1.5 信号调理电路设计
1.5.1 常用运算电路
集成运算放大器与外部电阻、电容等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构与参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。
（1）反相比例运算（反相放大器）
反相比例运算电路如图1.26所示。其中RF反馈电阻，R1为输入电阻，
由于Au非常大，所以
，而
，所以
图1.26 反相比例运算电路
平衡电阻R2 = R1 // RF，以减小失调电流。Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。
（2）同相比例运算（同相放大器）
同相比例运算电路如图1.27所示。
图1.27 同相比例运算电路
，所以
平衡电阻R2 = R1//RF，Auf为正值，即uo与ui极性相同。因为ui加在同相输入端。Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。Auf≥1，不能小于1。当R1= ∞且RF = 0时， uo = ui，Auf = 1，称为简化的电压跟随器，如图1.28所示。
图1.28 简化的电压跟随器
图1.29是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载 RL变化时，其两端电压uo不会随之变化，uo = 7.5 V。由运放构成的电压跟随器输入电阻很高、输出电阻也非常低，其跟随性能比三极管射极输出器更好。
图1.29 电压跟随器
（3）反相加法运算电路（如图1.30所示）
图1.30 反相加法运算电路
；R2= R11 // R12 // RF；输入电阻低，共模电压低，当改变某一路输入电阻时，对其他路无影响。
（4）同相加法运算电路（如图1.31所示）
图1.31 同相加法运算电路
；R21 //R22 = R1 //RF；输入电阻高，共模电压高，当改变某一路输入电阻时，对其他路也会有影响。
（5）减法运算电路（如图1.32所示）
图1.32 减法运算电路
（6）积分运算电路（如图1.33所示）
图1.33 积分运算电路及输入、输出波形
；采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度，积分运算电路及输入、输出波形如图1.33所示。将比例运算电路和积分运算电路结合在一起，就组成比例-积分运算电路，如图1.34所示。
图1.34 比例-积分运算电路
；这种运算器又称PI调节器，常用于控制系统中，以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数，以满足控制系统的要求。
（7）微分运算电路（如图1.35所示）
图1.35 微分运算电路及输入、输出波形
（8）比例-微分运算电路（如图1.36所示）
图1.36 比例-微分运算电路
；比例-微分运算电路又叫PD调节器，控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。
（9）比例-积分-微分运算电路（如图1.37所示）
图1.37 比例-积分-微分运算电路
1.5.2 常用运算放大器及应用举例
LM324是最常用的四运放集成电路，它采用14引脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1.38所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
图1.38 LM324结构图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。下面介绍其应用实例。
图1.39所示放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无须调试，放大器采用单电源供电。该放大器由R1、R2组成V+/2偏置，C1是旁路电容。放大器电压放大倍数Au仅由外接电阻Ri、Rf决定：Au = -Rf /Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，此电路Au = -10，输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。其中，Co和Ci为耦合电容。
图1.39 LM324单电源反相交流放大电路
图1.40所示电路为同相交流放大电路，其特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成V+/2分压电路，通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定：Au = 1 +Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
图1.40 LM324单电源同相交流放大电路
图1.41所示电路可将输入交流信号分成三路输出，三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极小。因运放Ai输入电阻高，运放A1～A4均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放大状态时Rf = 0的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2～A4输出端亦为1/2V+，通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配输出。
图1.41 LM324交流信号三路分配电路
当去掉运放的反馈电阻时，或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态），理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上很大，如LM324运放开环放大倍数为100 dB，既10万倍）。此时运放便形成一个电压比较器，其输出不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。
图1.42中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻 R1、R′1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R′2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui＞U1时，运放A1输出高电平；当Ui＜U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 ＞ U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。
图1.42 LM324构成的电压双限指示器
图1.43为LM324构成的单稳态触发器，广泛使用在自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管VD1导通，电容 C1通过VD1迅速放电，使 U2突然降至地电平，此时因为U1＞U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管VD1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2＞U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。
图1.43 单稳态触发器
如果将二极管VD1去掉，则此电路还具有加电延时功能。刚加电时，U1＞U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2＞U时，A1输出才变为高电平。
1.5.3 小信号放大与专用仪用放大器
经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低，如铂铑热电偶的输出、经电桥变换后的信号等，通常在几毫伏到几百毫伏之间，很难直接用来进行显示、记录、控制和A/D转换，为此测量电路的前端需要设有信号放大电路，这一环节主要依靠由集成运算放大器等基本原件构成具有各种特性的放大器来完成。
对于一般的信号放大而言，只需要简单的差分放大电路即可满足要求。然而一般的差分放大电路精度较差，而且差分放大电路改变放大倍数时必须调整两个电阻，影响整个信号放大电路精度的因素就更为复杂。在电子系统中的小信号主要是由各种传感器输出的，传感器的输出信号不仅电平低、内阻高、还伴有较高的共模电压。因此对于小信号放大有如下一些要求：
（1）输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。
（2）抗共模电压干扰能力强。
（3）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比，从而保证放大器输出性能稳定。
（4）能附加一适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。
根据以上要求，对传感输出的小信号进行放大时，小信号放大常用测量放大器实现。测量放大器又称数据放大器或者仪表放大器。其主要特点是：输入阻抗高、输出阻抗低、失调及零漂很小、放大倍数精度可调、具有差动输入和单端输出、共模抑制比很高。适用于大的共模电压背景下对缓变微弱的差值信号进行放大。
常见的测量放大器包括由分立放大器组成的三运算测量放大器和单片集成的测量放大器。
1.三运算测量放大器
三运算测量放大器的电路如图1.44所示。
图1.44 三运算放大器测量电路
其电压放大倍数为
测量放大器的共模抑制比
CMRR=（1+R 1/RG）× CMRR3
式中，CMRR3为第三级A3的共模抑制比，该电路输入阻抗高，约为109 Ω。
2.单片集成的测量放大器
目前市场上测量放大器品种很多，有通用型，如INA110、INA114/115、INA131等；有高精度型，如AD522、AD524、AD620、AD624、AD650等；有低噪声低功耗型，如INA102、INA103等；可编程型，如AD526。
下面介绍高精度型单片集成测量放大器AD620。
AD620测量放大器是美国AD公司的产品，由于它采用了较为先进的工艺，最大工作电流为1.3 mA，输入失调电压为5 μV， 输入失调漂移最大为1 μV/℃，共模抑制比为93 dB，增益范围可调，且调节方便，噪声低。AD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小。且精度高、使用简易、噪声低，应用十分广泛。多年来AD620已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器。AD620是一种完整的单片仪表放大器，提供8引脚DIP和SOIC两种封装。AD620是传统AD524仪表放大器的第二代产品，由一个外部电阻器便可以实现从1～1000任何要求的增益。最大误差在±0.3%之内。
AD620主要技术指示列表如下：
带宽：800 MHz;
输出功率：2.4 mW;
功率增益：120 dB;
工作电压：±15 V；
静态功耗：0.48 mW；
输入失调电压：≤60 μV；
转换速率：1.2 V/μs;
工作温度范围：-55℃～+125℃
AD620放大器的引脚封装如图1.45（a）所示，其功能结构如图1.45（b）所示。该放大器的特点为：差动输入、单端输出。电压增益可由一个电阻 RG来确定，且增益连续可调，并有效地解决了后级负载对地连接的问题。A1、A2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出，并承担了全部的增益放大任务。由于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变。反馈电阻Rl = R2 = 24.7 kΩ，放大器A1、A2的共模增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿。后级A3的增益为1，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。
AD620是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片集成放大器。图1.45（c）中的输入三极管VT1和VT2提供了唯一的双极差分输入，因内部的超β 处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。通过VT1-A1-R1环路和VT2-A2-R2环路的反馈，保持了VT1，VT2集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻RG的两端。从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为G = （R1 + R2）/RG + 1。由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF引脚电位有关的单路输出。RG的值还确定了前级运放的跨导。当RG减小时，放大倍数增大，对输入三极管的跨导渐渐增大，这具有明显的优点，放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小了增益带宽乘积增加，频率响应得到改善。内部增益电阻 R1和R2被精确修正为24.7 kΩ，使得运放增益（经过运算推导）精确地由RG确定
G = 49.4 kΩ/RG + 1或RG = 49.4 kΩ/（G - 1）
图1.45 AD620的引脚定义、功能结构及内部电路
RG为外部增益调整，可在放大器的引脚1和引脚8之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数。为防止AD620进入饱和状态而阻塞放大器，其外部增益一般不宜过大，采用放大器AD620，增益误差可≤0.01%，非线性≤0.002%。AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。图1.46为AD620构成的仪用同相放大器原理图。
图1.46 AD620同相放大器电路原理图
1.5.4 电压-频率转换电路
电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器件。电压/频率转换器（VFC）的基本功能是将输入的模拟电压转换为与之成比例的脉冲串输出，因此，一定时间内脉冲串的个数便代表了输入模拟电压的大小。利用计数器对脉冲串进行计数，正是利用VFC实现ADC的基本出发点。VFC型ADC主要用于对精度要求很高，而对速度要求不太高的数据测量系统。
VFC利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出，其脉冲频率与输入电压（或电流）成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连线最少，且增加转换位数时不会增加与CPU的连线，因此，VFC为A/D转换技术提供了一种廉价而有效的解决办法。
VFC实现A/D转换的实质是一个二次积分过程。第一步是利用VFC将输入的模拟信号转换成与其成正比的频率信号；第二步是在设定的时间内，用计数器对频率信号进行计数，则计数器的输出就是要转换的模拟量对应的数字量，如图1.47所示。在整个转换过程中有两个积分过程存在，因此有较高的抗干扰能力。只要保证VFC器件的精度与计数时间的准确性，就可以提高转换的精度；而改变计数时间的大小，又可以改变计数器的输出，即改变ADC的位数和转换速度。
图1.47 VFC电路实现A/D转换的方法
AD650是一种既可以做电压/频率转换（VFC），又可以做频率/电压转换（FVC）的高性能单片集成电路芯片。AD650的最大满度频率达1 MHz，能用于低成本、高分辨率的模数或数模转换器；在满度频率为10 kHz，非线性误差为0.005%，相当于14位的ADC的线性误差。AD650的内部结构和引脚排列形式如图1.48所示。
图1.48 AD650的内部结构和引脚排列形式
AD650的模拟输入部分为一个差分输入的运算放大器，可以通过改变外部元件接法，方便地接成单极性正电压输入、单极性负电压输入或双极性电压输入等各种模拟输入方式；并且既可以实现电压输入，也可以实现电流输入；输入失调和满度误差可以通过外接元件调整。AD650的输出部分采用集电极开路输出方式，可以方便地与TTL和CMOS数字电路接口。实际应用电路原理图如图1.49所示。
图1.49 AD650电压-频率变换实际应用电路原理图
1.5.5 信号整形电路
最简单的信号整形电路就是一个单门限电压比较器（如图1.50所示）。当输入信号每次过零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每次过零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。
图1.50 单门限电压比较器的整形电路
单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器中，当VI中含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形如图1.51所示，将VREF作为单门限比较器的门限值Vth。由于VI在门限值附近时出现干扰，vO将时而为VOH，时而为VOL，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压vO去控制电机，将出现频繁的启/停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。
图1.51 单门限比较器输入和输出波形
迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。图1.52（a）所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图1.52（b）所示。如将vI与VREF位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。
图1.52 迟滞比较器和输入输出波形
由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vO与输入电压vI不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即
设运放是理想的并利用叠加原理，则有
根据输出电压vO的不同值（VOH或VOL），可求出上门限电压VT+和下门限电压VT-分别为
门限宽度或回差电压为
设电路参数如图1.52所示，且VOH-VOL=5V ，则由式（1.3）至式（1.5）可求得 VT+ = 1.04V， VT- = 0.94V和VT= 0.1 V。