仪表放大器基础和应用

操作放大器的特殊实现是仪表放大器,一种具有输入缓冲放大器的差分放大器。在本教程中,我们将了解一些重要的仪表放大器基础和应用以及三个OP亚博彩票下载-AMP仪表放大器的电路和工作。

如果你想了解更多关于运算放大器的基础知识,请阅读运算放大器基础知识有关差分放大器基础知识的信息,请阅读差分放大器“。

介绍

许多工业和消费应用需要测量和控制物理条件。例如,测量乳制品厂内的温度和湿度以精确地保持产品质量,或精确地控制塑料炉的温度以生产特定等级的塑料,等等。

物理条件的这些变化必须使用换能器转换为电量,然后放大。用于放大信号以测量物理量的这种放大器通常称为仪器放大器。

仪表放大器的输入是来自换能器的输出信号。换能器是一种将一种能量转换成另一个能量的装置。大多数换能器输出具有非常低电平的信号。

因此,在下一阶段之前,有必要放大信号的水平,抑制噪声和干扰。一般的单端放大器不适用于这些操作。为了拒绝噪声,放大器必须具有高共模抑制比。

用于具有高CMRR的这种低级放大的特殊放大器,高输入阻抗以避免加载是仪表放大器。

仪表放大器用于需要高输入电阻、低噪声和精确闭环增益的精确低电平信号放大。此外,低功耗、高转摆率和高共模抑制比是良好的性能。

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良好仪表放大器的要求

通常采用仪表放大器来放大低电平信号,抑制噪声和干扰信号。因此,良好的仪表放大器必须满足以下规格:

有限,准确稳定的收益:由于需要仪表放大器来扩增来自换能器器件的非常低电平信号,因此高和有限增益是基本要求。增益也需要准确,闭环增益必须稳定。

简单的增益调整:除了有限且稳定的增益之外,还需要在规定值范围内的增益因子的变化。增益调整必须更容易和精确。

高输入阻抗:为了避免输入源的负载,仪表放大器的输入阻抗必须非常高(理想情况下是无穷大)。

低输出阻抗:良好仪表放大器的输出阻抗必须非常低(理想为零),以避免在下一阶段立即加载效果。

高CMRR:当通过长线传输时,换能器的输出通常包含共模信号。一个好的仪表放大器必须只放大差分输入,完全排除共模输入。因此,仪表放大器的共模抑制比理想情况下必须是无限的。

高压速率:仪表放大器的旋转速率必须尽可能高,以提供最大的未失真输出电压摆动。

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三个OP-AMP仪表放大器

最常用的仪表放大器包括三个OP-AMP。在该电路中,非反相放大器连接到差分放大器的每个输入。

该仪表放大器提供了高输入阻抗,用于精确测量传感器的输入数据。仪表放大器的电路图如下图所示。

1.仪表放大器电路

OP-AMPS 1和2是非反相放大器,并在一起形成仪表放大器的输入级。OP-AMP 3是差值放大器,形成仪表放大器的输出级。

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仪表放大器的工作原理

仪表放大器的输出级为差分放大器,其输出V出去是应用于其输入端子的输入信号的放大差异。如果OP-AMP 1和OP-AMP 2的输出为V.O1.和V.O2则差分放大器的输出分别为:

V出去=(r.3./ R2)(V.O1.-v.O2

VO1和VO2的表达可以在输入电压和电阻方面找到。考虑仪表放大器的输入级,如下图所示。

2.输入级

节点A的电势是输入电压V1.因此结点B的势也是V1,来自虚拟短概念。因此,节点G处的潜力也是v1

节点D处的电位是输入电压V2.因此结点C处的势也是V2,从虚短。因此,节点H处的势也是V2

理想情况下,输入级OP-AMPS的电流为零。因此当前通过电阻R1,R.获得和R.1保持原样。

在节点E和F之间应用欧姆定律,

我=(vO1.-v.O2/(r1+ R.获得+ R.1)------- 1

我=(vO1.-v.O2/(2r1+ R.获得

由于运放1和运放2的输入端没有电流流过,因此节点G和H之间的电流I可表示为:

我=(vG-v.H)/ R.获得=(V.1-v.2)/ R.获得--------- 2

等式等式1和2,

(V.O1.-v.O2/(2r1+ R.获得) = (V1-v.2)/ R.获得

(V.O1.-v.O2)=(2r1+ R.获得)(V.1-v.2)/ R.获得------ 3.

差异放大器的输出给出,

V出去=(r.3./ R2) (VO1.-v.O2

因此,(VO1.- V.O2) =(右2/ R3.)V.出去

替代(V.O1.- V.O2)等式3中的值,我们得到

(r.2/ R3.)V.出去=(2R.1+ R.获得)(v1-v2)/ R.获得

即V.出去=(r.3./ R2){(2r1+ R.获得)/ R.获得}(v1-v2

上述等式给出了仪表放大器的输出电压。放大器的总增益由术语(R3./ R2){(2r1+ R.获得)/ R.获得}。

注意:

  • 可以通过调节电阻器R的值来控制仪表放大器的总电压增益获得
  • 仪表放大器的共模信号衰减由差分放大器提供。

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三运放仪表放大器的优点

  • 通过调整R的值,可以容易地改变和控制三个运算放大器仪表放大器电路的增益获得不改变电路结构。
  • 放大器的增益仅取决于所使用的外部电阻。因此,通过仔细选择电阻值,很容易准确地设置增益。
  • 仪表放大器的输入阻抗取决于输入级中的非反相放大器电路。非反相放大器的输入阻抗非常高。
  • 仪表放大器的输出阻抗是差分放大器的输出阻抗,其非常低。
  • OP-AMP 3的CMRR非常高,几乎所有的共模信号都将被拒绝。

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传感器桥式仪表放大器

电阻式换能器桥是由电阻组成的网络,其电阻会因某些物理条件的变化而变化。例如,热敏电阻的电阻随着温度的变化而变化,光相关电阻的电阻随着光强度的变化而变化。

通过使这种桥作为电路的一部分,可以产生与测量物理量的变化成比例的电信号。

这样的电信号可以被放大,用来监测和控制物理过程。仪表放大器可以用传感器桥连接到其输入端子之一,如下图所示。

3.换能器桥式仪表放大器

设传感器器件在电阻桥中的电阻为RT并且其阻力的变化是ΔR。换能器装置的有效电阻是rT±ΔR。电阻电桥提供直流电压V直流

当桥梁平衡时,即在测量物理量的一些参考条件下,我们得到了,

V一个= V.b

R一个(VDC)/(r一个+ R.T)= R.B(VDC)/(rB+ R.C

在这种情况下,仪表放大器的差分输入是

VDiff= V.b- V.一个= 0.

因此,放大器的输出为零。因此,连接在输出端的显示设备显示被测物理量的参考值。

参考条件通常由设计者选择,取决于换能器的器件特性,测量的物理量的类型和应用的类型。

当被测物理量发生变化时,电压V一个将不再等于vb.这是因为换能器装置的电阻从r变化T(RT±ΔR)。

这为仪表放大器产生了差分输入,放大器的输出不再为零。

电阻RB和R.C是恒定的,因此电压VB与之前相同,即。

Vb= R.B(VDC)/(rB+ R.C

但电压v一个由于换能器装置的电阻变化而导致的变化,现在给出

弗吉尼亚州= R一个(VDC)/(r一个+ R.T+Δr)

差动电压VDiff是,

VDiff= V.b- V.一个

VDiff= {R.B(VDC)/(rB+ R.C)} - {r一个(VDC)/(r一个+ R.T+ΔR)}

如果把电路中所有的电阻都取为相同的值,即R一个= R.B= R.C= R.T= R.

VDiff= {R(Vdc)/(2R)} - {R(Vdc)/(2R+ ΔR)}

VDiff= {RVDC [2R +ΔR] - R.VDC.2R} / 2R(2R +ΔR)

VDiffR.Vdc [2 r+ΔR -2 r] / {2R(2 R +ΔR)}

VDiff=ΔR(VDC)/ {2(2R +ΔR)

如果V的值Diff是积极的,它表明vb大于v一个

仪表放大器的输出为:

VO=(r.3./ R2)V.d

Vo=(r.3./ R2)[Δr(Vdc)/ {2(2r +Δr)}]]

作为阻力Δr的变化<< 2r,vo可以写成,

Vo=(r.3./ R2)(ΔR / 4 R) (Vdc)

从上述等式,可以注意到输出取决于电阻Δr的变化。可以根据测量的物理量的单位校准显示器。

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仪表放大器的应用

仪表放大器,连同换能器桥可以用于各种各样的应用。这些应用通常被称为数据采集系统。

在输入阶段,存在将物理量的变化转换为电信号的换能器装置。

电信号被馈送到仪表放大器。然后将放大的信号馈送到显示装置,其被校准以检测所测量的量的变化。

温度控制器

4.温度控制系统使用仪表放大器

如上图所示,可以使用热敏电阻作为换能器装置构造简单的温度控制器系统。

电阻电桥在一定的参考温度下保持平衡。对于这个参考温度的任何变化,仪表放大器将产生一个输出电压,驱动继电器依次打开/关闭加热单元,从而控制温度。

温度指示器

所示的温度控制器的电路也可用作温度指示器。当V时,电阻桥对特定参考温度保持平衡o= 0V。

指示仪表被校准为参考温度,对应于此参考条件。

随着温度的变化,放大器的输出也会发生变化。可以适当地设置放大器的增益以指示所需的温度范围。

光强度计

通过将热敏电阻替换为光相关电阻(LDR),可以使用相同的电路来检测光强度的变化。桥在黑暗中处于平衡状态。

当光落在LDR上时,其电阻变化和桥梁不平衡。这导致放大器产生有限输出,又驱动仪表。

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差分放大器

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2回复

  1. 我认为转换速率应该很低,因此opamp的输出可以在最小的时间内达到其最大值......在此转换速率应该提到。
    如果我在这里犯了错误,请给我一些参考..

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