现代测控电子技术-信号调理电路.pdf

第三章 信号调理电路 信号调理电路是指将传感器输出地低质 量信号转变为高质量信号地电路,它地功用 是对传感器地输出信号进行信号运算,信号 变换与信号处理,为后续电路提供易于进行 模拟测量或数字测量地"规范"信号。 3.1 信号运算电路 3.1.1 积分与微分放大器 积分与微分放大器分别用来对输入信号 实现积分与微分运算。它们地应用非常广 泛,特别是积分器,在现代测量中有着极其 重要地应用。例如多斜式积分式A/D转换 器,高精度时分割乘法器等便是积分器地 重要应用。 1. 积分放大器 1）基本积分放大器 在基本反相放大器中,反馈回路地元件采 用电容,而输入回路元件采用电阻,即构成了 基本积分放大器 图3.1.1基本积分放大器 运算关系为 实现精确积分地前提条件是反相端地虚地, 如果反相端偏离了虚地,则将导致积分误差。 电路中同相端地补偿电阻Rp如何取值,也要 依据使运放偏置电流地误差被消除这一原则来选 取。 积分器地输出电压与输出电流要受到运放额 定输出电压与额定输出电流地限制。 具体设负载电流为iL,则 例3.1.1 已知基本积分器地输入回路电阻 Rf=10kΩ,积分电容CF=0.1μF,积分器地最大负载电 流为±2.5mA,运放地额定值为 Vomax=10V,Iomax=5mA。问: (1) 当输入电压为直流电压时,输入电压地最大 值为多少？对积分地时间有何限制？ (2)若输入电压为交流电 Vin(t)=Vmsinωt时, 对信号地频率有何限制？ 解1:(1)求输入电压地最大值 令 即输入电压允许地最大直流电压为25V 。 (2)求积分地时间限制 由于 该结果说明由于额定输出电压地限制,积分器 输入电压与积分时间地乘积不能超过0.01V·sec, 输入电压为最大电压25V时,积分时间不能超过 0.4ms 。 解2: 令 结果说明交流输入信号地频率受到交流信号幅值 地制约,幅度越大,频率要求越高。 2） 积分器地误差分析 （1）失调与漂移引起地误差——积分漂移 等效电路图如图3.1.2所示。 图3.1.2 考虑失调及漂移地积分放大器 对运放反相端应用KCL 有 解之得 由此可得积分器地输出误差为 令 因此补偿电阻地选取与反相放大器不同,其值 与偏置电流地比值有关,这种取值方法理论上可行, 而实际上难以实现,好在一般对运放而言Ibn≈Ibp,故 一般我们取Rp=Rf 。 在这样地取值条件下,输出误差电压为 由此可以看到:在实际积分器中,即使输 入信号为零,输出信号也不为零,失调电压与 失调电流及其它们地漂移,均会导致积分器 输出电压向一个方向变去,这就是积分漂移 现象。 "积分漂移"会在不同程度上影响积分器 地正常工作。 首先,"积分漂移"将使积分电容上地初始电 荷不为零,从而轻则限定积分时间地长短,重则使 放大器进入饱与,无法正常进行积分运算。 其次,"积分漂移"地本质是失调及漂移电压 地积分,这就相当于在输入信号上叠加了额外地 输入电压,因而实际地积分电压被修改了,从而对 相同地积分输出电压而言,其积分时间被改变了。 减少积分漂移地主要措施有: ①应选用失调及其漂移小地运算放 大器,特别是对放大器地偏置电流Ib与失 调电流Ios指标要慎重。在要求比较高地 场合应选用斩波稳零式运放。 ②设计自动校零电路补偿积分漂移。 电路如图3.1.3 。 图3.1.3 具有自动校零功能地积分器 积分器工作分两步: 第一步是校零阶段,将S1接至地端,S2闭 合,积分电容CF被强制复位,确保其初始电荷 为零,失调电压对校零电容CAZ充电,平衡后 VCAZ=Vos; 第二步是信号积分阶段,将S1接至输入 Vin,S2断开,积分电流（积分器输入回路电流） 为 显然,消除了Vos地影响,从而补偿了积分漂 （2）积分器地动态误差 （2）积分器地动态误差 ①实际积分器地频率特性