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1、11:43 AM,1,第二章 检测系统常用电路,电 桥 基本运算电路 电压/电流转换电路,11:43 AM,2,2-1 电桥,2.1.1 电桥概述,是将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压或电流输出的一种测量装置。,1）定义:,11:43 AM,3,2）形式:,四个桥臂 首尾相连,输出电压,激励电压,桥臂,11:43 AM,4,电桥的输入输出关系式：,11:43 AM,5,3）优点,电路简单，灵敏度和精确度高。,其输出可直接测量，也可送入放大器进 行放大，因此被广泛应用。,11:43 AM,6,4)分类：,按输出测量方式分：,按激励电压性质分：,直流电桥,交流电桥,平衡电桥（零值法）,不平衡
2、电桥（偏值法）,按桥臂接入的阻抗元件不同分：,电阻电桥,电容电桥,电感电桥,11:43 AM,7,2.1.2 直流电桥,激励电压为直流电，四个桥臂元件为电阻,激励电压,输出电压,11:43 AM,8,1)直流电桥的平衡条件,电桥的平衡条件：,电桥输出：,输出端视为开路,对边乘积相等,称之为电桥平衡条件,或者：,11:43 AM,9,2）直流电桥的联接方式（不平衡电桥）,半桥式联接,全桥式联接,半桥单臂联接,半桥双臂联接,电桥的平衡：指输出为零时；平衡电桥：测量过程中输出始终为零。,11:43 AM,10,半桥单臂联接,设,存在非线性误差,实例,11:43 AM,11,半臂双臂联接,不存在非线性
3、误差,实例,11:43 AM,12,全桥联接,不存在非线性误差,实例,上下各贴两片，方向相同,上下各贴两片，方向相反,11:43 AM,13,3）直流电桥的和差特性,相邻两桥臂电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之差；相对两桥臂电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之和。,11:43 AM,14,4）平衡电桥,在读数时，电表 G指针始终指零,11:43 AM,15,5）直流电桥的特点：,以直流电源作激励电源稳定性高。,优点：,输出用直流仪表测量，精度高；,电桥与后接仪表间的导线要求较低；,电桥的平衡电路简单。,缺点：,直流放大器比较复杂，易受零和接
4、地电位的影响。,直流电桥适合于静态量的测量。,11:43 AM,16,2.1.3 交流电桥,11:43 AM,17,平衡条件：z2z4-z1z3=0 称之为电桥平衡条件 或者：z2z4=z1z3 即对边乘积相等,11:43 AM,18,1）电容电桥,平衡条件：,11:43 AM,19,2）电感电桥,平衡条件：,11:43 AM,20,3）纯电阻电桥,11:43 AM,21,4）交流电桥的特点及影响因素,交流电源电压波形和频率稳定的影响。交流电桥一般采用音频交流电源，后接交流放大器。交流电桥容易受寄生参数和外界因素的影响。,22,1.比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反
5、相比例放大。,电路结构：引入深度并联电压负反馈或串联电压负反馈。这样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部元件有关。,信号的运算电路,23,i1=i2,1.放大倍数,虚短路,虚断路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,并联电压负反馈,24,1.放大倍数,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,并联电压负反馈,可以认为:uo与ui间的关系只取决于R2与R1的比值,而与运算放大器本身参数无关.,25,例题1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？,Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=
6、Au ui=(-2)(-1)=2VRP=R1/RF=10/20=6.7 k,26,2.电路的输入电阻,ri=R1,RP=R1/R2,uo,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,27,4.共模电压,输出电阻小；共模电压为 0；“虚地”是反相输入的特点。,3.反馈方式,并联电压负反馈,输出电阻很小，输入电阻也不大。,28,反相比例电路的特点：,1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。接近恒压源。,3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此从信
7、号源取的电流较大。对信号源要求较高。,5.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,4.输入和输出反相。,29,二、同相比例运算电路,u-=u+=ui,反馈方式：串联电压负反馈。输入电阻高。,虚短路,虚断路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚断路,30,二、同相比例运算电路,反馈方式：串联电压负反馈。输入电阻高。,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,可以认为:uo与ui间的关系与运算放大器本身参数无关,精度和稳定性都很高.,31,二、同相比例运算电路,这就是电压跟随器,32,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同
8、，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,33,同相比例电路的特点：,3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,4.输入与输出同相，放大倍数大于等于 1。,34,例题2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？,uo=Au ui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/RF=10/20=6.7 k,35,例题3.R1=10k,R2=20k,ui 1=-1V，u
9、i 2=1V。求:uo,36,例题3.若ui1=sin t V，ui 2=1V，求:uo,uo1=ui1=sin t V,uo2=ui2(1+R2/R1)=3V,37,2.加减运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和与反相求和。,电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,38,一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,39,虚地,40,二、同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,41,先求 u+与输出关系，则有：,u+与
10、ui1 和 ui2 的关系如何？,流入运放输入端的电流为0（虚断路）,叠加定理,42,左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,提示：1.虚断路：流入同相端的电流为0。2.结点电压法求u+。,43,解出：,三 减法运算电路：双端输入差动放大器,叠加定理,44,差动放大器放大了两个信号的差，可实现减法运算。,该电路的特点是：由于采用双端差动输入，故具有高共模抑制比；但是由于有并联负反馈存在，故它的输入电阻不高。,45,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,多输入信号,46,虚短路,虚断路,虚断路,由结点电压式,47,例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo
11、=10ui1+8ui2-20ui3,解:,(1)画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,48,(2)求各电阻值。,uo=10ui1+8ui2-20ui3,用结点电压法,49,优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,单运放的加减运算电路,改进：采用双运放电路。,50,四、双运放的加减运算电路,51,例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0+5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo=0.5ui+2.5（V）,实现此功能的方法很多,52,uo=0.5ui+2.5 V,
12、=0.5(ui+5)V,53,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,54,3.微分运算电路与积分运算电路,u=u+=0,一、微分运算（反相）,此电路稳定性差,实际中很少应用,55,二、积分运算（反相）,由于是反相故为负,RC称为积分时间常数,56,U,积分时限,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,恒流充电，故积分效果好。几乎线性，不是指数充电。,57,反相积分器：如果ui=-U=-3V，画出uo
13、的波形图。,设Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F,58,输入方波，输出是三角波。,例,也可以构作同相微分和同相积分电路，则输出为正，输入与输出同相。,59,其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。,积分电路的主要用途：,1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。,60,一、集成运放的典型结构,集成运放的典型电路通常有三级放大电路组成,61,输入级：差分放大（差动放大器）电路,该级要求有低温漂，高共模抑制比和高输入电阻特性。,62,中间放大级：主要进行电压放大，要求
14、它的电压放大倍数高，一般由共发射极放大电路构成。,63,输出级采用互补对称式射极跟随器结构,输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此，对该级要求其输出电阻低。,64,运算放大器外形图,65,运算放大器外形图,66,-UEE,+UCC,u+,uo,u,反相输入端,同相输入端,原理框图：,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,67,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR,输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗 ro小。,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,2.电流/电压转换（I/V）模拟信号电流传输时一般采用420mA电流环。全标度电流规定是以4mA作为0%，20mA作为100%，接受信号端变为电压信号处理。下面电路是把12mA作为双极性0信号，把420mA电流转换为-10V+10V电压的电路，用于DC伺服电动机接口，记录仪用的转换器等。,
