A
Rp
I

Δ
B

A3
Uo
U o U o
R1 R2 (1 )(U i U i ) Rp
R2 R6
Ui
A 2 U o R4
R5 R5 R6 R5 Uo Uo (1 ) U o (Uo Uo ) R3 R3 R4 R6 R3
Uo R1 R2 R5 K (1 ) Ui + Ui RP R3
7
U0 K Ui Ui VRe f
Uo 6

PIN
2 U 1 i 8 3 U i
Δ
Rp1
INA114
REF 5
4
VD1 R3

A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入 信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。
差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。
3
放大器的性能要求：
开环增益足够大，闭环增益可调；
输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；
共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc； 足够的带宽和转换速率； 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。
VCC
R2
R3 T Vi A1 OE
A2
VO
R1 E
VCC
图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较 高的线性。
（二）变压器耦合器件
图4-6所示为284型隔离放大器电路结构图。采用调制式放大 方式，其内部分为输入、输出和电源三个彼此完全隔离的部分， 并且由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。这样可以提高微电 流和低频信号的测量精度，减少漂移。
特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。
3.
差动放大器
Uid= Ui2﹣Ui1 Uic=(Ui1+ Ui2)/2 R1 R3 R4
R2 Ui1 Ui2 ∞ - + + A
R R R4 U o 2 U i1 (1 2 ) U i2 R1 R1 R3 R4
Uo
取 R1=R3，R2=R4，则
A1 R 1
A
Rp
I

Δ
B

A3
Uo
R2 R6
Ui
A 2 U o R4
R1 R2
R3 R4
R5 R6
U o
U o
R1 R1 (1 )U i Ui RP RP
R2 R2 (1 )U i Ui Rp Rp
Ui
U o R3
R5
Δ Δ
A1 R 1
29
1. 抑制调幅: 直接将高频载波与被测信号 (调制波) 相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。
xm (t ) x(t ) y(t ) x(t ) cos2f 0t
调幅
被测信号
高频调 幅信号
放大
放大高频 解调 放大被 调幅信号 测信号
抑制调幅与同步解调过程(波形分析——时域分析)
y(t)
乘法器
xo(t)
滤波器
x(t)
抑制调幅与同步解调过程(数学分析)
x(t)
y(t)
x(t )
乘法器
xm(t)
y(t )
放大器
xm ( t ) x( t ) cos 2f 0 t
y(t )
y(t)
乘法器
xo(t)
xo (t ) x(t ) cos 2 2f 0t
1 1 x( t ) x( t ) cos4f 0 t 2 2
INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。 INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图：
7
V

4
V
50kΩ K 1 Rp
Ui
RP
2 1 8
输入 保护
25 kΩ 25 kΩ

25 kΩ
输入 保护

Δ Δ
A1
Δ
A3
二、隔离放大器
在强电或强磁干扰的环境中，有静电耦合、电磁耦合及接地回路的
隔离放大器是指输入、输出、电源、电流和电阻上彼此 干扰。所以除了将模拟信号先经低通滤波器滤掉高频干扰，还必须 隔离，使输人与输出间没有直接耦合的测量放大器。隔 合理接地，并将放大器加上静电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技 离放大器具有以下特点：
（二）集成测量放大器 1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国AD 公司生产 INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 MAX4195/4196/4197：MAX公司生产 2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟 集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。
R2 Uo U id R1
K
R2 R1
特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。
4.
仪用放大器
Ui
A1A2：两个对称 的同相放大器，以 提高输入阻抗； A3：差动放大器， 以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。
U o R3
R5
Δ Δ
现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控
制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。 用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增 益放大器。如图4-11、4-12所示。


集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变 增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放 大器有PGA204、PGA205等等。 程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中， 可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。 这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
术，具有这种功能的放大器称作隔离放大器。 （1）能保护系统中器件不受高共模电压损害，防止高
压对低压信号系统的损坏； （2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供 偏置电流回路； （3）共模抑制比高，能对直流和低频信号准确安全地 测量。
隔离放大器由输入部件、调制与解调部件、耦合部件和输出部件 组成模块结构。 隔离放大器的耦合方式主要由：变压器耦合和光电耦合。
+5V
R1
+5V
7
I
PIN
2 U 1 i 8 3 U i
U1 U 2 K (U i U i ) R4 R4

Uo 6
Δ
Rp 1
INA114
REF 5
4
VD1 R3

A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极 管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升 高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过LD 的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。
4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声， 需要进行滤波，提高信噪比。
5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须 进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。
第一节 信号的放大与隔离
一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有 时在3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电 平信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电 压增益、输入阻抗和稳定性。
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
案例：INA114与测量电桥的连接
+5V
350Ω
0.1μF
350Ω
2
7
6
350Ω
350Ω
RP
1 8 3
INA114
4
5
Uo
-5V
0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
R1
+5V
16
（一）光耦合器件 目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号 的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发 光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3 给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。
iF
iO
iF
iO
c
c
iF
O
i
iF
iO
(
)
e
e
图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。 前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信 号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光 敏三极管输出电流信号，运放A2把电流信号转换成电 压信号。
第四章 检测系统中信号的转换与调理
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 信号的放大与隔离 调制与解调 滤波电路 信号变换电路 线性化
1
信号转换与调理的目的： 便于信号的传输与处理
1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表， 需要进行放大。 2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若 用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。 3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理(电桥)。