高精密放大器的设计

2008年 2月 　　　　　　　　　　　　陕西理工学院学报 (自然科学版 ) Feb. 2008 第 24卷第 1期 　　　 　　Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition) Vol. 24　No. 1 [文章编号 ]1673 - 2944 (2008) 01 - 0037 - 03 高精密放大器的设计 聂　翔 1 , 　　王春侠 2 (1. 陕西理工学院 电信工程系 , 　陕西 汉中 　723003; 　2. 陕西理工学院 电气工程系 , 　陕西 汉中 　723003) [摘 　要 ]　着重讨论高精密放大器的系统构成及主要性能指标。它主要用于对称重传感器 输出的微弱直流信号进行放大 ,并在一定范围可以调节放大倍数使该信号能够匹配模 /数 (A /D)转换器的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 信号范围。另外 ,当称重传感器空载或者加载容器时它都可以实现输出 归零 ,同时当系统连续工作积累的漂移过大时它也可以使输出归零。 [关 　键 　词 ]　高精密放大器 ; 　低漂移 ; 　归零 ; 　滤波 [中图分类号 ]　TN722　　　　　　　　　[文献标识码 ]　A 收稿日期 : 2007 - 10 - 09　　 基金项目 :陕西理工学院科研基金资助项目 ( SLG0446)。 在精密测量仪器中 ,传感器的输出电信号一般很小 ,而且往往含有噪声和干扰 ,若要对传感器输出 的微弱信号进行 A /D转换、高精度计算、显示等处理 ,就必须对其进行精密放大。本文设计一种高精密 放大器 ,并用于对称重传感器的输出信号进行放大、滤波和去皮归零。 图 1　系统框图 1　系统构成 首先用集成运算放大器来实现传感器的直流 小信号的放大。考虑到称重传感器有时需要载物 容器 ,因此要测物体净重必须设计去皮电路。为 了滤除 220 V 电源中的高频干扰和工业干扰必须 图 2　抑制共模放大电路 设计低通滤波器。系统框图见图 1。 基于系统对放大精度、线性度、漂移、工作 长期稳定性、共模抑制比、工频干扰的总要求 , 高精密放大器可分为抑制共模放大电路、系统 调零电路和滤波放大电路三级。考虑经济性、 可靠性、实用性及指标要求多方面因素 ,各级 电路的运算放大器均采用低漂移高精度的集 成运算放大器 op07 (或者其换代产品 op77, op177 ) ,电阻使用高精度低温漂的线绕电阻。 为抑制干扰 ,在每个运放接电源的引脚处都 加了钽电容 ( 10μF )以及独石电容 ,在运放 负反馈电阻和运放的输出端间加了薄膜电容。 1. 1　抑制共模放大电路 抑制共模放大电路对称重传感器输出的 信号进行高于 50倍的放大 ,电路图如图 2所 示。 该级电路的输出电压为 V0 = - R5 R3 (1 + 2R1 Rw2 ) V i ,当调节 Rw2 = 20 k时 , V0 = 100 V i ,实现 100倍的放 大。 电路特点 : (1)输入电阻极高。输入级的两个集成运放均为同相输入 ,对于理想运放 ,输入电阻为 无穷大 ; (2)共模抑制比极高。电路对称 ,其共模抑制比高于普通差动放大器 ,可有效抑制共模信号 ,大 大减小外部感应噪声的影响 ; (3)增益调节方便。Rw2 为 25 k的电位器 ,调节 Rw2 可以改变本级电路的 放大倍数。 1. 2　系统去皮调零电路 为了使系统空载或者加载容器时输出为零 ,同时当系统长期连续工作积累的漂移过大时也可方便 地通过调节调零电位器使输出归零 ,用减法运算将空载时第一级电路的输出抵消掉来实现调零。电路 如图 3。 图 3　系统去皮调零电路 在运算放大器的同相端用双二极管 对称级联使稳压更加可靠、性能更稳定、 调节也方便。 1. 3　滤波放大电路 经前级放大以后 ,去皮电路输出信号 上的工频干扰信号最高可达 ±350 mV,直 接影响后级电路的工作且使得系统的工 作稳定性下降 ,误差较大 ,必须进行抑制、 滤除。滤波放大电路主要衰减或抑制工频 干扰 ,同时对前级输出信号进行 2. 5倍的 放大滤波。为了将工频干扰抑制到 10 mV 以下 ,采用一阶和二阶低通滤波器级联的 方式来构成高阶低通滤波器 ,电路图如图 4所示。选择二阶无限增益多路反馈滤波 电路构成一级滤波器以抑制工频干扰和 实现 2. 5倍的放大。最后一级选用一阶 图 4　滤波放大电路 低通滤波器进一步滤波。 2　测试结果 抑制共模放大电路将信号放大 100倍 , 调节电位器 Rw2 可以改变电路的放大倍数 , 同时调节电位器 Rw2 ,还可以使电路平衡、 稳定。调节去皮 (调零 ) 电路中的电位器 Rw3 可以实现调零及去皮功能。二阶有源 滤波电路可以有效滤除电路中的工频干扰 同时对有用信号进行 2. 5倍的放大 ,该级电 路中一阶滤波器主要实现对输出信号的倒 相。 2. 1　增益的测定 当空载时称重传感器输出电压 V i = 10 mV,调节去皮电路的电位器 ,使电路输出为 0,即达到去皮 (调零 )效果。由表 1可以看出 ,系统的总增 益为 250。 ·83· 　　　　　　　　　　　　　　　　　陕西理工学院学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　　　　　　　第 24卷 表 1　增益的测定 输入信号 第一级放大输出 调零级输出 末级输出 10mv 1. 000V 0 0 20mV 2. 000V 1. 000V 2. 500V 30mV 3. 000V 2. 000V 5. 001V 2. 2　时漂的测定 当 V i = 30 mV 时 ,经过 24小时的连续工作 ,时漂控制在 20 mV　以内 ,如表 2所示。 表 2　时漂的测定 时间 输出 时间 输出 时间 输出 10: 10分 5. 000V 15: 10分 5. 001V 20: 10分 5. 004V 11: 10分 5. 000V 16: 10分 5. 002V 8: 10分 5. 005V 12: 10分 5. 000V 17: 10分 5. 002V 9: 10分 5. 005V 14: 10分 5. 001V 18: 10分 5. 003V 10: 10分 5. 007V 2. 3　共模抑制比的测定 V i = 3 V 共模信号 ,输出 Vo = 2. 986 mV ,系统的共模放大倍数 Auc = 0. 000 995 3 ,而系统的差模放 大倍数 Aud = 250 。所以系统的共模抑制比 CM RR = 20 lg |Aud /Auc | = 108 dB 。 3　结 论 通过测试 ,系统的主要技术参数如下 , (1)当输出电压为 3 V 时 ,工频干扰的最大幅值 :第一级输出 最大幅值为 ±350 mV ,末级输出最大幅值为 ±4. 2 mV ; (2)电压放大倍数可调为 250倍 ,其误差 ≤0. 1; (3)输出电阻 Ro = 81. 3Ω ; (4)时漂为 24小时约为 7～8 mV ; ( 5)放大器的输出信号 Vo ≥2 V ; ( 6)共 模抑制比 CM RR = 108 dB ; (7)具有调零及去皮功能。 该系统不仅可以用于称重传感器信号的精密放大 ,也可以用于其他弱信号输出的传感器信号的精 密放大。 [　参 　考 　文 　献 　 ] [ 1 ]　傅丰林. 电子线路基础 [M ]. 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2001. [ 2 ]　冯民昌. 模拟集成电路系统 [M ]. 北京 :中国铁道出版社 , 1998. [ 3 ]　杨小玲 ,伍水顺.高准确度温度测量系统信号调理 [ J ]. 传感器技术 , 2003, 22 (6 ) : 47—49, 52. [ 4 ]　许大庆. 检测仪表微伏信号的直流放大 [ J ].仪表技术 , 2004, (6) : 70—71. [ 5 ]　王春侠 1CPLD应用中计数器竞争 -冒险现象的一种消除方法 [ J ].陕西工学院学报 , 2003, 19 (2) : 34—35. Desi gn of an amp lifi era of hi gh p recision N I E Xiang, 　　WANG Chun2Xia ( Shaanxi University of Technology, 　Hanzhong, 723003, 　China) Abstract:　 Constitution and main performance indexes of a high p recision amp lifier are discussed em2 phatically. It can be mainly used to amp lify the weak direct current signal of a weighing sensor, and it′s am2 p lifying gain may be adjusted in a certain scope to match the standard input scope of an analog - digital (A /D) converter. Moreover, it′s outputmay be zeroed when the weighing sensor is no - load, a vessel is put on it, or the accumulated drifting of the system is too large. Key words:　high p recision amp lifier; 　low drifting; 　zeroing; 　filtering ·93· 第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　聂翔 ,王春侠 　　高精密放大器的设计