测量与设备
高精度微弱电信号检测装置的试制
李正刚 杨厚君 何明军
(武汉大学动力与机械工程学院,430072) (国家电力公司华中公司) (湖北省技术监督局计量测试技术开发部)
摘 要 本文介绍了一种用于恒流源伏安法电阻测量系统中的高精度、微弱电信号放大检测装置的原理及特点, 对核心元件选用做了必要的说明, 并对装置的误差和抗干扰性等分别进行了分析和讨论。
关键词 微弱电信号 放大器 V/F 转换
一、原理与组成
在采用恒流源伏安法进行小电阻测量系统中, 被
测电阻通常很小, 用于测量的被测电阻两端的电压降是一微弱的电信号, 为如实的检测并反映这一微弱的电信号, 我们利用一测量放大器, 将该电信号进行放大, 再通过高精度V/F 转换, 对转换后的频率信号进行数字显示。图1为高精度微弱电信号检测装置的信号检测框图
。
11测量放大器
放大电路是测试系统对信号提取及处理的核心, 要求放大器能对信号进行低失调、低漂移的线性放大。因为输入信号为微弱的直流信号, 而输入信号中的纹波、噪声及放大器本身的噪声干扰直接影响到测量结果。因此, 不能将这些干扰信号带到V/F 转换中, 所以我们选用两级线性放大结构。第一级由高精度、低漂移、自动稳零的斩波运放器ICL7650和相关器件组成, 输入信号经低通滤波器后进入ICL7650, 放大倍数由R 2,R 3决定。第二级由超低漂移, 高精度运放OP -07和相关器件组成, 采用同相比例放大器形式, 其放大倍数由R 6, R 7决定, 影响整个放大部分性能的电阻R 2, R 3,R 6, R 7选用超高精密金属膜电阻, 其阻值精度为0. 05%, 温度系数不大于5×10-6/℃, 从而保证放大部
下面对该装置的主要部分分别加以介绍。
分的准确度与稳定, 也保证了放大部分的零漂和时漂, 电路原理图如图2所示
。
自动稳零斩波运放ICL7650其内部为交流放大, 在对直流信号进行调制、放大、解调, 输出放大后的直流信号过程中, 输出端会出现由于ICL7650内部时钟斩波频率所引起的一些微小尖峰脉冲的干扰。为了保证输出信号的质量, 必须在输出端加低通滤波器, 这里选用RC 低通波波电路, 由R 4,C 5,R 5,C 6组成。
21V/F 转换
测量结果要采用数字显示, 通过放大、滤波等处理的模拟信号, 必须转换成数字信号。对于一个数字显示测量系统, 选用合适的模数转换器是保证测量精度和提高装置性能价格比的关键, 该装置的技术指标要
μV ) , 分辩力为1μV , 而求测量范围在0～100mV (105
・12・
测量与设备
217=131072>105, 可见如果选择A/D 转换, 必须采用16位以上的芯片, 显然这是不切合实际的, 鉴于此, 我
们考虑选用V/F 转换。
V/F 转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性, 常能提供其它类型转换器无法达到的性能[1]。实际电路由美国Analog Devices 公司的V/F 集成电路芯片AD652及少量外部元件组成(见图3) 。该芯片是新一代多功能同步V/F 转换器, 其转换输出频率满量程由外部输入的时钟脉冲所决定, 克服了以往的V/F 转换器的满量程频率由外接电容的稳定性所决定的缺点, 从而保证了其高分辨力与高稳定性, 在我们设计的输出频率范围, 非线性误差仅为0. 002%。AD652的稳定性只取决于外部输入时钟脉冲, 而外部输入时钟脉冲由精密温度补偿型晶振产生, 其精度可达5×10-6。晶振产生的1MHz 脉冲经CD4520分频为500kHz 后送入AD652的10脚。AD652外部连接采用双电源正输入信号, 其满量程输出频率为输入时钟脉冲的1/2, 所以输出满量程频率为250kHz , 对应于输入模拟电压10V 。从放大器来的0～10V 电压信号接入7
脚正输
入端,11脚立即输出频率脉冲, 在7脚串联1k Ω的电
位器用来高速增益, 电位器W 通过2、3脚对零点进行
μF 聚苯乙烯优质调节,4、5脚间的积分电容选用0. 047
电容, 以上几个外部元件必须选用精密器件, 以保证AD652的稳定性。
31数字显示
V/F 转换是将放大器输出的0～10V 电压信号转
换为0～250kHz 的频率信号, 两者之间呈线性对应关系, 数字显示是测得并显示这一频率信号, 实际电路是由计数、译码、驱动以及5位七段L ED 构成一精密的数字频率计, 设计闸门时间为0. 4s , 其满量程显示:250000×0. 4=100000(DP 4加高电平, 实际显示99. 999) , 整套装置的工作过程为:
输入0～100mV →放大器输出0～10V →V/F 转换器输出0～250kHz →显示0～99. 999, 显示结果的单位定为mV 。
二、误差与抗干扰性分析
11误差分析
任何装置或仪器进行测量, 都会产生误差, 误差本身也反映了仪器装置的技术性能。本装置可看作一数字电压表(DVM ) 来对其误差进行分析, 其绝对误差Δ可用下式表示:
Δ=±(α%Ux +β%Um ) (1) 式中:α———误差的相对项系数;
β———误差的固定项系数;
U m ———满度值; U x ———读数值。
由上式可知, 其误差主要由两部分组成:一部分是
与读数有关的α项, 主要由输入器, 转换器的误差引起; 另一部分β项是与读数无关的固定误差, 它是由零点漂移和噪声干扰等因素引起的。根据公式(1) 和对装置的实测结果, 可求得该数字表的非线性误差大小, 误差数据见表1。
表1
测试点i 标准值U m (V ) 测量值U x (V ) 绝对误差△i (V )
00. 0000. 0010. 001
110. 00010. 0000. 000
220. 00019. 999-0. 001
330. 00029. 998-0. 002
440. 00039. 997-0. 003
550. 00049. 997-0. 003
660. 00059. 997-0. 003
770. 00069. 996-0. 004
880. 00079. 996-0. 004
990. 00089. 997-0. 003
・13・
测量与设备
由以上数据, 可列出以下两方程求解。
Δ0=α%Ux 0+β%Um Δ 8=α%Ux 8+β%Um (2) 、(3) 式相减得
α%(U x 0-U x 8) =Δ0-Δ8
ΔΔα=×100=01006
U x 0-U x 8Δβ=×100=01001
U m
(2) (3)
用数字电压表测量电压时的误差, 除去数字表基本误差外, 还有输入电路对测量误差的影响[2]。
(1) 输入阻抗的影响本装置放大部分的第一级是ICL7650斩波自稳零运算放大器, 其输入阻抗高达1012Ω, 但由于输入端加了低通滤波器, 实测的输入阻抗为108Ω。输入阻抗产生的相对误差为:
ΔU δ=≈R =U x R i +R x R i 式中:U x ———被测信号源电压;
ΔU x ———输入阻抗所引起的电压变化;
R x ———被测信号源电阻; R i ———输入阻抗。
21抗干扰性分析
(1) 地间电位差引起的干扰
(4)
在地线上叠加干扰信号, 则电源电压和输入输出
信号也随之改变, 形成地线干扰, 为消除这种干扰, 采用数字地与模拟地分开, 电源单独供电的方法, 避免数字信号对模拟信号的干扰。另外在印制板线路设计时, 采用“树”形地线形式布线。
(2) 信号线之间干扰一信号线通过线间寄生电容或线间互感串音到另一信号线上产生干扰。形成信号线串音干扰, 为消除这种干扰, 采用以下措施:①输入、输出信号线尽量远离, 且尽量缩短; ②在信号线的反面或之间布置地线; ③第一级运放ICL7650的3脚和6脚是两个保护端, 在印制电路板上设置相应的保护环, 保护输入端。
(3) 尖峰脉冲干扰
由于在第一级直流放大电路中, 使用了斩波稳零运放ICL7650, 其内部时钟斩波频率会引起微小的尖峰脉冲干扰。因此, 在第一级运放之后, 加RC 低通滤波器, 有效地掏了尖峰干扰。
(4) 电源干扰
由于外部干扰, 电源的输出电压会有一些纹波信号的存在。在系统设计时, 印制板上主要IC 芯片的电源输入端都加有滤波电容, 这样有效地吸收了通过电源线进入芯片的干扰信号以及芯片产生的干扰信号, 保证了电源电压的纯净。
参考文献
[1]何立民编著. MCS -51系列单片机应用系统设计. 北京:北京航空
在实际测量中, R x 比较小(
(2) 输入零电流的影响
本装置实测零电流i 0小于10-9A , 零电流产生的误差:
ΔU δ(5) =i 0=
U x
U x
-9当 U x =1mV 时, δ=010001%i 0=-3
10
-9 U x =100mV 时, δ=01000001%i 0=011(3) 接触电阻的影响
在实际测量时, 电压信号的提取是通过“四端接线”的探头来完成, 电流注入端与电压提取端的接线分开。电流端的接触电阻被消除, 电压端的接触电阻与数字表的输入阻抗相比可以忽略不计。根据“四端接线”的等效电路, 如图4所示, 测量时接触电阻和导线电阻所引起的误差:
δR ′+
I (R 3+R 4+R ′≈R 3+R ′4) I H
8
[3]
航天大学出版社,1990
[2]冯占岭、王建军编著. 数字电压表的检定测试技术. 北京:中国计量
(6)
出版社,1989
[3]徐启华编著. 电阻的测量与非电量测. 西安:陕西科学技术出版社,
1981
[4]何希才、白广存编著. 最新集成电路应用300例. 北京:科学技术文
由于测量放大器有很高的输入阻抗(≥10Ω) ,
-7
I C νI H , 一般I C /I H
4
献出版社,1995
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高精度微弱电信号检测装置的试制
李正刚 杨厚君 何明军
(武汉大学动力与机械工程学院,430072) (国家电力公司华中公司) (湖北省技术监督局计量测试技术开发部)
摘 要 本文介绍了一种用于恒流源伏安法电阻测量系统中的高精度、微弱电信号放大检测装置的原理及特点, 对核心元件选用做了必要的说明, 并对装置的误差和抗干扰性等分别进行了分析和讨论。
关键词 微弱电信号 放大器 V/F 转换
一、原理与组成
在采用恒流源伏安法进行小电阻测量系统中, 被
测电阻通常很小, 用于测量的被测电阻两端的电压降是一微弱的电信号, 为如实的检测并反映这一微弱的电信号, 我们利用一测量放大器, 将该电信号进行放大, 再通过高精度V/F 转换, 对转换后的频率信号进行数字显示。图1为高精度微弱电信号检测装置的信号检测框图
。
11测量放大器
放大电路是测试系统对信号提取及处理的核心, 要求放大器能对信号进行低失调、低漂移的线性放大。因为输入信号为微弱的直流信号, 而输入信号中的纹波、噪声及放大器本身的噪声干扰直接影响到测量结果。因此, 不能将这些干扰信号带到V/F 转换中, 所以我们选用两级线性放大结构。第一级由高精度、低漂移、自动稳零的斩波运放器ICL7650和相关器件组成, 输入信号经低通滤波器后进入ICL7650, 放大倍数由R 2,R 3决定。第二级由超低漂移, 高精度运放OP -07和相关器件组成, 采用同相比例放大器形式, 其放大倍数由R 6, R 7决定, 影响整个放大部分性能的电阻R 2, R 3,R 6, R 7选用超高精密金属膜电阻, 其阻值精度为0. 05%, 温度系数不大于5×10-6/℃, 从而保证放大部
下面对该装置的主要部分分别加以介绍。
分的准确度与稳定, 也保证了放大部分的零漂和时漂, 电路原理图如图2所示
。
自动稳零斩波运放ICL7650其内部为交流放大, 在对直流信号进行调制、放大、解调, 输出放大后的直流信号过程中, 输出端会出现由于ICL7650内部时钟斩波频率所引起的一些微小尖峰脉冲的干扰。为了保证输出信号的质量, 必须在输出端加低通滤波器, 这里选用RC 低通波波电路, 由R 4,C 5,R 5,C 6组成。
21V/F 转换
测量结果要采用数字显示, 通过放大、滤波等处理的模拟信号, 必须转换成数字信号。对于一个数字显示测量系统, 选用合适的模数转换器是保证测量精度和提高装置性能价格比的关键, 该装置的技术指标要
μV ) , 分辩力为1μV , 而求测量范围在0～100mV (105
・12・
测量与设备
217=131072>105, 可见如果选择A/D 转换, 必须采用16位以上的芯片, 显然这是不切合实际的, 鉴于此, 我
们考虑选用V/F 转换。
V/F 转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性, 常能提供其它类型转换器无法达到的性能[1]。实际电路由美国Analog Devices 公司的V/F 集成电路芯片AD652及少量外部元件组成(见图3) 。该芯片是新一代多功能同步V/F 转换器, 其转换输出频率满量程由外部输入的时钟脉冲所决定, 克服了以往的V/F 转换器的满量程频率由外接电容的稳定性所决定的缺点, 从而保证了其高分辨力与高稳定性, 在我们设计的输出频率范围, 非线性误差仅为0. 002%。AD652的稳定性只取决于外部输入时钟脉冲, 而外部输入时钟脉冲由精密温度补偿型晶振产生, 其精度可达5×10-6。晶振产生的1MHz 脉冲经CD4520分频为500kHz 后送入AD652的10脚。AD652外部连接采用双电源正输入信号, 其满量程输出频率为输入时钟脉冲的1/2, 所以输出满量程频率为250kHz , 对应于输入模拟电压10V 。从放大器来的0～10V 电压信号接入7
脚正输
入端,11脚立即输出频率脉冲, 在7脚串联1k Ω的电
位器用来高速增益, 电位器W 通过2、3脚对零点进行
μF 聚苯乙烯优质调节,4、5脚间的积分电容选用0. 047
电容, 以上几个外部元件必须选用精密器件, 以保证AD652的稳定性。
31数字显示
V/F 转换是将放大器输出的0～10V 电压信号转
换为0～250kHz 的频率信号, 两者之间呈线性对应关系, 数字显示是测得并显示这一频率信号, 实际电路是由计数、译码、驱动以及5位七段L ED 构成一精密的数字频率计, 设计闸门时间为0. 4s , 其满量程显示:250000×0. 4=100000(DP 4加高电平, 实际显示99. 999) , 整套装置的工作过程为:
输入0～100mV →放大器输出0～10V →V/F 转换器输出0～250kHz →显示0～99. 999, 显示结果的单位定为mV 。
二、误差与抗干扰性分析
11误差分析
任何装置或仪器进行测量, 都会产生误差, 误差本身也反映了仪器装置的技术性能。本装置可看作一数字电压表(DVM ) 来对其误差进行分析, 其绝对误差Δ可用下式表示:
Δ=±(α%Ux +β%Um ) (1) 式中:α———误差的相对项系数;
β———误差的固定项系数;
U m ———满度值; U x ———读数值。
由上式可知, 其误差主要由两部分组成:一部分是
与读数有关的α项, 主要由输入器, 转换器的误差引起; 另一部分β项是与读数无关的固定误差, 它是由零点漂移和噪声干扰等因素引起的。根据公式(1) 和对装置的实测结果, 可求得该数字表的非线性误差大小, 误差数据见表1。
表1
测试点i 标准值U m (V ) 测量值U x (V ) 绝对误差△i (V )
00. 0000. 0010. 001
110. 00010. 0000. 000
220. 00019. 999-0. 001
330. 00029. 998-0. 002
440. 00039. 997-0. 003
550. 00049. 997-0. 003
660. 00059. 997-0. 003
770. 00069. 996-0. 004
880. 00079. 996-0. 004
990. 00089. 997-0. 003
・13・
测量与设备
由以上数据, 可列出以下两方程求解。
Δ0=α%Ux 0+β%Um Δ 8=α%Ux 8+β%Um (2) 、(3) 式相减得
α%(U x 0-U x 8) =Δ0-Δ8
ΔΔα=×100=01006
U x 0-U x 8Δβ=×100=01001
U m
(2) (3)
用数字电压表测量电压时的误差, 除去数字表基本误差外, 还有输入电路对测量误差的影响[2]。
(1) 输入阻抗的影响本装置放大部分的第一级是ICL7650斩波自稳零运算放大器, 其输入阻抗高达1012Ω, 但由于输入端加了低通滤波器, 实测的输入阻抗为108Ω。输入阻抗产生的相对误差为:
ΔU δ=≈R =U x R i +R x R i 式中:U x ———被测信号源电压;
ΔU x ———输入阻抗所引起的电压变化;
R x ———被测信号源电阻; R i ———输入阻抗。
21抗干扰性分析
(1) 地间电位差引起的干扰
(4)
在地线上叠加干扰信号, 则电源电压和输入输出
信号也随之改变, 形成地线干扰, 为消除这种干扰, 采用数字地与模拟地分开, 电源单独供电的方法, 避免数字信号对模拟信号的干扰。另外在印制板线路设计时, 采用“树”形地线形式布线。
(2) 信号线之间干扰一信号线通过线间寄生电容或线间互感串音到另一信号线上产生干扰。形成信号线串音干扰, 为消除这种干扰, 采用以下措施:①输入、输出信号线尽量远离, 且尽量缩短; ②在信号线的反面或之间布置地线; ③第一级运放ICL7650的3脚和6脚是两个保护端, 在印制电路板上设置相应的保护环, 保护输入端。
(3) 尖峰脉冲干扰
由于在第一级直流放大电路中, 使用了斩波稳零运放ICL7650, 其内部时钟斩波频率会引起微小的尖峰脉冲干扰。因此, 在第一级运放之后, 加RC 低通滤波器, 有效地掏了尖峰干扰。
(4) 电源干扰
由于外部干扰, 电源的输出电压会有一些纹波信号的存在。在系统设计时, 印制板上主要IC 芯片的电源输入端都加有滤波电容, 这样有效地吸收了通过电源线进入芯片的干扰信号以及芯片产生的干扰信号, 保证了电源电压的纯净。
参考文献
[1]何立民编著. MCS -51系列单片机应用系统设计. 北京:北京航空
在实际测量中, R x 比较小(
(2) 输入零电流的影响
本装置实测零电流i 0小于10-9A , 零电流产生的误差:
ΔU δ(5) =i 0=
U x
U x
-9当 U x =1mV 时, δ=010001%i 0=-3
10
-9 U x =100mV 时, δ=01000001%i 0=011(3) 接触电阻的影响
在实际测量时, 电压信号的提取是通过“四端接线”的探头来完成, 电流注入端与电压提取端的接线分开。电流端的接触电阻被消除, 电压端的接触电阻与数字表的输入阻抗相比可以忽略不计。根据“四端接线”的等效电路, 如图4所示, 测量时接触电阻和导线电阻所引起的误差:
δR ′+
I (R 3+R 4+R ′≈R 3+R ′4) I H
8
[3]
航天大学出版社,1990
[2]冯占岭、王建军编著. 数字电压表的检定测试技术. 北京:中国计量
(6)
出版社,1989
[3]徐启华编著. 电阻的测量与非电量测. 西安:陕西科学技术出版社,
1981
[4]何希才、白广存编著. 最新集成电路应用300例. 北京:科学技术文
由于测量放大器有很高的输入阻抗(≥10Ω) ,
-7
I C νI H , 一般I C /I H
4
献出版社,1995
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