331720$shyfch$温度测量系统的前向通道设计

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1、温度测量系统的前向通道设计摘要:将温度变化通过电桥一边上热敏电阻的阻值变化为一微小的电压变化，通过由OP-07（实际用LM324）构成的差分放大器放大到－5V～＋5V电压范围，之后经电平抬高电路将信号变为0～10V的电压范围来匹配之后可能会使用的通用ADC的输入范围。关键字：测量放大器温度测量一、设计要求设计一个温度测量系统的前向通道（参考框图见图1）。测温传感器用正温度系数的热敏电阻RT(绝对温度T=300K时，RT为200kΩ),当温度变化引起RT相对于R2阻值变化±1℅，代表温度变化范围为：225K≤T≤

2、375K。要求设计一个测量放大器，要求如下：a)1）RT相对于R2阻值变化±1℅,输出电压0～10V。b)2）在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，放大器的CMRR≥105。c)3）测量放大器的差模输入电阻≥2MΩ（可不测试，由电路设计予以保证）。d)4）放大器的通频带为0～100Hz。e)5）设计并制作一个信号变换电路，参见图2。将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。R1R1R2RT基准电源7.5VVi+Vi=测量放大器极性转换电路VoR

3、1＝R2=200KVREF－5V～＋5V信号变换电路Vo函数发生器Vi信号变换电路测量放大器一、设计思路由，而温度变化在225K≤T≤375K中可以求得的变化范围在198kΩ～202kΩ之间变化，根据电桥上电阻的分压可以求得输入电压的变化范围在-18.8mV～18.7mV，根据测量放大器输出指标信号放大到-5V～5V,所以放大器增益约为278。因为为一个毫伏级信号，所以为了能够正确的将信号输入和放大，所以用差动输入来抑制相对输入信号而言比较大的共模信号的干扰。极性转换电路采用简单的反相相加器来实现，即将-5V～

4、5V的测量放大器的输出电压和一个－5V的基准电压相加后经过一个增益为1的反相放大器后即可得一个0～10V输出电压。对于电桥的7.5V的基准电源和极性转换电路中－5V的基准电压的，都采用了运方和稳压管构成的基准电压源。而信号变换电路则采用了简单的跟随器和增益为1的反相放大器构成二、设计电路分析1．测量放大器1）基本原理由于对于小信号经行采集所以需要用差动输入，所以选用了3个运算放大器构成的差动放大器，原理电路图如下：由于任何形式的信号都可分解为一对差模信号和共模信号相加之和，所以为了原理推导的简便，在输入端直接加

5、入了一对差模信号和共模信号，输入信号的信号源等效模型如上图，数学表达式如下：为差模信号，为共模信号。根据运算放大器的虚短、虚断的概念可得方程：为图中节点2的电压、为图中节点1的电压，为上流过的电流。解上述联立方程得：，为第一级的增益。由、表达式可知，第一级对输入的差模信号进行了增益为的放大，而对共模信号并没有增益。第二级为减法器，即，为第二级增益。带入、得：整个测量放大器的总增益：由输出电压的表达式可见，测量放大器的输出只含有输入信号的差模分量，而完全抑制了共模分量，就理想化而言改电路可以提取出被共模噪声淹没的

6、微弱差模信号并予以放大。2）由器件不理想所造成的误差分析上述理论分析所得出：最终输出是只有差模分量而不存在共模分量，即共模抑制比为是基于运算放大器是理想的，即输入阻抗为无穷大，输入电流为0，开环增益无穷大，且配置的器件完全理想化所得出的结论。然而实际供选用的器件LM324为通用放大器，对于测量放大器的指标要求，LM324不能作为理想运方来逼近，所以这里从运方本身的不理想和电阻的所引入电路不平衡两个角度来分析可能造成的共模误差和增益误差。为了分析的简便在分析其中任一一个误差引起原因时，设其余的各个因素均为理想，即

7、不引入误差。a)由减法器电阻不平衡引起的共模误差前述推导设减法器中运算放大器正、负端所接电阻均相等，现考虑电阻不对称所入的误差，分析电路如下图：输入信号，即为前级输出采用叠加法分析：当输入，接地时，由运方特性可得：当输入，接地时，由运方特性可得：输出将代入上式，得,由上式可见，输出信号中由于，和的不相等引入了共模干扰分量。，由于测量放大器第二级的增益要求，所以（0.1倍以下），这样由和的阻值不平衡所引起的误差便忽略，即认为，简化上式，并带入值，得：为和的差值，即电阻的偏离值，是电阻的相对误差率，对于所选用电阻而

8、言其最大值为一给定值，如金环误差为5％。若选金环误差电阻，且共模输入7.5V，则最差情况下＝7.5*5%=0.375V（此处最差情况为一个电阻偏移5％，而非两个电阻各偏5％的极端情况）。用由上述分析可知，电阻的精度对共模分量的输出即测量电路的共模抑制比有着一定的影响，所以在不能够选用高精度的电阻时，必须要对电路的平衡性作出一定的调整。a)由运方参量不理想引起的误差由于是测量放大器所以应