于 鐳，田家彩，陳振喜

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

在現(xiàn)實(shí)工程項(xiàng)目中，通常需要對(duì)某一非電物理量進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)這種非電物理量的檢測(cè)一般是通過(guò)傳感器或其他途徑采集獲得，但是所得到的信號(hào)很小，不能直接進(jìn)行濾波、運(yùn)算等處理，必須對(duì)這個(gè)微弱信號(hào)進(jìn)行放大。而本設(shè)計(jì)檢測(cè)電路就是放大處理電路，實(shí)際上就是對(duì)來(lái)源于傳感器的微弱信號(hào)的放大處理。這要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力，還要求增益高，性能穩(wěn)定，尤其是零點(diǎn)漂移、溫度漂移、增益、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求較高，也就是要能對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)精密放大處理，滿足計(jì)量要求[1]。

1 電路的設(shè)計(jì)與分析

本電路主要分為3部分：輸入電路、模擬隔離電路和輸出電路，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的儀用放大器電路主要是針對(duì)傳感器的微弱信號(hào)的檢測(cè)放大，其電路圖如圖2所示，電路分為3級(jí)，分別介紹如下。

1.1 輸入電路

輸入電路為第1級(jí)，使用4個(gè)LM324集成運(yùn)放構(gòu)成儀用放大電路作為輸入電路，該輸入電路具有放大倍數(shù)及放大精度高、共模抑制比高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，經(jīng)常應(yīng)用于精密儀器電路和測(cè)控電路中，而且還避免了使用專(zhuān)用儀用放大器價(jià)格高的缺點(diǎn)[2]。該輸入電路的輸出電路是個(gè)加法器，電路中滑動(dòng)變阻器通過(guò)電壓跟隨器加到電路上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)為零時(shí)，使得輸入電路的輸出為零。通過(guò)調(diào)節(jié) R3、R4、R53個(gè)電阻的關(guān)系設(shè)計(jì)輸入級(jí)的放大倍數(shù)，其公式為：

其中，R1=R2，R4=R5，R6=R7，R9=R10，R12=R13，R14=R15，R16=R17，URP為滑動(dòng)變阻器經(jīng)電壓跟隨器輸出的電壓。

1.2 隔離電路

隔離電路為第2級(jí)，實(shí)現(xiàn)外部電路與內(nèi)部核心電路的有效隔離，避免外部干擾對(duì)內(nèi)部控制芯片的影響[3]。主要包括模擬隔離放大器HCPL-7840和保護(hù)電路，68 Ω的電阻用于HCPL-7840輸入限流。由于前一級(jí)儀用放大器的放大倍數(shù)比較高，為了防止輸出高電壓對(duì)HCPL-7840模擬隔離放大器的損壞，在HCPL-7840輸入端接上了2個(gè)并聯(lián)的二極管用于限制HCPL-7840的輸入電壓，同時(shí)輸入端連接了0.01 μF的電容，用于濾波[4]。此外，HCPL-7840不僅是隔離電路，還具有很好的信號(hào)放大功能，放大倍數(shù)為8倍。

1.3 輸出電路

通過(guò)以上對(duì)電路分析可知：對(duì)整個(gè)電路的放大倍數(shù)的設(shè)計(jì)除了模擬隔離放大器固有的8倍的放大倍數(shù)外，還可以通過(guò)輸入電路和輸出電路兩部分中的放大部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到需要的放大倍數(shù)。需要注意的是：模擬隔離放大器HCPL-7840的輸入有要求，線性區(qū)電壓應(yīng)在-200 mV～+200 mV之內(nèi)。

本電路使用雙電源設(shè)計(jì)，其好處主要有兩點(diǎn)：(1)很多傳感器都是電橋形式的傳感器(如壓力傳感器)，通過(guò)打破電橋的平衡得到輸出與壓力成正比的電信號(hào)?？梢允褂秒p電源給傳感器供電，使得電橋的共模電壓在0 V左右；(2)HCPL-7840的最高供電電壓為 5.5 V，而傳感器的供電電壓相對(duì)比較高，在 10 V～15 V，所以使用雙電源(+5 V和-5 V)可以使得兩者兼容。

同時(shí)本電路中注重電磁兼容性的設(shè)計(jì)，為每個(gè)集成芯片 LM324、HCPL-7840都設(shè)計(jì)了 0.1 μF的去耦電容。去耦電容主要連接在電源和地之間，它有三個(gè)方面的作用：(1)作為本集成電路的蓄能電容；(2)濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路；(3)旁路掉該器件的高頻噪聲，防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路造成干擾[5]。

2 電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)(單位:mV)

為了檢測(cè)設(shè)計(jì)電路的性能，根據(jù)圖2中元器件參數(shù)配置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這種元器件配置各級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為：第1級(jí)為14.33倍；第 2級(jí)，也即模擬隔離放大器固有的8倍放大倍數(shù)[6]；第3級(jí)為1.5倍，總的放大倍數(shù)為172倍。整個(gè)電路的輸入，使用張力傳感器(壓力傳感器的一種，主要用在織布機(jī)上，用于對(duì)紗線張力的檢測(cè)，該傳感器電路為電橋形式的電路)的輸出作為輸入，通過(guò)掛已知質(zhì)量的砝碼拉伸張力傳感器，使張力傳感器輸出電壓值。同時(shí)在電路中設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以檢測(cè)各部分電路的放大處理性能。3個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別是：(1)Test1，模擬隔離放大器的輸入；(2)Test2，模擬隔離放大器的輸出；(3)Test3，電壓跟隨器的輸出作為最終輸出。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

使用MATLAB仿真軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)輸入電壓的關(guān)系曲線如圖3所示。使用MATLAB中的線性擬合指令，計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)對(duì)輸入的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)曲線為線性曲線，分別為：儀用放大器級(jí)輸出曲線：y=14.56x+1.611，模擬光耦輸出級(jí)曲線：y=115.3x+15.57，最終輸出級(jí)曲線：y=174.3x+12.34。

從圖中可以看出，各級(jí)的電壓均為線性輸出，第1測(cè)試點(diǎn)放大倍數(shù)為14.56倍，第2測(cè)試點(diǎn)放大倍數(shù)為115.3倍，第3測(cè)試點(diǎn)放大倍數(shù)為174.3倍，基本符合理論設(shè)計(jì)。第1測(cè)試點(diǎn)到第2測(cè)試點(diǎn)的放大倍數(shù)為7.92倍，基本為8倍，驗(yàn)證了模擬隔離放大器8倍的放大倍數(shù)。

本電路是從使用角度出發(fā)而設(shè)計(jì)的，目前已經(jīng)應(yīng)用于作者參與的噴氣織機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，用來(lái)對(duì)噴氣織機(jī)上張力傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行隔離放大。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和觀察，該電路對(duì)張力傳感器檢測(cè)信號(hào)的放大和隔離起到了很好的作用。

[1]王淑紅.測(cè)控電路與器件[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006:4-5.

[2]肖景和.集成運(yùn)算放大器應(yīng)用精粹[M].北京：人民郵電出版社，2006:21-25.

[3]張輝，陳粵國(guó).Motorola單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999(4):11-28.

[4]趙慶明.性光電隔離放大電路的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，1999(12):26-27.

[5]孫成正，尹文慶，趙建平，等.植物電信號(hào)前置放大電路的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007(7).

[6]MEINEL W，SMITH C.Hernetic analog isolation ampprol of 1987 Int，Symp[C].On Microelectronics Minneapolis Mir.USA.28-30 Sept，1987.