精密仪器设计精密电路设计课件.ppt

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1、精 密 仪 器 设 计 Design of Precision Instrument,测控技术与仪器研究所自动化工程学院,1,精密电路设计,一、电子电路在精密仪器中的地位,精密仪器几乎都由传感器件或传感器、信号或数据处理器、显示器或记录器等几大部分组成。,单参数检测精密仪器结构示意图（不带微处理器）,2,单参数精密仪器结构示意图（带微处理器）,一、电子电路在精密仪器中的地位,3,多参数综合精密检测系统结构示意图,一、电子电路在精密仪器中的地位,4,为何电子电路会有如此广泛的应用，占有如此重要的地位？,主要原因：提高测量仪器的精度和灵敏度 扩充量程和多功能实现自动化测量 排除机构活动件，提高工作

2、可靠性及寿命尤其是现代化精密仪器，具有很强的数据处理能力，只有合适的电子电路才能使其功能和自动化程度达到更高的水平。,一、电子电路在精密仪器中的地位,5,二、精密仪器电路的内容与功用,1、内容,精密仪器电路对传感器输出的测量信号进行放大、处理、转换和线性化处理后，驱动显示或控制执行机构动作。精密仪器电路担负着选择、放大、运算、信号转换、逻辑处理等任务，是精密仪器不可缺少的组成部分。,6,精度高,2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化, 易于实现高倍率放大,分辩率、读数误差, 易于实现量程切换,解决了量程与分辩率的矛盾, 通过信号的调制解调、选频与滤波、共模抑制电路,方便地选取有用信

3、号、抑制无用信号；减少噪声、干扰与非被测参数的影响。, 利用电路可对仪器误差进行自动校正,零点的自动校正、放大倍数的自动校正、非线性误差的修正, 利用差动电路补偿电路、平衡电路,使许多干扰因素的影响互相抵消、显著减小,7,使用方便, 电路可方便信号传输，使它便于读出或实现控制、执行； 电路放大倍数可很高，数字式电路读取更方便； 电路的反应速度高，信息传输快，利用信号锁存，便于实 现动态采样； 利用电路可进行巡回采样或同时读取多路信号； 利用信号分离电路，可读取各成分参数； 通过计算机与逻辑处理电路，便于实现信号的运算处理，直接读取所需的复杂参数值； 便于利用电路存储测量结果。,易于自动化：通过

4、电路可实现逻辑判断、处理、功放、反馈控制等。,2、功能：有助实现精密仪器高精度、使用方便、自动化,8,计算机的广泛应用是仪器电路功能的延伸和新发展,主要功用, 大量数据的动态和自动采样； 大量数据的存储； 完成较为复杂多样的运算； 较为复杂多样的误差自动修正； 较高水平的智能化。,计算机完成这些任务都需要仪器电路对信号进行预处理，并通过接口将计算机与仪器沟通。,特点：运算速度快、储存量大、智能化、图形化发展：PC仪器、智能仪器、虚拟仪器,三、精密仪器电路的特点与主要要求,9,三、精密仪器电路的特点与主要要求,精密仪器电路的特点： 高精度与高稳定性； 高灵敏度、高分辩率，可检测微弱信号； 检测信

5、号的多样性； 信号的处理要求； 仪器化的电路设计，要满足操作方便、自动测试、 工作可靠等要求。,10,三、精密仪器电路的特点与主要要求,对精密仪器电路的要求1. 信号的拾取与抗干扰能力首先，要求电路是低噪声的（低噪声器件、合理选择参数）；其次，采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，电路本身 的合理设计。2. 稳定性-是对仪器电路乃至整个精密仪器的最基本的要求。 温 漂导致仪器的示值在一次运行中发生渐变； 长期稳定性由于元器件老化、接插件疲劳氧化原因，使仪 器性能在长期运行中发生变化； 短期稳定性表示为示值重复性。由输入信号的信噪比、电 路本身的噪声和抗干扰能力决定。,11,电路的稳定性不仅包

6、括零点和放大倍数（灵敏度）的稳定性，还应包括线性度、频率特性、输入输出阻抗的稳定性等。提高稳定性的措施： 减小温漂选温漂小经老化处理的元件，合理安排热源， 采取深度负反馈和补偿措施。 提高短期稳定性选低噪声、工作性能稳定可靠的元器 件、适当布线与接地及采取合适的抗干扰措施，还常采取 深度负反馈、 差动或平衡电路。静态下：多次重复取样取平均、滤波器的时间常数示值分散性。,三、精密仪器电路的特点与主要要求,12,3. 频率特性与响应速度,是衡量仪器动态性能的指标。被测对象频率范围，从直流开始，高端可至1011Hz，以致更高。频率特性同时巡回采样，巡回点越多，要求采样速度越高。 响应速度,4. 线性

7、度,是仪器精度的又一重要指标。,通常要求仪器的输入输出间具有线性关系 线性标尺便于读出； 换档时只须改变分度值，不必另行定标； 记录波形曲线不失真； 进行A/D转换、细分、伺服系统控制跟踪时均不考虑非线性因素， 比较方便。精密仪器的非线性度主要由传感器、电路、显示执行机构这三部分的非线性度产生。,三、精密仪器电路的特点与主要要求,13,5. 分辩率,提高分辩率有利于减小读数误差，方便读数。模拟仪表：最小刻度值的一半。 放大器的放大倍数。数字仪表：数字显示最低位1个字对应的被测量。量化误差最低位1个字对应的被测量细化电路 A/D位数,6. 输入与输出阻抗,要与相应的传感器和所驱动的显示执行机构阻

8、抗匹配。一般要求电路输入阻抗很高。（有的传感器输出阻抗大108以上 ）但不是所有情况（输入阻抗 输入端噪声 ）合理的要求是输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配，使放大器的输出信噪比达最大值。,7. 计算与逻辑控制功能,通常检测仪器需要完成一定的计算，以获得所需的被测参数值；仪器电路还要完成一系列逻辑判断处理，以保证仪器正常工作。,三、精密仪器电路的特点与主要要求,14,四、精密仪器电路的发展趋势,电子管时期电子管放大器放大应变电桥的输出信号， 组成电阻应变仪。,50年代中后期晶体管发展到了实用阶段。各种电子管电路 随之改为晶体管电路。,60年代数字频率计、数字电压表等数字仪表发展到了实用

9、阶段。各种各样的数字仪表相继投放市场。,70年代各种模拟、数字集成电路大批量投入生产，价格大 大降低，为数字仪表的发展和推广开辟了广阔前景。,70年代中期微机系统开始在检测仪器中得到实际应用。 显著提高了检测仪器的性能和自动化程度。,80年代大规模集成电路制造技术不断完善，以单片集成 模数转换器为核心的各种数字面板表取代传统电表。,15,四、检测仪器电路的发展趋势,（一）优质化,优质化的一个重要方面就是提高电路的工作可靠性。,例：一个含有104个晶体管的电路若单个晶体管可靠性为0.9999 整个电路可靠性为0.9999100000.37若单个晶体管可靠性为0.99999 整个电路可靠性为0.9

10、9999100000.905若单个晶体管可靠性为0.999999 整个电路可靠性为0.999999100000.99为使整个电路的工作可靠性达到99%，则单个器件可靠性必须达到0.999999,（二）集成化,趋势（1）集成块的密集度越来越高；（2）采用集成块的范围越来越广。,16,四、检测仪器电路的发展趋势,（三）数字化,能较好地解决量程和分辩率的矛盾；（1）易于集成化；（2）抗干扰能力强；（3）便于动态采样，便于记忆存储；（4）便于与计算机联用。但数字电路不能完全取代模拟电路。,（四）通用化,（1）一个电路尽量采用相同的单元电路；（2）整个仪器的构成采用电路模块化、积木化；（3）推广通用仪器

11、。,（五）自动化与智能化,（六）虚拟化,17,导体半导体绝缘体,功率模块,功率放大器件,P型,N型,三极管,场效应管,PN结,PN结,集成运算放大器,分立元件,五、精密检测电路-电子器件的发展,半导体：体积小、重量轻、寿命长、输入功率小、功率转换效率高,掺杂,扩散、漂移,电流放大作用,18,集成运放,有源滤波器,运算,线性,非线性,乘除,对、指数,比较器,振荡器,五、精密检测电路-电子器件的发展,19,01,数字电路,模拟电路,AD,DA,线性电源,开关电源,电池,电源,按键,显示,五、精密检测电路-电子器件的发展,20,集成运算放大器: 实现信号的组合和运算的放大器。,集成运放：模拟器件。运

12、放电路: 器件外围。 集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反 馈方式，构成功能和特性完全不同的电子电路， 它是各种电子电路(仪器电路)中最基本的组成环 节。,集成运放电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,1、定义,五、精密检测电路-运算放大器,21,（1）电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构；（2）输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂；（3）NPN管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能；（4）大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载(电流源具有交 流电阻大的特点)，提高电路性能；（5）同一芯片上的元件是由同一工艺制造出来的，故具有同相偏 差

13、。元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2、集成运放特点,五、精密检测电路-运算放大器,22,3、 基本构成 集成运放是以双端为输入、单端为输出的直接耦合型高增益放大器, 其内部组成原理框图用图1.2 表示, 它由输入级、 中间级、 输出级和偏置电路等四部分组成。,集成运算放大器内部组成原理框图,五、精密检测电路-运算放大器,23,4、集成放大器封装形式,1 金属圆帽封装 (8/10/12脚)2 双列直插封装 (8/14脚)3 贴片封装 (8/14脚),1 塑料封装 （1070度）2 陶瓷封装 （50125度） 价格相差2个数量级3 金属陶瓷封装 （更高）,5、集成放大器封装材料,五、精密检测

14、电路-运算放大器,24,五、精密检测电路-运算放大器,6、集成运放主要参数,25,五、精密检测电路-运算放大器,6、集成运放主要参数,26,7、集成运放的种类,通用运放 低功耗 低温漂 高输入阻抗 低噪声 高速运放 高压运放 多元运放 单电源 跨导型运放,五、精密检测电路-运算放大器,27,8、集成运放的使用,合理选择 消振 调零 保护 扩流,先消振、后调零,五、精密检测电路-运算放大器,28,五、精密检测电路-运算放大器,9、精密仪器电路信号放大电路（小信号、低漂移直流、高输入阻抗、电荷、低噪音等）信号处理电路（滤波、特征值检测、采样保持等）调制与解调电路（振幅、频率、相位、脉冲等）,29,

15、集成运放理想化的条件：,开环电压放大倍数 AO, ;,差模输入电阻 ri,开环输出电阻 rO,共模抑制比 KCMRR, ;,0 ;, .,u,u,o,u,AO,五、精密检测电路-运算放大器,30,理想运放,对于理想运放,Ao,ri,“虚断路”原则,（1）,u,uo,ui,u,=,Ao,集成运放工作在线性区的特点：,ui,uO,_,+,+,u-,u+,+,i-,ui,uO,+,_,i+,ui,ri,五、精密检测电路-运算放大器,31,当u+ u-时，u0=UO+,ii,uO,+,rid,+,输出电压u0只有两种可能：,当u+ u-时，u0= UO,“虚断”的条件原则上仍成立， 即,ii 0,“虚

16、短”原则上不成立，即,u+和u-不一定相等！,工作在非线性区的特点,ui,uO,_,+,+,u-,u+,五、精密检测电路-运算放大器,32,Vo,R1,Rf,+,Vi,I1,If,R2,常用电路01：反相比例运算电路,A,B,C,增益,33,1）分析电路结构；2）分析工作原理；3）理想运放+线性叠加原理列方程。 （环路电压、节点电流）,Vo,R1,Rf,+,Vi,I1,If,R2,注意：有共模电压输入,常用电路02：同相比例运算电路,34,反相输入,Vo,R1,Rf,+,Vi2,I1,If,Rp,Vi1,R2,I2,R1 R2 R,常用电路03：加法运算电路,35,同相输入,Vo,R2,Rf,

17、+,Vi2,I1,If,Rp,Vi1,R3,I2,R1,R2 R3 RP,常用电路03：加法运算电路,36,Vo,R1,+,Vi2,I1,If,Rp,Vi1,R2,I2,Rf,R1 R2 ； Rp Rf,常用电路04：减法运算电路,37,I0,常用电路05：电流/电压转换器,38,Uo,Ui,I1,I1,N1,P1,V01,P2,Vp2,Ro,R4,R3,R1,R2,I2,I2,RL,A1,A2,V02,+,+,1）电路结构；同相放大器、跟随器、取样电阻2）工作原理；V02 = Vp2 I0 =(V01-Vp2)/ R03）列方程：理想运放+线性叠加原理 （环路电压、节点电流）,R1= R2

18、= R3 = R4 = R,I0,常用电路05：电流/电压转换器,39,Uo,Ui,I1,I1,N1,P1,V01,P2,Vp2,Ro,R4,R3,R1,R2,I2,I2,RL,A1,A2,V02,+,+,3）理想运放+线性叠加原理列方程。 （环路电压、节点电流）N1点节点电流：-VN1/R=(VN1-V01)/R V01=2VN1=2VP1P1点节点电流：(Vi-VP1)/R=(VP1-V02)/R V02=2VP1-Vi=VP2I01 =(V01-VP2)/R0 =2VP1 -(2VP1-Vi)/R0 =Vi/R0 即跨导放大器,R1= R2 = R3 = R4 = R,I0,常用电路05

19、：电流/电压转换器,40,Uo,Ui,I1,I1,N1,P1,V01,P2,Vp2,Ro,R4,R3,R1,R2,I2,I2,RL,A1,A2,V02,+,+,I0 =(V01-VP2)/R0 =(V01-V02)/R0 即必须求出V01、V02A1组成同相放大电路 V01=（1+R/R）VP1 = 2VP1,R1= R2 = R3 = R4 = R,方法2：等效简化电路法,I0,常用电路05：电流/电压转换器,41,Uo,Ui,I1,I1,N1,P1,V01,P2,Vp2,Ro,R4,R3,R1,R2,I2,I2,RL,A1,A2,V02,+,+,R1= R2 = R3 = R4 = R,I

20、0,Uo,Ui,I1,I1,N1,P1,V01,Ro,R3,R1,R2,RL,A1,V02,+,R4,常用电路05：电流/电压转换器,42,I0,Uo,Vi,I1,I1,N1,P1,V01,Ro,R3,R1,R2,RL,A1,V02,+,R4,VP1 = R4/(R3+R4).Vi + R3/(R3+R4).V02 = 1/2(Vi +V02) V01=（1+R/R）VP1 = 2VP1 = Vi +V02 I0 =(V01-VP2)/R0 =(Vi+ V02 -V02)/R0 =Vi/R0戴维南线性叠加原理,常用电路06：仪用运算放大器,43,1）电路结构； A1A2R1R2对称，双输入单输

21、出，同相端输入、差动放大2）工作原理；V0 =(1+R2/R1).V3+-R2/R1.V01 =(1+R2/R1). R2/(R1+R2)V02-R2/R1.V01 =R2/R1(V02-V01) 差分电路3）列方程：理想运放+线性叠加原理 （环路电压、节点电流）,V1,V2,常用电路06：仪用运算放大器,44,方法1：欧姆定律(V01-V02)/(2R3+RG） = (V1-V2)/RG V02-V01 =(2R3+RG)/RG (V2-V1） V0 = R2/R1(V02-V01) = R2/R1 (1+2R3/RG )(V2-V1）,V1,V2,常用电路06：仪用运算放大器,45,方法2

22、：合比定理(V01-V1)/R3 = (V1-V2)/RG = (V2-V02)/R3 V02-V01 =(2R3+RG)/RG (V2-V1） V0 = R2/R1(V02-V01) = R2/R1 (1+2R3/RG )(V2-V1）,V1,V2,常用电路06：仪用运算放大器,46,方法3：线性叠加V01 =(1+R3/RG).V1- R3/RG.V2 V02 =(1+R3/RG).V2- R3/RG.V1 V02-V01 =(1+2R3/RG ）(V2-V1） V0 = (1+R2/R1).R2/(R1+R2).V02 - R2/R1.V01 = R2/R1 (V02-V01)= R2/

23、R1.(1+2R3/RG )(V2-V1）,V1,V2,常用电路7：回差电压比较器,一、振铃现象,电平检测器(任意电平比较器)，当达到比较电平时，立即翻转，用它检测信号电压时，灵敏度高。但若被测信号叠加一定的干扰信号，可能使比较器产生振荡，造成误翻转这就是所谓的电平比较器的振铃现象。,47,常用电路7：回差电压比较器,二、回差电压比较器,为克服振铃现象，可采用回差电压比较器(滞后比较器、施密特触发器)。1 组成在比较器的同相端加入少量的正反馈，即可构成滞后比较器。其传输特性具有滞后特性。,48,2 原理,当输入电压Ui大于同相端电压U+(即UiU+)时，输出电压Uo处于低电平UL在R1中的电流

24、I1为正(I1 0)， DZ2反向击穿(DZ1导通)，则有,U - UZ = UoU = U+ = Uo R2/(R2 +R3) 临界条件解得:Uo = - UZ (1+R2/R3) = U0L (输出低电平) U=U+=(Uo+UZ) =-(R2/R3)UZ =U+L(输出低电平时同相端电位、下比较电平),常用电路7：回差电压比较器,49,当Ui逐渐减小时，只要UiU+L-(R2/R3)UZ 时，I1不换向，则，比较器状态不改变，输出电平为Uo=U0L = -UZ (1+R2/R3),当UiU+L-(R2/R3)UZ 时，I1换向(从正负)，则DZ1反向击穿(DZ2导通)比较器输出Uo转为高

25、电平(ULU0H)。因同相端的正反馈作用加速翻转过程。这时U + UZ = UoU = U+ = Uo R2/(R2 +R3)解得Uo = UZ (1+R2/R3) = U0H (输出高电平)U = U+ = (Uo+UZ) = (R2/R3)UZ =U+H(输出高电平时同相端电位、上比较电平),常用电路7：回差电压比较器,50,2 原理, Ui继续下降，输出维持高电平端电压Uo=U0H (R2/R3)UZ ， 而同相端和反相端电平翻转到 U+H (R2/R3)UZ , 若Ui上升，只要UiU+H=Ums =(R2/R3)UZ 时，输出电平仍为： Uo=U0H UZ (1+R2/R3) ，比较

26、器状态不改变。,常用电路7：回差电压比较器,51,2 原理, 当UiU+H 时，I1换向(从负正)，则DZ2反向击穿(DZ1导通) 比较器输出Uo又转为低电平U0U0L=-(1+R2/R3)UZ 。 此时， U=U+=U+L=-(R2/R3)UZ, Ui继续上升，输出仍维持低电平Uo = U0L； 而同/反相端电平已转为U=U+=U+L=-(R2/R3)UZ 。,常用电路7：回差电压比较器,52, 比较器的传输特性具有迟滞回线的形式，所以称为迟滞比较器，由于 比较门限电平的回差变化，又称回差比较器。 此零电平比较器的比较电平不再是单一的零电平(UR=0) 而是具有位于零电平附近的两个电平上(大

27、)比较电平U+H = (R2/R3)UZ 下(小)比较电平U+L=-(R2/R3)UZ 两者之差称为滞后电平。U = U+HU+L =(UoHUoL)R2/(R2+R3) U+H =UoHR2/(R2+R3) U+L =UoLR2/(R2+R3) U可由R2R3调节，适当选取U ，可消除“振铃”现象。但U的存在检测灵敏度 U不宜过大，通常R2R3,常用电路7：回差电压比较器,53,Notes：任意电平滞后比较器，可用相同方法分析：, 参考电压UR在同相端,输入电压Ui从低值达到上比较电平U+H时，比较器输出从高电平低电平(UoHUoL)，这种滞后特性称为下行滞后特性，简称下行特性。,常用电路7

28、：回差电压比较器,54, 参考电压UR在反相端,输入电压Ui从低值达到上比较电平U+H时，比较器输出从低电平高电平(UoLUoH)，这种滞后特性称为上行滞后特性，简称上行特性。,常用电路7：回差电压比较器,55,常用电路8：峰值保持电路,峰值保持电路能使持续期短的信号在时间上可以扩展的电路。,1、原理:, 当Ui0时，D导通，电容C被充电到的峰值峰值跟踪阶段，0A段。 当Ui过峰值而下降时，D反偏而截止，由于的反向电阻较大，电容C上的电荷因无放电回路而被保持下来保持阶段，AB段。 此后只有当Ui上升到大于电容C上的电压(Ui UC)，D才导通，使输出Uo跟踪输入Ui ，直到新的峰值，并保持下来

29、。,56,常用电路8：峰值保持电路,2 、误差分析, 实际二极管并不是理想元件。 电路输出端总有一定负载电阻(RL)。 信号源也有一定内阻(Rs)。,跟踪阶段电容C上电压UC无法完全跟踪Ui，按一定的时间常数上升。保持阶段UC将通过RL进行放电，从而使Uo偏离被测信号峰值。偏离的程度与元件的质量、取值有关。元件参数一旦确定，偏离值的大小又与被测信号Ui有直接关系。,57,常用电路8：峰值保持电路,一、改善二极管的非线性及消除不灵敏区,将二极管放在运放的反馈回路中。,此时，D的等效开启电压为Ui= UD/A1d 式中A1d A1的开环增益，一般在80dB以上(即1000倍)。UD 二极管死区(不

30、灵敏区)电压，硅管UD 0.5V。 Notes： Ui是一个很小的值， Ui 0 。这就消除了二极管的不灵敏区。 当D导通后，A1工作在电压跟随状态，从而消除了D的非线性影响。,58,二、增加保持时间,实际 D的反向电阻及A1 A2的输入阻抗并非无穷大。 存储电容C也存在漏电流。在保持阶段电容C上的电压将通过A1 A2 D及C的等效漏电阻而放电，从而引起保持电压的漂移，其漂移率为 D = Uo /t = I漏 / C式中， I漏 = Ib + ID + ICIb A1 A2 的偏置电流和漏电流之和；ID D 的反向饱和漏电流；IC C的漏电流。,常用电路8：峰值保持电路,59,Notes：要D

31、(电压漂移率)，增加保持时间，可C和I漏 实际电容C值受工作速度的限制，且C其漏电流IC 漏也大。 有效的方法是I漏 ，其途径有二：选用优质元件C选聚四氟乙烯、聚苯乙烯等漏电流小(IC 漏)的电容A1A2选场效应管作输入级的运放D选开关特性好的形状二极管，或用场效应管代替 改进电路如尽可能减小加在峰值检测二极管上的反向电压等。,常用电路8：峰值保持电路,60,常用电路8：绝对值检测电路,整流把正负极性交变的信号转换成单极性的直流信号，称为整流。线性整流单极性的直流输出电压与输入交流信号的幅值呈线性比例关系的整流，称为线性整流，又称精密检波。绝对值电路又称全波整流电路。它的特点是能将交变的双极性

32、信号转换为单极性信号。在自动检测仪表中常用这一特点来对信号进行幅值检测。,61,常用电路9：绝对值检测电路,利用二极管的单向导电性可以实现较大信号的检波，但由于二极管的正向伏安特性的非线性(r)及其阈值电压(UD)的存在，无法实现精密的线性检波。二极管的伏安特性为：,UD 二极管的阈值(导通)电压。 r 二极管的动态电阻，表示当偏压高于UD后特性曲线的斜率。 二极管的特性可用等效电路来描述。这里忽略了二极管的反向漏电流，实际上对于硅二极管，这种反向漏电流是相当小的。,62,二极管的非线性决定了用它无法实现良好的线性转换,例如：当输入信号为线性的三角波时，经二极管检波电路后的输出波形，将产生明显

33、的畸变。, 输入信号越小，畸变越严重；当输入信号 UD ，输出Uo=0，电路失去检波作用。,常用电路9：绝对值检测电路,63,为实现精密线性检波，必须解决两个问题： 改善二极管的非线性特性，以实现良好的线性转换关系； 减小二极管阈值电压(UD)的影响，使其能对尽可能小的输入信号进行转换。利用运放与普通二极管有源检波电路，能有效解决以上两个问题。按检波特性，可把精密检波电路分为精密半波检波电路精密全波检波电路峰值检波电路,常用电路9：绝对值检测电路,64,两二极管(D1 D2)分别接在运放的反馈回路，运放接成反相放大器形式。设输入信号为正弦信号Uo =UinsintUi正半周(Ui0):Uo为负

34、(0) D1导通，D2截止 D1导通，使运放处于深度负反馈状态。从而保证了运放的反相输入端“虚地”(Uin-=0)，由于输出信号(Uo)是从“虚地” 取出，R2无电流流过， Uo =0,常用电路10：精密半波检波电路,65,Ui负半周(Ui0) D1截止，D2的状态取决于Uo的大小：若UoUD，D2截止，运放工作于开环状态。此时Uo =- Ao UiUD ，即UiUD /Ao。 运放开环增益很高(一般Ao为104105),Ui很小，Uo=Ui也很小，可看作零。这就相当于把二极管的阈值电压UD降低1/Ao ，从而有效地克服了UD对检波性能的影响，大大提高了电路对小信号的检波能力。,常用电路10：

35、精密半波检波电路,66,一旦UoUD ，D2导通，运放处于反相比例放大工作状态，Uo= - (R2/R1)Ui ，若取R1=R2 ，则Uo= -Ui 。显然， D2导通，使A处于深度负反馈闭环工作状态，而D2又在反馈回路中。因此， D2导通后的非线性特性，由于负反馈的作用而明显改善，使检波电路的输出与输入之间具有良好的线性关系。由以上分析 Uo= 0， Ui0 | Ui |， Ui0,常用电路10：精密半波检波电路,67,检波波形和检波特性。,若需对的正半周进行检波，只要将电路中的两个二极管(D1 D2)同时反接即可。,为定量说明二极管阈值电压UD和非线性电阻r所产生的非线性误差，可画等效电路

36、。,在的负半周内：,常用电路10：精密半波检波电路,68,此式表明：在精密半波检波电路中， UD和r仍会影响电路输出，造成误差。但由于负反馈的作用，把这种影响减少到原来的1/Ao,需要提出的是：精密半波检波电路的工作频率在大信号时，会受到运放压摆率(SR)的限制； 在小信号时，会受到运放-3dB带宽(f0)的限制。必须根据实际工作频率选择合适的集成运放，才能保证检波器的检波精度。,常用电路10：精密半波检波电路,69,1、简单绝对值电路：由半波检波电路和加法器两部分组成。,Ui正半周(Ui0): A1是反相输入 D2截止，D1导通，此时，半波检波电路的输出电压 (即A1的输出电压)Uo1 =

37、UiR2/R1,加法器对两电压进行求和运算，其输出电压为Uo=(-UiR6/R4 -Uo1R6/R5 ) = -(R6/R4 -R6R2/R5R1) Ui若取R2=R1 ， R6=R4 =2R5则Uo=Ui,常用电路11：绝对值电路,70, Ui负半周(Ui0， Uo = | Ui |,常用电路11：绝对值电路,71,Notes：,绝对值电路波形和检波特性。,将电路中的(D1 D2)同时反接，即可获得负输出的绝对值电路。,简单绝对值电路在频率较低时，能得到满意的结果。当频率较高时， 由于前面的半波检波电路会产生相移，破坏了加法电路所实现的运算 关系，使输出波形失真而引起误差，应采用频率补偿来这

38、种误差。,常用电路11：绝对值电路,72,Notes：,这种电路的精度，不仅与半波检波电路的精度有关，而且还与电阻的匹配精度有关。缺点：匹配电阻过多（需要5个R2=R1 ， R6=R4 =2R5 ）输入阻抗低， Ri=R1/R6（反向输入结构）,常用电路11：绝对值电路,73,2、高输入阻抗的绝对值电路：简单绝对值电路，由于采用了反相输入结结构，其输入电阻较低，因而当信号源内阻较大时，在信号源与绝对值电路之间就不得不接入缓冲级，从而使电路复杂化。 为使电路简单，且输入阻抗又高，可将图中的运放接成同相输入。电路的输入阻抗约为两个运放的共模输入电阻的并联，可高达10M以上。,常用电路11：绝对值电

39、路,74,其工作原理同前电路基本相同Ui正半周(Ui0): A1是同相输入 D1截止，D2导通。A1工作于电压跟随状态，使Ua跟随Ui变化(Ua=Ui)；即相当于在A2的反相端加有信号Ui ，同时Ui也加至A2的同相端。利用叠加原理,常用电路11：绝对值电路,75, Ui负半周(Ui0): D2截止，D1导通， 此时，A1的输出电压为Uo1=(1+R2/R1)Ui 此电压经D1加到A2的反相端同时Ui也加至A2的同相端。,若取R1=R2=R3 =R4/2则Uo= (1+2)Ui -2(1+1)Ui = -Ui,Uo = | Ui |,Notes 可见随着输入信号Ui极性的改变，整个电路的电压增

40、益也从+1到-1变化，从而保证了输出电压Uo的极性不随Ui的极性变化。即实现了绝对值运算。 输入阻抗高Zin 4个匹配电阻（需要R1=R2=R3 =R4/2） 同相电路，必须注意运放的共模抑制比和共模输入电压的选用,常用电路11：绝对值电路,76,3、仅需一对匹配电阻的绝对值电路：绝对值电路的增益为1，而增益为1的电压跟随器不要求匹配电阻，所以把反相半波检波电路与电压跟随器电路起来，就可以减少匹配电阻的数目。, A1组成反相半波整流实现负向半波整流 A2组成同相半波整流实现正向半波整流两者相加，就得到了绝对值电路。该电路工作过程如下：Ui正半周(Ui0): Uo1 0，D3截止，D4导通。此时

41、，R2为D4提供直流通路，电路总输出Uo=Uo2由于A2实际上是一个电压跟随器， Uo2=Ui+则 Uo=Uo2 =Ui+,常用电路11：绝对值电路,77,A1,Uo,Ui,Uo1,A2, ,Uo2,R1,R2,R3,R4,R5,D1,D2,D3,D4, Ui负半周(Ui0，D1截止，D2导通。 Uo2 0，D4截止，D3导通。 R4为D2导通提供直流通断电路，整个电路构成了由R1 R2 A1组成的反相器，即，总输出Uo=R2/R1Ui若取R2=R1 ， 则Uo= Ui = | Ui |,常用电路11：绝对值电路,78,Notes：,只要精确匹配R2=R1 ，就能实现高精度绝对值转 换。（选R4=R5是为了减小放大器偏置电流的影响 ，它们的失配会影响电路的平衡）。实际应用中，为确保D2和D4截止，常在D1和D3中 串入适当电阻，以提高D1和D3的反向偏置电压。 D2D4均在反馈回路中，它们的正向压降对整个电 路灵敏度的影响被减少了K0倍。由于A2工作在反相状态，该电路的输入阻抗较低 ，主要取决于R1的大小，即Ri = R1 。,常用电路11：绝对值电路,79,