基于运放的AD输入信号调理电路设计

宽带放大器的设计方案本设计由直流稳压电源、前置放大电路单元、增益控制部分、功率放大部分、单片机自动增益控制部分几个模块构成。

输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。

使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。

同时利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。

功率输出部分采用分立元件制作，提高了负载阻值以及输出有效值。

控制部分由51系列单片机、A/D、D/A和基准源组成。

整个系统通频带为1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。

增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。

不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.5～5.5V时AGC控制范围为66dB，应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了设计的所有基本要求并做适当的发挥，使设计更完善。

1总体方案方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图3.1为分立元件放大器电路图。

为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。

对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。

此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。

又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D ／A转换芯片，其输出Vout=Dn×Vref/1024，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足1024挡增益调节，满足题目的精度要求。

它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。

高速数据采集系统信号调理电路的设计上海交通大学电子信息与电气工程学院(200030)　乔　巍　杜爱玲　陈　春　叶　生摘　要　文章针对基于微控制器和PC 的高速数据采集系统,在讨论了信号调理电路功能及必要性的基础上,给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。

此外,针对广泛存在的电力信号采集与分析,以电能质量为分析、研究对象,给出了基于Sallen 2Key 和状态变量拓扑的滤波方案。

对高速数据采集系统精度的提高和采集设备的保护具有实际意义。

关键词　信号调理　高速数据采集　Sallen 2Key 拓扑　状态变量拓扑 目前,基于微控制器及基于PC 和内插板卡的数据采集系统在很大领域内得到了应用[1]。

数据采集卡和微控制器前端的高速A/D 转换作为信号采集设备非常适合用来测量电压信号。

但是,许多传感器和变送器输出的信号必须经过调理之后,才能进入数据采集卡、高速A/D 转换器或设备,以实现有效精确的测量。

这种前端的预处理,一般就称为信号调理,包括信号放大衰减、滤波、电气隔离和多路技术。

图1为基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图[2]。

图1　基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图1　信号调理电路的组成1.1　放大衰减电路由于很多信号幅度比较小,所以需要通过放大器来提高测量的精度。

放大器通过匹配信号电平和A/D 转换器的测量范围,来达到提高测量分辨率的目的。

出于这个原因,现在许多数据采集卡都包括了板载放大器。

同样情况,当需要数字化的电压超过了允许输入范围时,衰减就不可缺少了。

1.2　隔离电路数据采集系统中不合适的接地是造成测量问题和数据采集卡损坏的最普遍原因。

对信号进行电气隔离可以防止这些问题的发生。

隔离破坏了接地环路,避免了高的共模电压,并且保护了价格不菲的数据采集设备。

通常的隔离方法有利用光耦、磁或者容性隔离器。

磁或容性隔离器将信号从电压形式调制成频率形式。

频率能够在转回成电压之前以非直接物理连接的方式通过变压器或者电容。

什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。

2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。

衰减对于测量高电压是十分必要的。

3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。

1．信号调理电路信号调理电路是接口板的重要组成部分，信号精度决定了系统控制性能的优劣。

如果直接采用DSP2812的采样模块进行设计存在以下缺点：只能接收0~3V 的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路；同一排序器内各通道串扰严重；12位的转换精度难以满足高性能系统的要求。

综合考虑后，本文选用合众达的DSP2812M电力应用控制板，其AD输入范围为-10V至+10V，12路16位高精度外扩A/D模块能够很好满足用户对采样的需求。

为了最大程度地让信号无失真地进行传输，我们采用的传感器均为电流型，下图为接口电路板上的信号调理电路图。

为了最大限度利用控制板采样电压为正负10V，电流信号由取样电阻转换成电压信号后，经过稳压管（保证输入电压小于10V，保护AD芯片），再加一级运放将电压信号放大至10V后，输入2812控制板，这样既能很好利用开发板也能提高采样精度和准确度。

a）负载电流取样电路原理图b）APF输出电流取样电路原理图c）APF直流侧电压取样电路原理图反向比例运算放大电路放大倍数A=120/1/R R u u i +=RC 滤波电路的时间常数τ=RC=10k ⨯0.1⨯10-6=1ms 。

2．保护电路系统工作过程中，由于外部原因造成逆变模块直流侧电压的抬高甚至电压的飙升，进而影响到系统的补偿性能，甚至危及系统的安全。

同时，如果逆变器的输出补偿电流大于所要补偿的电流值造成过补，也会对整个系统的补偿性能和安全带来危害。

为确保上述状况发生后装置的安全，设置了大功率逆变模块过压过流保护电路，其原理图如图4.13所示a ）直流侧电压过压保护检测电路b ）APF 输出电流过流保护检测电路图4.13 保护电路原理图电压电流信号经电流传感器和电压传感器及取样电路一并转化为输入信号在-10V 到+10V 的电压信号，考虑到采用有效值芯片的成本较高，该论文选择使用整流电路将传感器检测的三路APF 电流信号进行整流后变换成一直流电压信号，后端接一大电容平波，再与LM393比较器芯片进行比较，如果任何一路电流、电压值超过安全设定则保护电路驱动继电器跳闸。

微弱信号调理电路的设计吕志昂【摘要】介绍了一种由AD620和AD705运算放大器构成的信号调理电路的设计方法。

该电路能将传感器检测出的微弱信号进行放大、滤波等处理，使之成为后续电路能接收的标准信号。

%This paper introduces a signal disposal circuit design method which is composed by AD620 and AD705 operational amplifier. This circuit can enlarge and filter the faint signals detected by sensors, and make it become the standard signal that the subsequent circuit can receive.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)015【总页数】3页(P17-19)【关键词】集成运算放大器;信号调理;电路设计【作者】吕志昂【作者单位】山东胜利职业学院交通工程分院,山东东营257000【正文语种】中文【中图分类】TP936.9信号调理电路广泛应用在工业控制、仪器仪表等对传感器信号进行检测及处理的应用中。

它是传感器和A/D转换器等后续装置的接口。

它将传感器输出的非常微弱的且受到多种噪声源干扰的低电平信号进行放大、处理、抑制噪声并统一格式，使之成为适合A/D转换器等后续装置要求的信号。

对于不同的被测对象，所采用的传感器的种类很多，对信号调理电路提出了不同的要求。

结合A/D转换器等后续装置的技术指标设计一个性能良好的信号调理电路已经成为系统设计的关键内容。

本文以A1323线性霍尔传感器检测弱磁信号为例，探讨相应的信号调理电路的设计方法。

1 信号调理电路中放大器芯片的选用运算放大器作为信号调理电路中的重要元件，一直为电路设计工程师所重视。

一种过载信号调理电路设计王大伟;任勇峰;单彦虎【摘要】Output signal of accelerometer which is used for over-loading signal test system is often mixed with noise. The mismatch of bidirectional accelerometer and single direction of over-loading signal leads to the full-scale of AD converter cannot be put into full play. Aiming at these problems,a kind of conditioning circuits is developed to re⁃ducenoise,increase signal to noise ratio and regulate signal amplitude accurately. Test results show that stop band attenuation is up to-69.19 dB,when the input frequency is twice of the cutoff frequency. Accuracy of stationary sig⁃nals regulation is controlled within 1%. This circuit has been successfully applied in engineering practice.%在过载信号测试系统中，加速度计感知到的信号常混有噪声，并且过载信号方向没有往复性，而加速度计对正反方向加速度均会作出响应，导致AD转换器量程无法充分利用。

针对上述问题设计了一种信号调理电路，降低噪声，提高信噪比，并对信号进行高精度幅值调理。

什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。

2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。

衰减对于测量高电压是十分必要的。

3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。

提升AD值稳定，各类0.01mV以上模拟量输入的电路设计我相信很多人在设计上都有着丰富的经验，这里推荐几个本人设计并实践过的简单电路，本篇实际是之前一篇文章的细化解释。

希望能通过自己的工作经历给其他同业者一些思路上的参考。

这里介绍的输入主要是π型滤波，这种方式是目前最稳定的小信号输入方式之一，我也争取用通俗的语言把原理描述清楚，这个原理仅代表个人水平与总结，不抵触官方传统说法。

独立供电方式的AD主板，TVS根据情况选装上图是效果非常好的一种常见电路设计，一个单片机加一个AD芯片，通过显示窗口可以读出传感器给出的变化值。

如使用更稳定的电源与精度更高的AD芯片就可以组成一个传统意义上的电子秤电路。

（实际就是一个可以测量变化值的万用表，区别就是数值代表的单位不同）这个电路特点是独立桥压（惠斯登电桥的电源，图中整流电路被简化），这种方式可以避免使用磁珠去隔离模拟地与数字地。

π型滤波不用考虑的太复杂，就是一种具有两级缓冲的平波电路，可以理解成两个T型滤波的组合。

滤波的本意是去除不要的频率与杂波，在这的几个电容目的实际是利用电容端电压不能突变的原理，与电阻配合形成两次过渡时间，以提高输入端对动态冲击变化的稳定性（降低摆幅）。

上图中需要注意的重点：请注意加粗的蓝色线，实际使用时也需这样布线，深蓝色部分禁止与任何电路连接，不能安装图上打叉的磁珠，不能与底板覆铜连接。

单组供电方式的AD主板上图为单电源绕组供电方式的主板，为了避免单片机与AD芯片工作时产生的高频噪声，通过一个磁珠进行隔离。

如果PCB布线能按图操作，磁珠作用其实已没有那么重要了。

磁珠与电感的区别：电感是储能元件，是磁心在内，当然也可以在外的多圈线圈，目的是保持输出电流的持续与隔离部分频率（续流作用与带阻），电感量取值根据负载电流计算，大了小了均不合适（很多抄板的设计员会说都可以，其实也是可以的，这个只有极端情况才能体现出计算值的重要性，能满足电源正常波动区间即可）。