張東虞

（ 銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

0．引言

測(cè)量放大器是一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)放大的高精度放大器，具有較高的輸入阻抗、高共模抑制比、高電壓增益等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。LabVIEW是目前較為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡USB-6221對(duì)測(cè)量信號(hào)的采集也是測(cè)試測(cè)量的重要工作[1]。

目前，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）開發(fā)的LabVIEW在數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域中因其高速采集數(shù)據(jù)的性能、豐富的圖像化編程語言等特點(diǎn)在業(yè)界處于遙遙領(lǐng)先的地位。虛擬儀器技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，LabVIEW也廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室所接受，用于研究等領(lǐng)域。DAQ數(shù)據(jù)采集是LabVIEW最具競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)之一，LabVIEW被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集軟件[2]。本測(cè)量放大器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是采用LabVIEW與USB-6221 DAQ采集設(shè)備相結(jié)合的方式，有效地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量放大器參數(shù)的測(cè)試與驗(yàn)證。

1．設(shè)計(jì)內(nèi)容

1．1．測(cè)量放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

放大器系統(tǒng)如圖1所示，主要性能指標(biāo)為：高電壓增益，電壓增益；高輸入阻抗，輸入阻抗。

測(cè)量電路采用雙端差動(dòng)輸入，單端輸出的方式[2]，第一級(jí)為兩個(gè)運(yùn)放并聯(lián)組成的同相放大器，可獲得高的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)差模信號(hào)的放大；第二級(jí)由高共模抑制比運(yùn)放組成差動(dòng)放大器，主要用來抑制共模信號(hào)[3-4]。

1．2．掃頻信號(hào)源程序設(shè)計(jì)

在起始頻率f1=10 HZ和終止頻率f2=10 000 HZ之間連續(xù)掃描，產(chǎn)生頻率由低到高連續(xù)變化的正弦波信號(hào)[5]，當(dāng)前正在掃描的頻率以數(shù)值形式輸出。掃頻信號(hào)波形如圖2所示。

其頻率變化規(guī)律表達(dá)式如（1）所示：

其中掃描循環(huán)次數(shù)，表示正在進(jìn)行的是第幾次循環(huán)，表示當(dāng)前正在掃描的頻率[6]。

1．3．?dāng)?shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)

測(cè)量電路輸入端連接輸出通道AO0，另一輸入端接地，組成回路。輸出端連接輸入通道AI0，通過LabVIEW設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)生成與信號(hào)采集程序，產(chǎn)生的掃頻信號(hào)通過輸出通道加到測(cè)量放大電路的輸入端，給電路一個(gè)輸入電壓信號(hào)，經(jīng)過測(cè)量電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，將放大后的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過輸入通道采集回來，以正弦波的形式在屏幕上顯示出來[7]。

2．主要參數(shù)計(jì)算與測(cè)量

2．1．電壓增益

表1 電壓增益測(cè)量值Tab.1 Voltage gain measurement

由式（2）得，電壓增益的測(cè)量可以通過測(cè)量輸入端電壓與輸出端電壓實(shí)現(xiàn)[2]，測(cè)量結(jié)果見表1。測(cè)量值與理論值相符，由于運(yùn)放的輸入電壓為毫伏級(jí)，輸出電壓最大值、最小值的限制及外界干擾等因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果會(huì)有小的誤差。

2．2．共模抑制比

其中，

運(yùn)放A3的共模抑制比為90 dB，在理想情況下，共模輸入信號(hào)可完全被抑制，放大器輸入信號(hào)只反映差模輸入，所以有（5）式：

因此有（6）式，

2．3．輸入阻抗

用串聯(lián)電阻法測(cè)輸入阻抗，

圖1 測(cè)量放大器電路Fig.1 Crcuit of measuring amplifier

3．仿真結(jié)果與分析

3．1．仿真結(jié)果

采用Proteus仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與分析見表2，實(shí)際測(cè)量結(jié)果見表3。

根據(jù)仿真結(jié)果，輸入阻抗的值在兆歐級(jí)，而實(shí)際測(cè)量的值相對(duì)來說卻很小，是因?yàn)檫\(yùn)放的輸入電壓在毫伏級(jí)的值很小，輸入電流也很小，幾乎為零，使得干擾電流大于輸入電流，因此有較大的誤差。

圖2 掃頻信號(hào)波形Fig.2 Waveform of sweep signal

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Results of the simulation

表3 輸入阻抗測(cè)量結(jié)果Tab.3 Results of measurement for impedance input

3．2．誤差分析及減小誤差的方法：

（1）合理布線 連接導(dǎo)線應(yīng)盡量采用短線連接，對(duì)于多級(jí)放大器合理布線十分重要。由于輸入信號(hào)較小，極易受外界干擾，所以放大器的各電路元件應(yīng)盡可能緊湊在一起，連接導(dǎo)線應(yīng)盡量短，線與線之間不能交叉絞合在一起，否則極易產(chǎn)生干擾。

（2）盡量減少地線電阻，合理安排接地點(diǎn)。由于電路地線是由電路中多個(gè)參考電位相同的元件連接在一起而成，在連接中所采用的導(dǎo)線本身存在著一定的電阻，當(dāng)電流通過地線時(shí)就會(huì)在地線的某段線間產(chǎn)生電壓降，若這個(gè)電流是交流電，則產(chǎn)生的交流壓降會(huì)疊加在正常信號(hào)之上被放大器一起放大，形成干擾。

（3）采用性能良好的穩(wěn)壓電源，解決電源電壓不穩(wěn)定引起的干擾。輸入端引入線采用屏蔽線，或者將整個(gè)輸入級(jí)電路利用金屬屏蔽罩進(jìn)行隔離，屏蔽線和屏蔽罩的外殼必須可靠接地，從而減小外界電磁場(chǎng)的干擾。

4．結(jié)論

利用LabVIEW與DAQ數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，在已有的技術(shù)條件下，通過制定比較合理的測(cè)試方案，設(shè)計(jì)出較為完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將掃頻信號(hào)源加到電路兩輸入端，通過USB-6221，能更有效地實(shí)現(xiàn)測(cè)量放大電路的參數(shù)測(cè)量與驗(yàn)證。高共模抑制比可抑制各種共模信號(hào)引入的誤差，高電壓增益可實(shí)現(xiàn)對(duì)差模信號(hào)的放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，由于干擾因素的存在，導(dǎo)致測(cè)量值與理論值會(huì)有一定的誤差，還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，制定出更為合理的測(cè)試方法，以減少誤差。

參考文獻(xiàn)：

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[3]夏志忠，王淑靜，田池，等．測(cè)量放大器的設(shè)計(jì)[C]//大連海事大學(xué)校慶暨中國(guó)高等航海教育90周年論文集，1999：34-42．

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[7]侯國(guó)屏，葉齊鑫．LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]．北京．清華大學(xué)出版社，2005：67．