智能仪表仪器通过传感器输入的信号,一般都具有“小”信号的特征:信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级),且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号,电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益,而是提高电路的信噪比;同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好,动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器。

 

 

1、 仪表放大器电路的构成及原理

仪表放大器电路它主要由两级差分放大器电路构成。其中,运放 A1,A2 为同相差分输入方式,同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗,减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差模信号放大,而对共模输入信号只起跟随作用,使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比 CMRR)得到提高。这样在以运放 A3 为核心部件组成的差分放大电路中,在 CMRR 要求不变情况下,可明显降低对电阻 R3 和 R4,RF 和 R5 的精度匹配要求,从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在 R1=R2,R3=R4,Rf=R5 的条件下,图 1 电路的增益为:G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见,电路增益的调节可以通过改变 Rg 阻值实现。

 

2 、仪表放大器电路设计

1 . 仪表放大器电路实现方案

目前,仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类:第一类由分立元件组合而成;另一类由单片集成芯片直接实现。根据现有元器件,文中分别以单运放 LM741 和 OP07,集成四运放 LM324 和单片集成芯片 AD620 为核心,设计出四种仪表放大器电路方案。

 

方案 1 由 3 个通用型运放 LM741 组成三运放仪表放大器电路形式,辅以相关的电阻外围电路,加上 A1,A2 同相输入端的桥式信号输入电路,如图 2 所示。

 

由单运放组成的仪表放大器

 

图 2 中的 A1~A3 分别用 LM741 替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相同。方案 2 由 3 个精密运放 OP07 组成,电路结构与原理和图 2 相同(用 3 个 OP07 分别代替图 2 中的 A1~A3)。

 

方案 3 以一个四运放集成电路 LM324 为核心实现,如图 3 所示。它的特点是将 4 个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里,这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异;采用统一的电源,有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高,且电路的基本工作原理不变。方案 4 由一个单片集成芯片 A13620 实现,如图 4 所示。它的特点是电路结构简单:一个 AD620,一个增益设置电阻 Rg,外加工作电源就可以使电路工作,因此设计效率最高。图 4 中电路增益计算公式为:G=49.4K/Rg+1。

 

2 、性能测试与分析

实现仪表放大器电路的四种方案中,都采用 4 个电阻组成电桥电路的形式,将双端差分输入变为单端的信号源输入。性能测试主要是从信号源 Vs 的最大输入和 Vs 最小输入、电路的最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。测试数据分别见表 1 和表 2。其中,Vs 最大(小)输入是指在给定测试条件下,使电路输出不失真时的信号源最大(小)输入;最大增益是指在给定测试条件下,使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑制比由公式 KCMRR=20|g | AVd/AVC|(dB)计算得出。