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实测uV信号放大(绝对好文章)

高工
2008-11-12 21:38:52    评分
(转 孙泽)
最近做一个项目,第一次遇到uV级信号的检测,调了几天电路,遇到不少问题,把日记发上来,让各位高手给我指点一二。如有不对之处,请各位指正!贴中内容全是日记内容!首次发贴,请多指教!

1、 电路图如下:

  通过振荡电路看信号波动对电源的影响: U1的输出为频率250Hz的近似方波(通过调节R1/R2也可调节频率),U1的方波输出会反馈到电源端,对电源产生波动影响,电源的波动差不多在100mV左右,且呈现方波波动形式。     低通滤波电路和积分电路的相似: C2采用大电容,该级低通滤波的作用几乎等同于积分,将方波变成三角波,但由于电容充电放电的曲线不能重合,输出的三角波很难对称,故此处建议采用大电容,这样可以增强三角波腰的线性,提高对称性,但会增加直流分量,降低三角波的幅度。另外还可以采用反相叠加的方法来左右平衡,或者采用有源积分(不知是否有效)。可见积分电路的作用和滤波电路,是一个妈生的!注意有源滤波和无源滤波的差别所在。 R5和C3组成RC低通滤波,将三角波变成近似正弦波。从实际电路中发现,当C3取值1uF时,滤波的效果非常不明显,几乎只是削尖而已!而后面的C5和C6取值1uF时,波形则出现变形,但后面的目的只是要滤出波形中的毛刺,故取值应该偏小,以保证滤波的同时不影响到原信号波形。可见,滤波电容取值还是非常讲究的!它不是我们理论上期待的那样,计算就可以的,还需要我们根据实际电路中的具体情况来选择电路的设计参数。     交流耦合与微分电路的相似 C4起两个作用,一是隔离直流,因为前面为了提高波形对称质量,采用了大电容,这大电容会提高输出正弦信号的直流分量,降低交流分量的幅值。这里的大直流对后面的交流信号放大是没有用处的,需要隔离掉,不然后面就需要做减法电路来处理,会增加电路的复杂性,隔离直流是最方便的方法。二是对前面的信号再做高通滤波,适当的电容值可以让前面振荡电路对电源产生的波动进行弱化,达到稳定信号幅值的作用。但这里的弱化只是对信号而言,而对电源端的波动没有任何作用。这个通过电路观察可以明显看到。高通在这里的需哦用其实是与低通构成一个具有幅值削弱作用的带通滤波器。而这个带通频带就是低通和高通的重叠部分。     信号失真与信号滤波的联系 开始的时候,我取值C4为0.1uf,本想是根据高通滤波和低通滤波电路的中间重叠部分来得到频率比较单一的信号波形,但实际上得到的效果却非常差,信号出现严重失真,波性如同小电容充电饱和再完全放电的过程,从这可知是电容取值太小造成的 (信号还没有完全通过而电容已经饱和),所以,高通滤波并非我们在课本上看到的那样,在其过度带中只是幅值减小,而是会出现信号不能完全通过而失真的现象的。这里,我们再回头看前面的方波——三角波——正弦波中的低通滤波(积分),其实那也是因为电容取值不当而造成了波形严重失真,只不过那里的失真是我们期待的结果。如果前面的电容取值非常小,我们就可以看到方波一样能几乎不变形的通过去。这里,似乎可以发现,数学上讲的傅式变换,跟我们想象的有些出入。傅式变换中说方波函数是由很多的频率成分不同的正弦波叠加而成的,起初以为一个低通滤波会将方波中的高频成分滤去而使得方波变得无棱角,但实际中我们看到的并非如此。电路中,我们取值电容为47uF,三角波输出的三角尖儿依然非常明显。这里的尖应该解释成“极点”,即转折点。但后面的正弦波为何变得平滑了呢?如果这里我们将容值取小,则正弦波还是会出现这个转折点的。可见,转折点并非是消失了,而是弱化了!     单端变双端 R6、R12和R13做成的电桥起把单端变双端、调整信号幅值的作用,为后面的放大10000倍提供小幅值的交流信号。通过调节R6可以得到幅值非常小的交流信号,这里调节输出信号幅值在50uV左右,可以通过计算知道。 电源波动对信号的影响 U2A和U2B做成差分信号放大电路,放大倍数100。此处运放的失调电压以及电源波动等对电路的影响就很重要了。 本电路中,开始直接采用了振荡电路中的同一个电源,信号输出幅值最大也只有5mV,这样的小信号,是很容易被淹没掉的!电路的实际结果就是如此,几乎看不到输出信号的存在。且由于这里的波动干扰又几乎与所测的信号在同一个频带,故很难还原。后改为该级电路采用独立的一路电源,并进行了稳压滤波处理,信号从输出端出现了。 运放截止失真 本电路中,由于我只想看能否检测到信号,所以只采用了单电源,没在电路中加偏置电压,故波形出现一半,另一半被截止。可实际的结果不是这样,我在示波器中看到了完整的信号波形,而这个波形出现上半部分失真现象。这是怎么回事呢?通过调节R6,即输入差分信号的幅值,发现示波器上的输出信号波形,其失真部分会随着输入信号幅值的变大而上移,变小而下移,但移到一定程度就不再移动。我拿万用表测R6两端的电阻,发现R6依然处于中点左右,并没有到头。怎么解释这些现象呢?我怀疑这应该是因为信号幅值太小,信号由于运放失调电压的存在而发生了正偏,导致了信号大部分落在了运放的截止区。也有可能是因为信号幅值太小,负半周的截止部分无法从示波器上看出来,因为这个老模拟示波器只能看到5mV的最小刻度。我通过读取示波器上的输出信号幅值,发现信号下半部分的幅值只有2mV左右,而上办部分却差不多4mV。我又调了一次R6重复前面的观察,这次证实了我前面的想法。这个就是模电上讲的信号处于截止区失真。而运放的失调电压也在这里得到了体现。通过查看LM324的数据手册,发现LM324的典型失调电压在2mV左右,而偏置电流在20nA。可见导致50uV的输入信号发生偏移是可能的。这也说明了小信号检测中选择运放的重要性。
  信号上移直到截止
    后面的U2C在实际电路中换成了OP27。在信号从差分放大出来,我开始的时候在中间加了一个1uF的隔直电容。没有什么想法,只是不想有前面的干扰!但我在后面的输出端,看不到信号波形。发现输出居然是一条饱和的直线。在我确认了电路没有错的时候,我把隔直电容给短接了,再测,信号出现了,幅值与期望也差不多。我又把短接去掉,马上再测,这次看到信号了,却发现信号在慢慢的上移,直到信号饱和变成一条直线。怎么会这样呢?我放大改为射随,电容保留,信号没有上移。没法解释。我瞎猜是电容积累的作用在作怪,于是,我又在op27的信号输入端后面加了一个10k的电阻到地,再把电路改回来,这下对了。但信号却是个完整波形,幅值也不对!我想应该是因为加入的这个电阻与电容形成了高通滤波,把信号幅值给减弱了吧!但波形完整又怎么说?难道又是运放的错?实在奇怪!还望各位高手给我指点一二!

由于电路是在上班时调试的,没有办法给出波形照片!多包涵!

 

0.jpg



关键词: 实测     信号     放大     绝对     文章     电路     电源     输出         

高工
2008-11-12 21:42:22    评分
2楼
虽然是转贴的文章,但感觉这篇日记真的很实用,解决了我的不少困惑,如果大家有兴趣可以自己调试一下,电路还是比较简单的。。。

菜鸟
2017-10-10 11:34:40    评分
3楼

看不到电路


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