用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路，其包括：第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第三運(yùn)算放大器、第四運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第九電阻、可變電阻，其中第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻構(gòu)成用于采集浮動(dòng)弱電流并將其轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)的采集電路，第三運(yùn)算放大器、第四運(yùn)算放大器、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第九電阻、可變電阻構(gòu)成用于將轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)線性放大的放大電路。根據(jù)本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路能夠精確待測(cè)的采集浮動(dòng)弱電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號(hào)處理。
【專利說(shuō)明】用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電學(xué)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路。
【背景技術(shù)】
[0002]浮動(dòng)電流一般產(chǎn)生于傳感器內(nèi)部、儀器儀表輸出等。通常情況下，這些浮動(dòng)電流的數(shù)量值都比較微弱，所以稱其為浮動(dòng)弱電流。這種電流的電路模型可表示為一個(gè)電流源。為了在模型上體現(xiàn)實(shí)際電流信號(hào)的特點(diǎn)，將該電流源的模型限制如下:數(shù)值較小且可變。電流信號(hào)必須在閉合環(huán)路中才能產(chǎn)生，如果要測(cè)量其大小，那么必然要將該電流閉合到測(cè)量電路中。這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題:測(cè)量電路通常具有一定的輸入阻抗，并把這種阻抗引入到待測(cè)電路信號(hào)的環(huán)路中，這樣就會(huì)減弱待測(cè)的電流信號(hào)。如果測(cè)量電路的輸入阻抗受電流信號(hào)變化的影響，那么測(cè)量值不但存在一定的誤差，而且會(huì)呈現(xiàn)出非線性特點(diǎn)。若再將其放大處理，則會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的失真。
[0003]目前，采集和放大浮動(dòng)弱電流信號(hào)已有多種方案，但是這些方案主要存在如下缺點(diǎn):1、采集過(guò)程影響了待測(cè)電流信號(hào)的大?。?、放大過(guò)程影響了測(cè)量值的線性度。以上兩個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果存在一定的失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路，其包括:
[0005]第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第三運(yùn)算放大器、第四運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第九電阻、可變電阻，其中浮動(dòng)弱電流分別輸入到第一運(yùn)算放大器的正相輸入端和第二運(yùn)算放大器的正相輸入端，該第一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接第三電阻的第一端，該第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和第二運(yùn)算放大器的反相輸入端相連接并且還同時(shí)連接第一電阻的第一端和第二電阻的第一端，該第一運(yùn)算放大器的輸出端分別連接第一電阻的第二端，第四電阻的第一端和第五電阻的第一端，該第二運(yùn)算放大器的正相輸入端連接第四電阻的第二端，該該第二運(yùn)算放大器的輸出端分別連接第二電阻的第二端、第三電阻的第二端和第七電阻的第一端，該第五電阻的第二端分別連接第六電阻的第一端和第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，該第六電阻的第二端接地，該第七電阻的第二端分別連接第三運(yùn)算放大器的正相輸入端和第八電阻的第一端，該第八電阻的第二端分別連接第九電阻的第一端和第四運(yùn)算放大器的輸出端，該第九電阻的第二端分別連接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端和可變電阻的滑動(dòng)觸頭，該接第四運(yùn)算放大器的正相輸入端接地，該可變電阻的一端連接該第三運(yùn)算放大器的輸出端。
[0006]其中第一電阻的阻值和第二電阻的阻值相同，第三電阻的阻值和第四電阻的阻值相同，第五電阻的阻值和第七電阻的阻值相同，第六電阻的阻值和第八電阻的阻值相同。
[0007]其中第一電阻的阻值為10ΚΩ、第二電阻的阻值為10ΚΩ、第三電阻的阻值為20ΚΩ、第四電阻的阻值為20ΚΩ、第五電阻的阻值為IK Ω、第六電阻的阻值為1ΚΩ、第七電阻的阻值為1ΚΩ、第八電阻的阻值為1ΚΩ、第九電阻的阻值為1ΚΩ、可變電阻的阻值范圍為O?50 Ω。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路，其能夠克服對(duì)于待測(cè)的浮動(dòng)弱電流信號(hào)的干擾和非線性測(cè)量，能夠精確待測(cè)的采集浮動(dòng)弱電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號(hào)處理。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路的原理示意圖。
[0010]圖2是圖1所示采集放大電路中的采集電路的原理示意圖。
[0011]圖3是圖1所示采集放大電路中的放大電路的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]圖1是本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路的原理示意圖。如圖所示，該用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路包括:
[0013]第一運(yùn)算放大器0P1、第二運(yùn)算放大器0P2、第三運(yùn)算放大器0P3、第四運(yùn)算放大器0P4、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第九電阻R9、可變電阻RG，其中作為輸入信號(hào)的浮動(dòng)弱電流信號(hào)分別輸入到第一運(yùn)算放大器OPl的正相輸入端和第二運(yùn)算放大器0P2的正相輸入端，該第一運(yùn)算放大器OPl的正相輸入端連接第三電阻R3的第一端，該第一運(yùn)算放大器OPl的反相輸入端和第二運(yùn)算放大器0P2的反相輸入端相連接并且還同時(shí)連接第一電阻Rl的第一端和第二電阻R2的第一端，該第一運(yùn)算放大器OPl的輸出端分別連接第一電阻Rl的第二端，第四電阻R4的第一端和第五電阻R5的第一端，該第二運(yùn)算放大器0P2的正相輸入端連接第四電阻R4的第二端，該該第二運(yùn)算放大器0P2的輸出端分別連接第二電阻R2的第二端、第三電阻R3的第二端和第七電阻R7的第一端，該第五電阻R5的第二端分別連接第六電阻R6的第一端和第三運(yùn)算放大器0P3的反相輸入端，該第六電阻R6的第二端接地，該第七電阻R7的第二端分別連接第三運(yùn)算放大器0P3的正相輸入端和第八電阻R8的第一端，該第八電阻R8的第二端分別連接第九電阻R9的第一端和第四運(yùn)算放大器0P4的輸出端，該第九電阻R9的第二端分別連接第四運(yùn)算放大器0P4的反相輸入端和可變電阻RG的滑動(dòng)觸頭，該接第四運(yùn)算放大器0P4的正相輸入端接地，該可變電阻RG的一端連接該第三運(yùn)算放大器0P3的輸出端。
[0014]其中第一電阻Rl的阻值和第二電阻R2的阻值相同，第三電阻R3的阻值和第四電阻R4的阻值相同，第五電阻R5的阻值和第七電阻R7的阻值相同，第六電阻R6的阻值和第八電阻R8的阻值相同。
[0015]最后，該第三運(yùn)算放大器0P3的輸出端輸出與浮動(dòng)弱電流值相對(duì)應(yīng)的并且經(jīng)過(guò)線性放大的電壓信號(hào)給下一級(jí)電路，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號(hào)處理。
[0016]下面簡(jiǎn)述本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路的工作過(guò)程和原理。
[0017]整個(gè)電路的工作過(guò)程分為兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程為待測(cè)量的浮動(dòng)弱電流的采集過(guò)程，在采集電路中體現(xiàn)為將待測(cè)量的浮動(dòng)弱電流信號(hào)I (in)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V2和VI，這樣就將輸入的電流信號(hào)I (in)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V2和Vl的電壓差值；第二個(gè)過(guò)程為電壓差值A(chǔ)V=(V2-V1)的放大過(guò)程，在采集電路中體現(xiàn)為將電壓差值A(chǔ)V放大和轉(zhuǎn)化為V(out)的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了將浮動(dòng)弱電流信號(hào)的間接放大。
[0018]圖2是本發(fā)明的采集放大電路中的采集電路的原理示意圖，如圖2所示，首先將第一運(yùn)算放大器OPl和第二運(yùn)算放大器0P2分別連接負(fù)反饋回路，第一運(yùn)算放大器OPl和第二運(yùn)算放大器0P2的反相輸入端分別接收反饋電壓V (cm)，處于負(fù)反饋狀態(tài)，從而能提供虛短路和虛斷路的能力；由于虛短路特點(diǎn)，接收待測(cè)量的浮動(dòng)弱電流I(in)的第一運(yùn)算放大器OPl和第二運(yùn)算放大器0P2的同相輸入端的電壓均為V(cm)，電壓差值為O ;所以浮動(dòng)弱電流I(in)的負(fù)載阻抗為0，從而避免了采集電路對(duì)浮動(dòng)弱電流閉合回路的干擾，達(dá)到了精確采集的目的；由于虛斷路的特點(diǎn)，第一運(yùn)算放大器OPl和第二運(yùn)算放大器0P2的同相輸入端無(wú)電流流過(guò)，
[0019]V (cm) =Vl-1 (in) *R3 (I);
[0020]V (cm) =V2+I(in) *R4 (2)；
[0021]R3=R4，可以得到電壓差值Λ V=(V2_V1):
[0022](V2 - VI) =_2*R3*I (in) (3)；
[0023]通過(guò)第一運(yùn)算放大器OPl和第二運(yùn)算放大器0P2的虛短路和虛斷路特點(diǎn)，本采集電路避免了對(duì)待測(cè)的浮動(dòng)弱電流信號(hào)的干擾；通過(guò)量化分析，可以從公式(3)中看出，對(duì)浮動(dòng)弱電流信號(hào)的采集為線性采集，同時(shí)還保證了采集電路的輸出阻抗極小，近似為O ;這樣采集電路的輸出信號(hào)將完全能夠加載到后面的放大電路中。
[0024]圖3是本發(fā)明的采集放大電路中的放大電路的原理示意圖，如圖3所示，第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7和第八電阻R8構(gòu)成了差分放大的電橋。輸出電壓信號(hào)V (out)經(jīng)由第四運(yùn)算放大器0P4、可變電阻RG和第九電阻R9構(gòu)成的反相放大器，再經(jīng)由第八電阻R8反饋到第三運(yùn)算放大器0P3的同相輸入端，由此形成負(fù)反饋。
[0025]圖2中示出的Vl和V2和圖3中示出的V (out)之間的關(guān)系如下:
[0026]V (out) = (V2 - VI) *RG*R6/ (R5*R9) (4)；
[0027]從公式(4)可以看出改進(jìn)后的差分放大電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)RG的大小來(lái)線性調(diào)節(jié)增益，簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)的難度。
[0028]結(jié)合公式(3)和公式(4)可以得到:
[0029]V(out)=-2*R3*RG*R6/(R5*R9)*I(in) (4)；
[0030]綜上所述，整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮動(dòng)弱電流信號(hào)I (in)的精確采集和線性放大，最終將其轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量的電壓信號(hào)V(OUt)。
[0031]本發(fā)明所采用的各自元器件的值可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)確定，這里舉例說(shuō)明一組在實(shí)踐中使用的元器件的值，第一電阻的阻值為10ΚΩ、第二電阻的阻值為10ΚΩ、第三電阻的阻值為20ΚΩ、第四電阻的阻值為20ΚΩ、第五電阻的阻值為1ΚΩ、第六電阻的阻值為IKΩ、第七電阻的阻值為IKΩ、第八電阻的阻值為IKΩ、第九電阻的阻值為IKΩ、可變電阻的阻值范圍為O?50Ω。
[0032]由此可知，將舉例給出的已知電阻值代入公式(4)，可以得到:
[0033]V (out) = (_40*RG) *1 (in)；
[0034]因此放大倍數(shù)A為:IAI =40*RG ；
[0035]可變電阻RG取值為O?50 Ω時(shí)，放大倍數(shù)A的取值范圍為:0?2000。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路，其能夠克服對(duì)于待測(cè)的浮動(dòng)弱電流信號(hào)的干擾和非線性測(cè)量，能夠精確待測(cè)的采集浮動(dòng)弱電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號(hào)處理。
【權(quán)利要求】
1.一種用于浮動(dòng)弱電流的采集放大電路，其包括: 第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第三運(yùn)算放大器、第四運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第九電阻、可變電阻，其中浮動(dòng)弱電流分別輸入到第一運(yùn)算放大器的正相輸入端和第二運(yùn)算放大器的正相輸入端，該第一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接第三電阻的第一端，該第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和第二運(yùn)算放大器的反相輸入端相連接并且還同時(shí)連接第一電阻的第一端和第二電阻的第一端，該第一運(yùn)算放大器的輸出端分別連接第一電阻的第二端，第四電阻的第一端和第五電阻的第一端，該第二運(yùn)算放大器的正相輸入端連接第四電阻的第二端，該該第二運(yùn)算放大器的輸出端分別連接第二電阻的第二端、第三電阻的第二端和第七電阻的第一端，該第五電阻的第二端分別連接第六電阻的第一端和第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，該第六電阻的第二端接地，該第七電阻的第二端分別連接第三運(yùn)算放大器的正相輸入端和第八電阻的第一端，該第八電阻的第二端分別連接第九電阻的第一端和第四運(yùn)算放大器的輸出端，該第九電阻的第二端分別連接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端和可變電阻的滑動(dòng)觸頭，該接第四運(yùn)算放大器的正相輸入端接地，該可變電阻的一端連接該第三運(yùn)算放大器的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采集放大電路，其中第一電阻的阻值和第二電阻的阻值相同，第三電阻的阻值和第四電阻的阻值相同，第五電阻的阻值和第七電阻的阻值相同，第六電阻的阻值和第八電阻的阻值相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采集放大電路，其中第一電阻的阻值為10ΚΩ、第二電阻的阻值為IOK Ω、第三電阻的阻值為20ΚΩ、第四電阻的阻值為20ΚΩ、第五電阻的阻值為IK Ω、第六電阻的阻值為1ΚΩ、第七電阻的阻值為1ΚΩ、第八電阻的阻值為1ΚΩ、第九電阻的阻值為IK Ω、可變電阻的阻值范圍為O?50 Ω。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK103760406SQ201410052026
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】呂玉祥, 楊建新, 焦再?gòu)?qiáng), 趙飛, 劉喆頡 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)