 居滋培
(上海理工大学 上海 200031)
摘 要 热探测传感器当信号较小时,其输出电信号只有几十微伏,需要放大几万倍,才能满足A/D转换的需要,本文介绍的微小信号放大电路不仅满足了电压放大的要求,而且设计了相关的电路,避免了信号失真,以及高频、低频和50Hz市电的干扰。该电路可广泛适用于仪表的信号处理中。关键词 电路 信号 滤波
DesignofamplifyingMengLixia YuLinli PuYuqi WangBin LinYanling JuZipei
(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200031,China)
Abstract Toaheatdetector,whenthesignalistiny,theoutputelectricalsignalwillbeonlytentimesofv,whichmustbeamplifiedtenthousandtimestomeettheneedofA/Dtransformation.Theamplifyingcircuitfortinysignalpresentedherecannotonlyamplifythevoltage,butcanalsoavoidsignaldistortioncausedbydisturbanceandthedisturbancesofhighfrequency,lowfrequency,and50Hzpublicfrequency.Itiswidelyusedinsignalprocessingofinstruments.Keywords circuit signal filter
通、低通滤波电路,以及50Hz陷波滤波器,以降低高
1 引 言
热探测元件是热探测传感器的核心,这类元件均采用金属氧化物作为材料。由于生产和制造环境的影响,导致材料性能十分不稳定,以至于制造出来的热传感器的响应均匀性差别很大。目前采用从大量的同类元件中,挑选出响应性能一致的产品的办法,来解决响应均匀性差别的问题。因此筛选就成为至关重要的工作,而开发一个高精度的测试系统是完成性能测试的关键。该测试系统由一个激光器并经光学系统生成
φ≤0.1mm光斑照射在热探测元件表面,探测器有微小的信号输出,通过放大器将基波信号选出,并放大到
A/D转换板能够接受的信号范围,送入计算机,计算
频、低频噪声及50Hz市电干扰。同时,在结构设计上,使传感器直接与前置放大电路连接,以避免微弱信号传输中产生的干扰,整个放大电路的输出用屏蔽线缆与采集电路相连。此放大电路提供100000倍的放大率及0.15～100Hz的通频带宽范围。放大电路的原理框图如图1
所示。
图1 放大电路原理图
2 仪表放大电路的设计
该电路主要功能为将热敏传感器输出的信号以差模方式进行放大,此前置放大器关系到整个放大电路的优劣,必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能。故本设计采用LM725CN
带自动失调补偿的三运放测量放大电
机对该点的响应数据记录并进行处理分析。热敏传感器输出的信号极为微弱,只有1～μvpp,必须要有高增益的放大电路,将传感器输出100
信号放大至后端A/D电路所能接受的范围(0～
10V)。为了避免干扰造成信号失真,电路中加入了高
第6期增刊微小信号放大电路设计1013
路,作为此放大电路的前级放大器,这种形式的仪表放大器,其输入阻抗约为30～5000MΩ,共模抑制比
(CMR)Rdb=74～110dB,输入失调电压Vos=0.2mV,
通滤波器,为不损失其高频成分,截至频率设计为:
f=
ωπ=2π2
μV/℃。该电路如图2
失调电压温漂r=0.25～10所示。
同样,为了消除直流电平和低频信号干扰,避免信号经后级放大造成饱和以及信号失真的出现,用
OP2177设计了二阶高通滤波器。
4 主放大器电路的设计
A/
D,,就将主放
,Hz陷波器的输μvpp,而A/D转换信号要求0～1～100
10V,因此整个信号放大电路的放大倍数需要100000
图2 倍左右。前置放大电路的放大倍数约10倍左右,因此主放大电路设计为两级放大,每级放大倍数100倍左右,即G=1+R12/R13≈100。
改变R1阻值可得到不同的KUD值。三运放两
输入端均为同相输入,输入阻抗一般在10MΩ以上。三运放测量放大器具有高共模抑制比,高输入阻抗,增益可调等特点。
在三运放中增加了一个补偿网络,如图中的虚线部分。运放A4和电阻R,电容C组成一个积分器,其作用是将运放A3输出端的直流成份经积分、反相后反馈到其同相输入端,从输入信号中减去,从而消除了失调电压的影响。
5 50Hz陷波电路的设计
工频干扰是信号的主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用,但有部分工频干扰是以差模方式进入电路的,所以必须滤除。本设计采用集成运放双T反馈选频放大器。
3 滤波器的设计
为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号,加入了此低通滤波器将之滤除。低通滤波由双运放集成电路OP2177构成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特点,片内集成两个运放电路,可灵活构成各类放大和滤波电路。低通滤波电路如图3所示。
图中R10、R11、U6B、C8、C9
构成二阶压控有源低
6 放大电路调试
探测器输出的信号输入放大器输入端,通过示波器测量放大器输出端的信号,观察放大电路的增益。
μvpp左右,而放大器输出波形有4.探测器输出只有40
72vpp,说明放大电路确实产生了10万倍的增益,达到
了设计要求。由示波器还可看出响应信号和调制脉冲信号是同频变化的信号,放大器输出的响应信号中并没有夹杂其它频率的信号,说明放大电路的频率响应特性良好。
参考文献
[1] 谭建成.电机控制采用集成电路[M].北京:机械工
业出版社,1997.
[2] 曾国泰.脉冲与数字电路[
M].重庆:重庆出版
图3 低通滤波电路
社,2001.