第6章传感器及小信号放大技术
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第6章传感器及小信号放大技术
需满足如下条件即可组成实用的惠斯 顿电桥：
（1）当R1R4=R2R3时，或
R1 = R3 R2 R4
常使用等臂电桥R1= R2= R3= R4
（2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。
但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度
桥臂由应变片或标准电阻组成
电桥平衡，即当AC端施加一定电压时，BD端的输出电压恒为零。
39 38 37 36 35 34 33 32
7 6 5 4 16 15 14 13
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
VCC
20
VRE F
8
RFfBb
9
I OU T1
11
2 3
4
1
5
6
VO
21 22
VOU T2
12
23 24 25
1 2
CS WR1
AG N D
3
7
U3 LM 741
3. 等臂电桥的电压输出
U O U A B U A D R 1 R 1 R 2 R 3 R 3 R 4 U A C ( R 1 R 1 R R 4 2 ) R R 3 ( 2 R 3 R 4 )U AC
由于讨论的是等臂电桥，R1R2R3R4R，电桥开始时是平衡的，即 UO=0。当应变片产生应变后，各应变片的电阻将发生相应的变化，设为 R1、R2、R3、R4。这时输出电压将变为：
U 0 (R R 1 )R ( R 4 ) 4 R 2 (R R 2 )R ( R 3 )U AC
增量与基值相比甚小，忽略高阶分量，且设应变 片的灵敏系数为K，εi为应变量,根据应变片的应变 变化与电阻应变率的关系，若应变片的灵敏系数
为K，则
Ri R
（1）当R1R4=R2R3时，或
R1 = R3 R2 R4
常使用等臂电桥R1= R2= R3= R4
（2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。
但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度
桥臂由应变片或标准电阻组成
电桥平衡，即当AC端施加一定电压时，BD端的输出电压恒为零。
39 38 37 36 35 34 33 32
7 6 5 4 16 15 14 13
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
VCC
20
VRE F
8
RFfBb
9
I OU T1
11
2 3
4
1
5
6
VO
21 22
VOU T2
12
23 24 25
1 2
CS WR1
AG N D
3
7
U3 LM 741
3. 等臂电桥的电压输出
U O U A B U A D R 1 R 1 R 2 R 3 R 3 R 4 U A C ( R 1 R 1 R R 4 2 ) R R 3 ( 2 R 3 R 4 )U AC
由于讨论的是等臂电桥，R1R2R3R4R，电桥开始时是平衡的，即 UO=0。当应变片产生应变后，各应变片的电阻将发生相应的变化，设为 R1、R2、R3、R4。这时输出电压将变为：
U 0 (R R 1 )R ( R 4 ) 4 R 2 (R R 2 )R ( R 3 )U AC
增量与基值相比甚小，忽略高阶分量，且设应变 片的灵敏系数为K，εi为应变量,根据应变片的应变 变化与电阻应变率的关系，若应变片的灵敏系数
为K，则
Ri R
小信号放大器.ppt
2.1.1 串联谐振电路
串联谐振回路如图2-1所示，图中R是回路损耗电阻， 主要是电感L的铜线损耗。如果电路接入负载，则负载
R、L将成为串联回路中能量消耗的主要部分。V是外加
电压。串联谐振电路的信号源宜用电压源，因为恒压 源的内阻接近零。
在图2-1中，信号电压V的频率是变化的，感抗jωL和容 抗1/(jωC)也是变化的，随着工作频率f的变化，回路会
所示。
图2-4 并联回路的幅频特性
2.1.2 并联谐振电路
5．回路的通频带宽度BW 并联回路的通频带也是按3dB带宽定义的。这是指幅频特性 的幅度下降3dB（即由相对值1降至0.707）时，所对应的外 加信号频率上限值与下限值的差值关系。
根据式（2-19）及3dB通频带的定义，由α=0.707可求得
源电压V的Q倍。所以串联谐振回路也称为电压谐振回 路。若V=10 V，Q=50，则VL=VC=500 V。证明这一
点十分重要，这是选取L、C元件耐压条件的依据。
2.1.2 并联谐振电路
并联回路也由电感L、电容C、电阻R组成。这种回路的 应用非常广泛，如通信设备中的前级输入回路，各种 接收设备中高中频放大器的负载回路等都采用并联谐 振回路。图2-3是并联谐振回路的原理电路图。图中，
小信号放大器也称为小信号谐振放大器，在通 信电路中除对微弱的高频信号（中心频率在数 百kHz至上千MHz，频谱宽度在20kHz～20MHz 的范围）进行放大外，另一个重要的功能就是 选频。选频功能依靠选频网络（或称滤波器） 来实现，根据电路构成可分为分散选频和集中 选频两大类：前者为分立元件电路，选频网络 分散在各级放大器之中；后者由固体滤波器件 组成。在分散选频小信号谐振放大器中，根据 选频网络的不同又分为单调谐放大器、双调谐 放大器及参差调谐放大器3类。
传感器信号放大与滤波技术
传感器信号放大与滤波技术传感器是现代科技领域中应用广泛的设备，它能够感知并测量环境中的物理、化学或生物量的变化，并将这些信息转化为电信号。
然而，由于传感器所采集到的信号往往较为微弱且容易受到干扰，并且实际应用中常常需要更高精度的信号，因此我们需要使用放大和滤波技术来处理传感器信号，以提高其精确度和可靠性。
一、放大技术传感器输出的电信号往往较小，无法直接应用于后续的电路或系统中，这时候就需要使用放大技术来增加信号的幅度。
1.1 运算放大器放大电路运算放大器是一种常见的放大器，它具有高增益、低失调、低噪声等特点，可用于对传感器信号进行放大。
运算放大器放大电路由几个关键元件组成，包括输入电阻、输出电阻、非反相输入端、反相输入端和电源电压等。
常用的运算放大器有LM741、AD620等型号，具体的电路设计可以根据不同的需求进行调整。
1.2 仪表放大器仪表放大器是一种专用的放大器，它能够通过精确的电路组件和校准方法来提供精确的放大倍数。
仪表放大器具有低噪声、高共模抑制比和高电压增益等特点，适合用于对传感器信号进行放大和测量的应用场景。
常见的仪表放大器有AD8221、LMP7721等型号，可根据实际需求选择合适的型号。
二、滤波技术传感器信号在采集和传输的过程中容易受到噪声和干扰的影响，为了减小这些干扰，需要使用滤波技术对传感器信号进行处理，以实现信号的准确测量和分析。
2.1 低通滤波器低通滤波器可以通过削弱高频信号的幅度来滤除噪声和干扰。
常见的低通滤波器电路有RC低通滤波器、Butterworth低通滤波器等。
RC 低通滤波器是一种简单且常用的滤波器，通过调整电阻和电容的数值可以实现不同的滤波效果。
而Butterworth低通滤波器具有更好的频率特性，能够实现更为精确的滤波效果。
2.2 高通滤波器高通滤波器可以削弱低频信号的幅度，滤除传感器信号中的直流偏移和低频噪声。
常见的高通滤波器电路有RC高通滤波器、Butterworth 高通滤波器等。
传感器技术课件ch011技术基础
（1）电容式传感器——结构型传感器
C 0 0rl b
d
固定极板 b
C C0 C 0r（l l） b d
L
△L
d
化简得： C 1 l l l 活动极板
C0
l
l
输出灵敏度 S C C 0 0rb
l l
d
结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，
与构成传感器的物质的性质无关。
5
电源
L 线圈
永久磁铁
动铁芯（衔铁）
特点：通过带外电源的 变换电路，才能获得有 用的电量输出 能量控制型
11
四、传感器的分类
按输入物理量：位移、速度、温度传感器
按工作原理：电容式、电感式、热电式传感器
分类方法
按能量关系： 能量转换型（有源传感器） 能量控制型（无源传感器）
按输出信号性质：模拟式、数字式传感器
传感
有用 电量
信号调节
电量
元件
元件
转换电路
辅助电路
物性型 传感器
被测非电量 传感元件 有用电量
结构型 传感器
被测非电量 敏感 有用非电量 传感 有用电量
元件
元件
7
例1-2 大吨位电容式称重传感器
C 0 A 0 r
d
C A 0 r
d
弹性体
极板 支架
被测非电量： 外界压力
敏感元件： 弹性体
（2）压敏传感器——物性型传感器
压阻效应
压力 P
压力大小 电阻率的变化来自材料性质半导体材料物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。
特性 性能 成本 应用
结构型传感器
结构参数决定 稳定 较高 广泛
物性型传感器
桥式传感器小信号放大电路设计
桥式传感器小信号放大电路设计
设计桥式传感器小信号放大电路需要考虑多个因素，包括传感器类型、放大倍数、噪声抑制等。
首先，选择合适的放大器类型和电路拓扑结构至关重要。
常见的放大器类型包括运算放大器（Op-Amp）和仪表放大器。
对于桥式传感器，差分放大器常常被用于放大微小信号。
其次，需要考虑放大倍数，即输入信号经放大器放大后的输出信号幅度。
放大倍数的选择应该兼顾信噪比和动态范围的要求。
此外，为了提高系统的抗干扰能力，可以在电路中加入滤波器来抑制噪声。
另外，为了保证电路的稳定性和可靠性，还需要考虑功耗、温度漂移、输入偏置电流等因素。
最后，设计完整的电路原理图和PCB布局图，并进行仿真和实际测试，以验证电路设计的性能。
总的来说，桥式传感器小信号放大电路设计需要综合考虑传感器特性、放大倍数、噪声抑制、稳定性和可靠性等多个方面因素，通过合理选择放大器类型、设计适当的电路拓扑结构、加入滤波器以及进行仿真和实际测试来实现设计要求。
希望这些信息对你有所帮助。
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下编写：在电子工程学中，小信号放大和检波电路是两个非常重要的电路技术。
小信号放大电路被广泛应用于电子设备中，用于放大微弱的信号，使其能够被后续的电路部分处理。
而检波电路则用于将信号转换为可测量或可用于其他用途的形式。
小信号放大电路的作用在于将微弱的信号放大到可以进行后续处理的程度。
对于一些微弱的输入信号，如传感器输出、天线接收到的无线信号等，需要经过放大才能提供足够的幅度和信噪比。
小信号放大电路的基本原理是通过扩大信号的振幅，同时保持信号的形状不发生失真。
常见的小信号放大电路类型包括共射放大器、共基放大器、共集放大器等。
检波电路则用于将信号转换为可以进行测量或其他用途的形式。
在无线通信系统中，检波电路常用于将调制信号解调出来，恢复原始的基带信息。
在音频领域，检波电路常用于音频信号的放大、录制和播放等。
检波电路的基本原理是通过对输入信号进行非线性操作，将其转换为包络信号或直流成分。
常见的检波电路类型包括整流器、解调器和鉴频器等。
小信号放大和检波电路在各个领域都有广泛的应用。
在通信技术中，小信号放大电路在无线传输、射频电路和调制解调等方面起着重要作用。
检波电路则在无线通信、音频处理和数据采集等领域具有重要应用。
随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，对小信号放大和检波电路的研究和应用也将不断深入，为各个领域的发展提供强有力的支持。
文章结构部分的内容应该包含有关整篇文章的结构和内容安排的说明。
可以参考以下内容撰写文章1.2的内容：1.2 文章结构本文主要讨论小信号放大和检波电路的原理、类型及其应用前景。
为了使读者更好地理解文章内容，本文按照以下结构组织：引言部分将首先对文章的主题进行概述，介绍小信号放大和检波电路的基本概念和作用。
然后，详细阐述本文的目的和意义，以引起读者的兴趣和阅读动力。
正文部分分为两个主要部分：小信号放大电路和检波电路。
新型生物传感器的设计与制造——信号放大技术与微机电系统的发展
新型生物传感器的设计与制造——信号放大技术与微机电系统的发展随着科学技术的不断发展，人们对于生物传感器的需求也越来越高。
在医疗、环保等行业，生物传感器扮演着至关重要的角色。
现今，设计与制造一种新型的生物传感器已成为领先科技公司的重点之一，其中信号放大技术与微机电系统的发展是其中不可忽略的两个方面。
1. 信号放大技术在生物传感器中，信号放大技术一般由一组电子元器件组成，其作用是将传感器所感知到的信号转变为符合人类视觉和听觉的范畴。
目前，常见的信号放大技术有三种：运算放大器、差分放大器以及电荷放大器。
每一种技术都有其独特的特点和适用范围。
运算放大器是一种常用的信号放大器，其主要作用是将输入信号放大至一定的范围，并通过电容或电感等元器件起到滤波器的作用，从而提高信噪比。
然而，由于运算放大器会产生一定的偏置电压和漂移，因此应用范围较为有限。
差分放大器的作用是将输入信号与同一电源下的参考信号进行比较，从而消除偏置电压对信号测量的影响。
其优势在于隔离偏置和噪声，并提高了测量的精度和准确性。
因此，在低噪声、高精度的生物传感器测量中，差分放大器是一种常用的信号放大技术。
电荷放大器主要通过对输入信号进行电子积分，从而实现信号的积分和衰减，再通过运算放大器等其他元器件进行信号放大和滤波。
在高负载的生物传感器测量中，电荷放大器可以有效地减少电容噪声，提高了测量精度。
2. 微机电系统微机电系统（MEMS）是一种极小型化的电子组件，它可以将微型传感器、微型执行器、微处理器等组件集成在一起，形成一个高度集成化的系统。
在生物传感器中，MEMS通过集成不同的微纳米制造技术，可以有效地提高传感器的性能，将其广泛应用于生命健康、环境监测等领域。
MEMS技术主要包括微型加工技术、电子束曝光制作技术、光刻技术等。
其优势在于微型化、高精度、高灵敏度等，对于精度高、灵敏度要求强的生物传感器来说，MEMS是不可或缺的技术手段之一。
目前，MEMS已经被广泛应用于压力传感器、气体传感器等领域，其在生物医学、环保检测等领域应用前景十分广阔。
如何对小信号进行放大电子教案
4. 场效应管等效为 压控电流源VCCS，“压控 比例系数”gm随压控电压成2次关系。
P管电路与N管电路的变换
VCC变-VCC。 NPN和PNP的BCE对应替换。 电解电容的极性反向。 其他啥也不变。
输出阻抗：空载输出电压为uo，带载输出 电压为uo’，如果uo=2uo’，那么输出阻抗就 是Ro。
2、共集放大电路（射随电路）
UO Ui 0.7V
uO ui
思考： 1、射随电路是否有密勒效应？ 2、射随电路的输入阻抗？ 3、射随电路的输出阻抗？
RI (1)RERbrbe
RO数十欧
o U L R 1 C e R C C V 21 R
导体电阻率很小（电导率很大）好比1万条 车道的高速公路。
电流好比是车辆，电压好比是通行时间。 车流越大，必然通行时间越长。 由于车道数太多，导体不可控！！
半导体好比是受交通管制的1-100车道高速 公路，先天牺牲了车道数，但是换来了可 控。
当车流很小，只开1条车道，通行所花时间 为0.7V。车流很大时，多开车道，反正保证 通行花的时间是0.7V。
载 o 负 u L R D N G 3 C D 2 N C G e ce V RR CD CN VG 12 RR CD CN VG 1 C i u
uO
RC 0
iu
继续增大放大倍数
uO
Z RE
载 o 负 u L R D N G 3 C 2 C C C V e e V R L D N G 12 RR CD CN VG 1 C i u
o U L R EC EC VV 21 RR CE CE VV i U
改进型乙类功放
思考： 1、当Ui=0.01V时，UO=？ 2、当Ui=-0.01V时，UO=？
传感器技术及应用第二版课件
传感器技术及应用第二版课件传感器技术在现代科技中起着至关重要的作用。
本文将对传感器技术及其应用的第二版课件进行介绍，旨在帮助读者更全面地了解该课件的关键内容和应用。
传感器技术的快速发展为各行各业带来了巨大的变革。
传感器是一种能够感知和测量环境参数的设备。
课件中首先介绍了传感器的基本原理和分类。
常用的传感器类型包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光学传感器等。
通过课件的学习，学员们将能够了解每种传感器的工作原理、特点以及适用场景。
除了传感器的基本知识外，课件还介绍了传感器在各行业中的应用。
传感器技术广泛应用于工业自动化、医疗健康、智能交通、环境监测等领域。
例如，在工业领域，传感器可以用于检测设备的温度、压力和振动等参数，从而实现设备的状态监测和故障预警；在医疗健康领域，传感器可以用于监测患者的体温、心率和血压等生理参数，帮助医务人员进行准确的诊断和治疗。
课件中还提到了一些传感器技术的发展趋势。
随着物联网和大数据技术的发展，传感器的网络化和智能化越来越受到关注。
传感器技术也呈现出小型化、低功耗和多功能化的趋势。
课件通过案例分析和最新研究成果的介绍，帮助学员们了解传感器技术的前沿发展和应用前景。
综上所述，传感器技术及应用第二版课件是一份系统、全面介绍传感器技术的学习资料。
通过学习该课件，读者们可以深入了解传感器的原理、分类和应用，并能够掌握传感器技术的发展趋势。
这将为读者在实际工作中运用传感器技术提供指导和帮助。
无论是想进一步了解传感器技术的专业人士，还是对传感器技术感兴趣的普通读者，该课件都将是一份有价值的学习资料。
传感器与检测技术第3版谢志萍06
Vo
I s RLtos T
fIN
2.09
RL Rs
RtCt
传感器与检测技术
传感器与检测技术
6.1 电桥电路
例6.1 采用阻值350、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为 350的固定电阻组成电桥供桥电压为8V，并假定负载电阻无穷大。当 应变片上的应变为1000μ时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥及全桥 工作时的输出电压。
解：单臂工作电桥的输出电压为：UO
U 4
K
6.2 信号的放大与隔离
（2）护卫（Guard）端的连接。 当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量放大器 的护卫端。如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如图
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
（3）R端、S端的连接。测量放大器通常设有R端和S端，如图
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
U24
R2 R2 R3
6.2
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
2．电流转换为电压（I/V转换器） 当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成电压信号，需经I/V转换。最 简单的I/V转换可以利用一个500的精密电阻，将0～10mA的电流信号转 换为0～5V的电压信号。
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
传感器与检测技术
6.2 信号的放大与隔离
6.2.4 隔离放大器 在自动检测系统中，人们希望在输入通道中把工业现场传感器输出的模 拟信号与检测系统的后续电路隔离开来，即无电的联系，这样可以避免 工业现场送出的模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响。解 决模拟信号的隔离问题要比解决数字信号的隔离问题困难得多。目前， 对于模拟信号的隔离广泛采用隔离放大器。
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B R1 R5 A C R6 R4 D R3 R2
增量与基值相比甚小， 增量与基值相比甚小，忽略 高阶分量， 高阶分量，且设应变片的灵 敏系数为K 敏系数为K，εi为应变量
U AC ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 U0 = − − + 4 R R R R KU AC (ε 1 − ε 2 − ε 3 + ε 4) = 4
UO
图6.16 全桥时的通道切换 UAC
触点电阻的变化对测量精度影响不大
（2）预调平衡电路： ）预调平衡电路：
B R1 A R4 D R5 R6 R3 R2 C
1）桥臂并联电阻 ）
UO
2）放大器参考端调零 ） 3）放大器失调端调零 ） 4）电流注入法 ） 5）D/A补偿 ） 补偿
第六章 传感器及小信号放大技术
问题的提出： 问题的提出： 实际测试工作中，会用到各种测试仪器， 实际测试工作中，会用到各种测试仪器，如 应变测试就主要采用应变仪。 应变测试就主要采用应变仪。其他有些仪器也可 以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（ 以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（如高 精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。 精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。 应变仪电路是小信号放大电路， 应变仪电路是小信号放大电路，有些传感器 的输出信号并不小，但要高精度测了， 的输出信号并不小，但要高精度测了，仍需要性 能好的放大器。 能好的放大器。 正确使用放大器尤为重要
①必须选用优质触点的继电器
图6.15 半桥时的通道切换
②触点电阻不会影响测量精度,但触点电阻的变化会影响 触点电阻不会影响测量精度 但触点电阻的变化会影响
全桥切换
B R1 A R4 D R3 R2 C A R4’ R1’
B R2’ C R3’ D A R4’’ R1’’
B R2’’ C R3’’ D
6.1运算放大器性能特点 6.1运算放大器性能特点
介绍几种运算放大器 1. 通用运放 特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大， 特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大， 综合性能比较好
典型器件：常用的有 典型器件：常用的有LM358（2路）,LM324（4路） （ 路 （ 路 LM358 LM324
直流电源 供桥电路 直流放大器 通道切换电路 预平衡电路 示值电路
降低成本
静态应变仪框图 图6.14 静态应变仪框图
4、静态电阻应变仪重要电路 、
（1）通道切换电路 ） （2）预平衡调整电路 ）
（1）通道切换部分 ）
B
半桥切换
R1’‘ R1‘ R1 A R
B B
R2’‘ R2’ R2 C
UO
R D UAC
CA3140/3140A的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）单电源供电：4V~ 36V，也可使用双电源 ）单电源供电： ， 输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下0.5V 输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下 （2）输入阻抗高达 ）输入阻抗高达1.5T （3）输入偏置电流仅为 ）输入偏置电流仅为10pA
仅用单5V供电的满摆输出D/A 5V供电的满摆输出D/A转换器 图6.6 仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器
用OP747组成的单电源低功耗仪用放大器 组成的单电源低功耗仪用放大器 单极性工作，输出电压V0=100(V1-V2) 单极性工作，输出电压
图6.7 单电源供电的微功耗仪用放大器
6.2 应变测量电路原理
可用作电压比较器
CA3140的应用 CA3140的应用
►
用CA3140组成高稳定度 CA3140组成高稳定度 直流电源 CA3086为电路提供 CA3086为电路提供 电压基准 2N6385电压采样 2N6385电压采样 D2201电流 D2201电流 采样，管压 采样， 降随电流值 变化， 变化，经放 大驱动 STROBE选通 STROBE选通 端，控制驱 动输出关断
► 问题提出
对于应变测量， 对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一 特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻 特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。 阻值转换为电压信号后， 阻值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大 倍数的放大。所以影响精度。 倍数的放大。所以影响精度。 ► 最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电 最理想的测试电路是惠斯顿电桥。 阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。 阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。 ► 仅讨论直流供电电桥
图6.13 数字式应变仪电路功能框图
直流电压：一般 ～ 直流电压：一般2～3V 小阻值应变片（ 欧以下）， 小阻值应变片（100欧以下），不应使用桥压过高 欧以下），不应使用桥压过高 大阻值应变片， 大阻值应变片，可提供较高桥压
3、静态电阻应变仪的应变片公共补偿技术 、
使用多路切换技术， 使用多路切换技术，服务于多个通道
1 交流供桥、双电桥零读数静态应变仪
供桥电 压Uab
不适用于 数字化测 试
图6.12 双电桥零读数静态应变仪
2、数字式电阻应变仪 、
直流电源 应变电 桥 直流供桥电路 微处理器等 显示电路（静态） 显示电路（静态） 预调平衡电路 直流放大器 校准电路 信号调理电路 输出驱动 电路（动态） 电路（动态）
作比较器用时CA3140 CA3140与82/084的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）双电源供电：±4V~ ±18V，建议不使用±15V以上 ）双电源供电： ，建议不使用± 以上 输入电压范围： ±15V 输入电压范围： 输出电压范围：电源电压－ 输出电压范围：电源电压－1.5V,正负对称 正负对称 （2）输入偏置电流：极小，不超过 ）输入偏置电流：极小，不超过1nA （3）工作频率较高：单增益可达 ）工作频率较高：单增益可达3MHZ （4）无输出驱动时，电源电流仅 ）无输出驱动时，电源电流仅1.4mA
1、测量电桥 、
A
B R1 R5 C R6 R4 D R3 R2
UO
桥臂由应变片或 标准电阻组成平衡
UAC
图6.8 测量电桥的平衡调整电路
电桥平衡U （1）当R1R4=R2R3时，电桥平衡 0=0V ） 常使用等臂电桥R 常使用等臂电桥 1= R2= R3= R4 （2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 ）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 但桥臂电阻的偏差值不能太大， 但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度
（1）在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为0.4uV ） 时 等效输入噪声电压仅为 （2）输出摆幅可达电源 ）输出摆幅可达电源-1mV~+1mV 低至2.7V （3）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至 ）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至
仅用单5V供电的满摆输出 仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器的例子 供电的满摆输出D/A转换器的例子
2 . 场效应运放
特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高， 特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能 力差， 力差，价格较高 。 输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时， 输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议 选用场效应运放 典型器件有 典型器件有TL081（1路）、 （ 路）、TL082（2路）、 （ 路）、TL084（4路）、 （ 路 CA3140/3140A
CA3086二 CA3086二 极管、 极管、三极 管阵列， 管阵列， 图6.4 用 CA3140组 CA3140组 成高稳定 度直流电 源
1.3 低噪声低漂移运放 特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。 特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。 噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的。 噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的。 12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的 对直流放大电路而言， 对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小的范 围之内。 围之内。 典型器件：OP07/27/37、0P184单/284双/484四路 27/37、 典型器件：OP07/27/37 0P184单/284双/484四路
组成的3V供电低噪声仪用放大器 用OP284组成的 供电低噪声仪用放大器 组成的
C1、C2 、 抑制噪 声低噪 声 RP1、 、 RP2输 输 入保护
（1）高输入阻抗 （2）低噪声 ） ）
图6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器 6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器 组成的3V
LM324的引脚排列 图6.1 LM324的引脚排列
LM358/LM324的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）单双电源供电：3～30V或±1.5V~ ±15V ）单双电源供电： ～ 或 （2）输入偏置电流： 20nA（3）输入失调电流：2nA ）输入偏置电流： （ ）输入失调电流： （4）直流开环增益：100dB ）直流开环增益： （5）单位增益时工作频率大于 ）单位增益时工作频率大于1MHZ （6）驱动电流可达 ）驱动电流可达10mA
OP07/OP184/ 284/484的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）电源电压： ±3V~ ±18V ）电源电压： （2）输入失调电压温度系数仅为 ）输入失调电压温度系数仅为0.7uV /0.2uV （3）适于静态工作。在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为 ）适于静态工作。 时 0.38uV /0.3uV （4）单增益带宽 ）单增益带宽0.6MHZ/ 3MHZ （5）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至 ）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至1.5V
1.4 宽频带运放
频率一般在几 频率一般在几MHz以上 一般在几 以上 特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。 特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。 应用场合： 应用场合：信号源的工作频率较高 典型器件： 典型器件：CA3140、OP27/37（8MHZ) 、 （
增量与基值相比甚小， 增量与基值相比甚小，忽略 高阶分量， 高阶分量，且设应变片的灵 敏系数为K 敏系数为K，εi为应变量
U AC ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 U0 = − − + 4 R R R R KU AC (ε 1 − ε 2 − ε 3 + ε 4) = 4
UO
图6.16 全桥时的通道切换 UAC
触点电阻的变化对测量精度影响不大
（2）预调平衡电路： ）预调平衡电路：
B R1 A R4 D R5 R6 R3 R2 C
1）桥臂并联电阻 ）
UO
2）放大器参考端调零 ） 3）放大器失调端调零 ） 4）电流注入法 ） 5）D/A补偿 ） 补偿
第六章 传感器及小信号放大技术
问题的提出： 问题的提出： 实际测试工作中，会用到各种测试仪器， 实际测试工作中，会用到各种测试仪器，如 应变测试就主要采用应变仪。 应变测试就主要采用应变仪。其他有些仪器也可 以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（ 以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（如高 精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。 精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。 应变仪电路是小信号放大电路， 应变仪电路是小信号放大电路，有些传感器 的输出信号并不小，但要高精度测了， 的输出信号并不小，但要高精度测了，仍需要性 能好的放大器。 能好的放大器。 正确使用放大器尤为重要
①必须选用优质触点的继电器
图6.15 半桥时的通道切换
②触点电阻不会影响测量精度,但触点电阻的变化会影响 触点电阻不会影响测量精度 但触点电阻的变化会影响
全桥切换
B R1 A R4 D R3 R2 C A R4’ R1’
B R2’ C R3’ D A R4’’ R1’’
B R2’’ C R3’’ D
6.1运算放大器性能特点 6.1运算放大器性能特点
介绍几种运算放大器 1. 通用运放 特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大， 特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大， 综合性能比较好
典型器件：常用的有 典型器件：常用的有LM358（2路）,LM324（4路） （ 路 （ 路 LM358 LM324
直流电源 供桥电路 直流放大器 通道切换电路 预平衡电路 示值电路
降低成本
静态应变仪框图 图6.14 静态应变仪框图
4、静态电阻应变仪重要电路 、
（1）通道切换电路 ） （2）预平衡调整电路 ）
（1）通道切换部分 ）
B
半桥切换
R1’‘ R1‘ R1 A R
B B
R2’‘ R2’ R2 C
UO
R D UAC
CA3140/3140A的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）单电源供电：4V~ 36V，也可使用双电源 ）单电源供电： ， 输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下0.5V 输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下 （2）输入阻抗高达 ）输入阻抗高达1.5T （3）输入偏置电流仅为 ）输入偏置电流仅为10pA
仅用单5V供电的满摆输出D/A 5V供电的满摆输出D/A转换器 图6.6 仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器
用OP747组成的单电源低功耗仪用放大器 组成的单电源低功耗仪用放大器 单极性工作，输出电压V0=100(V1-V2) 单极性工作，输出电压
图6.7 单电源供电的微功耗仪用放大器
6.2 应变测量电路原理
可用作电压比较器
CA3140的应用 CA3140的应用
►
用CA3140组成高稳定度 CA3140组成高稳定度 直流电源 CA3086为电路提供 CA3086为电路提供 电压基准 2N6385电压采样 2N6385电压采样 D2201电流 D2201电流 采样，管压 采样， 降随电流值 变化， 变化，经放 大驱动 STROBE选通 STROBE选通 端，控制驱 动输出关断
► 问题提出
对于应变测量， 对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一 特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻 特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。 阻值转换为电压信号后， 阻值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大 倍数的放大。所以影响精度。 倍数的放大。所以影响精度。 ► 最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电 最理想的测试电路是惠斯顿电桥。 阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。 阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。 ► 仅讨论直流供电电桥
图6.13 数字式应变仪电路功能框图
直流电压：一般 ～ 直流电压：一般2～3V 小阻值应变片（ 欧以下）， 小阻值应变片（100欧以下），不应使用桥压过高 欧以下），不应使用桥压过高 大阻值应变片， 大阻值应变片，可提供较高桥压
3、静态电阻应变仪的应变片公共补偿技术 、
使用多路切换技术， 使用多路切换技术，服务于多个通道
1 交流供桥、双电桥零读数静态应变仪
供桥电 压Uab
不适用于 数字化测 试
图6.12 双电桥零读数静态应变仪
2、数字式电阻应变仪 、
直流电源 应变电 桥 直流供桥电路 微处理器等 显示电路（静态） 显示电路（静态） 预调平衡电路 直流放大器 校准电路 信号调理电路 输出驱动 电路（动态） 电路（动态）
作比较器用时CA3140 CA3140与82/084的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）双电源供电：±4V~ ±18V，建议不使用±15V以上 ）双电源供电： ，建议不使用± 以上 输入电压范围： ±15V 输入电压范围： 输出电压范围：电源电压－ 输出电压范围：电源电压－1.5V,正负对称 正负对称 （2）输入偏置电流：极小，不超过 ）输入偏置电流：极小，不超过1nA （3）工作频率较高：单增益可达 ）工作频率较高：单增益可达3MHZ （4）无输出驱动时，电源电流仅 ）无输出驱动时，电源电流仅1.4mA
1、测量电桥 、
A
B R1 R5 C R6 R4 D R3 R2
UO
桥臂由应变片或 标准电阻组成平衡
UAC
图6.8 测量电桥的平衡调整电路
电桥平衡U （1）当R1R4=R2R3时，电桥平衡 0=0V ） 常使用等臂电桥R 常使用等臂电桥 1= R2= R3= R4 （2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 ）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 但桥臂电阻的偏差值不能太大， 但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度
（1）在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为0.4uV ） 时 等效输入噪声电压仅为 （2）输出摆幅可达电源 ）输出摆幅可达电源-1mV~+1mV 低至2.7V （3）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至 ）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至
仅用单5V供电的满摆输出 仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器的例子 供电的满摆输出D/A转换器的例子
2 . 场效应运放
特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高， 特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能 力差， 力差，价格较高 。 输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时， 输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议 选用场效应运放 典型器件有 典型器件有TL081（1路）、 （ 路）、TL082（2路）、 （ 路）、TL084（4路）、 （ 路 CA3140/3140A
CA3086二 CA3086二 极管、 极管、三极 管阵列， 管阵列， 图6.4 用 CA3140组 CA3140组 成高稳定 度直流电 源
1.3 低噪声低漂移运放 特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。 特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。 噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的。 噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的。 12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的 对直流放大电路而言， 对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小的范 围之内。 围之内。 典型器件：OP07/27/37、0P184单/284双/484四路 27/37、 典型器件：OP07/27/37 0P184单/284双/484四路
组成的3V供电低噪声仪用放大器 用OP284组成的 供电低噪声仪用放大器 组成的
C1、C2 、 抑制噪 声低噪 声 RP1、 、 RP2输 输 入保护
（1）高输入阻抗 （2）低噪声 ） ）
图6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器 6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器 组成的3V
LM324的引脚排列 图6.1 LM324的引脚排列
LM358/LM324的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）单双电源供电：3～30V或±1.5V~ ±15V ）单双电源供电： ～ 或 （2）输入偏置电流： 20nA（3）输入失调电流：2nA ）输入偏置电流： （ ）输入失调电流： （4）直流开环增益：100dB ）直流开环增益： （5）单位增益时工作频率大于 ）单位增益时工作频率大于1MHZ （6）驱动电流可达 ）驱动电流可达10mA
OP07/OP184/ 284/484的性能特点： 的性能特点： 的性能特点
（1）电源电压： ±3V~ ±18V ）电源电压： （2）输入失调电压温度系数仅为 ）输入失调电压温度系数仅为0.7uV /0.2uV （3）适于静态工作。在0.1~10HZ时，等效输入噪声电压仅为 ）适于静态工作。 时 0.38uV /0.3uV （4）单增益带宽 ）单增益带宽0.6MHZ/ 3MHZ （5）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至 ）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至1.5V
1.4 宽频带运放
频率一般在几 频率一般在几MHz以上 一般在几 以上 特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。 特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。 应用场合： 应用场合：信号源的工作频率较高 典型器件： 典型器件：CA3140、OP27/37（8MHZ) 、 （