信號(hào)的采集，在我們做課程設(shè)計(jì)時(shí)，一定都會(huì)涉及，比如電子秤，溫度計(jì)等儀表類項(xiàng)目。
通常，我們用傳感器測(cè)得的差模信號(hào)都十分微弱，并且又帶有較大的共模干擾分量，這個(gè)時(shí)候?qū)x表類的放大電路的要求就比較高了。儀表放大器和運(yùn)算放大器有什么區(qū)別？其實(shí)儀表放大器和運(yùn)算放大器并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。只是儀表放大器專門為差分增益和共模抑制的功能而設(shè)計(jì)和使用，其多數(shù)用于測(cè)量系統(tǒng)。儀表放大器放大差模信號(hào)即兩個(gè)輸入端的差值，同時(shí)抑制這兩個(gè)輸入端的共模噪聲分量。儀表放大器電壓增益可以由外部引腳配置。
選擇什么樣的放大電路呢？推薦三運(yùn)放儀表放大電路。它具有抑制共模信號(hào)、放大差模信號(hào)的特點(diǎn)，且放大倍數(shù)越高抑制共模能力越強(qiáng)，因此十分適合對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。以ADI公司的OP113組成的三運(yùn)放電路為例，我們來具體看看三運(yùn)放是如何微弱小信號(hào)放大的：OP113單電源運(yùn)算放大器具有低噪聲和低漂移特性，針對(duì)具有內(nèi)部校準(zhǔn)能力的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。通常，這些基于處理器的系統(tǒng)能夠校正失調(diào)電壓和增益，但無法校正溫度漂移和噪聲。OP113系列針對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，既可以利用出色的模擬性能，同時(shí)又具備數(shù)字校正功能。OP113常見在電池供電儀器儀表、溫度傳感器放大器、數(shù)字秤等應(yīng)用領(lǐng)域。下圖就是我們經(jīng)常使用到的三運(yùn)放儀表放大器電路：
根據(jù)“虛斷”特性： 
假設(shè) 
因此，有： 
這個(gè)時(shí)候我們已知流經(jīng)R1、R2、R3的電流i，又知道B、C節(jié)點(diǎn)的電位，接下來我們將電路簡(jiǎn)化如下（圖中加紅字體就是我們上一步推導(dǎo)出來的條件）： 
很顯然，使用歐姆定律就可以求出節(jié)點(diǎn)A、D的電位uA、uD： 
再來看節(jié)點(diǎn)A、D的電位是uA、uD，推導(dǎo)到這一步，就剩下單個(gè)運(yùn)放的電路了，我們?cè)倮谩疤摂唷薄疤摂唷碧匦岳^續(xù)簡(jiǎn)化這個(gè)電路： 
根據(jù)歐姆定律，求出： 
加上虛短又有：
最后，聯(lián)立可得：
從上式可以看出，通過調(diào)整電阻R2的值即可調(diào)整差模電壓增益。集成儀表放大器中通常將電阻R2外置，由用戶配置放大器的電壓增益。當(dāng)向這個(gè)電路的輸入端輸入共模信號(hào)時(shí)，即：ui1=ui2=uic，帶入上式得uO=0，可見該電路只放大差模信號(hào)不放大共模信號(hào)。因而具有極高的共模抑制比。上面講的三運(yùn)放儀表放大電路其實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)，雖然通過運(yùn)放電路，把微弱的信號(hào)放大了，但是并不能直接把該電路的輸出直接送進(jìn)后一級(jí)的AD轉(zhuǎn)換芯片。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)uo有對(duì)地的負(fù)電壓，例如當(dāng)輸入信號(hào)為正值時(shí)，即（ui1-ui2）>0，將該輸入信號(hào)輸入輸出關(guān)系表達(dá)式：
可見輸出電壓uo為負(fù)值，而ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是不能處理負(fù)電壓的，那么直接將該信號(hào)送入ADC就會(huì)失去電壓值為負(fù)值的信號(hào)，還有可能會(huì)燒毀ADC。那么有什么解決辦法呢？我們只需把輸出信號(hào)抬高就行了，這個(gè)問題和解決辦法可表示為如下圖：
上圖所給的解決辦法需要將輸出電壓進(jìn)行抬升，可以看出信號(hào)的正負(fù)半周這時(shí)是相對(duì)于uo=Vref軸來說的。我們將uo=vref軸稱為參考軸。我們按照這種思路將前面的三運(yùn)放儀表放大電路改進(jìn)后的電路如下圖所示。
其實(shí)改動(dòng)的地方很小，只是將下半部分的電阻Rf的一端不接地而是接參考電壓vref。這時(shí)，輸出電壓和和輸入電壓的比例系數(shù)就可表示為：
由此可知，只要設(shè)計(jì)合適抬升電壓vref和放大倍數(shù)，這個(gè)時(shí)候輸出電壓就不會(huì)存在負(fù)壓，從而可以連接ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量了。學(xué)會(huì)了三運(yùn)放儀表放大電路，在涉及到信號(hào)采集部分可以說基本沒有什么大問題了。比如需要采集微弱差分信號(hào)的題目，采集部分你就可以采用ADI的儀表放大器做前置處理，或者你也可以用通用運(yùn)放按照前述的儀表放大電路自己搭建一個(gè)儀表放大器。深入理解放大電路是十分有意義的，這樣才能真正的運(yùn)用好運(yùn)放而不是依舊停留在只會(huì)書上那比例放大電路的階段。在一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中，遇到運(yùn)放電路該怎么分析呢？下周同一時(shí)間請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注“ADI校園計(jì)劃”。
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