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用于浮動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)成用于采集浮動弱電流并將其轉(zhuǎn)換電壓信號的采集電路，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)換成的電壓信號線性放大的放大電路。根據(jù)本發(fā)明的用于浮動弱電流的采集放大電路能夠精確待測的采集浮動弱電流信號并將其轉(zhuǎn)換電壓信號和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號處理。
【專利說明】用于浮動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，涉及一種用于浮動弱電流的采集放大電路。
【背景技術(shù)】
[0002]浮動電流一般產(chǎn)生于傳感器內(nèi)部、儀器儀表輸出等。通常情況下，這些浮動電流的數(shù)量值都比較微弱，所以稱其為浮動弱電流。這種電流的電路模型可表示為一個電流源。為了在模型上體現(xiàn)實際電流信號的特點(diǎn)，將該電流源的模型限制如下:數(shù)值較小且可變。電流信號必須在閉合環(huán)路中才能產(chǎn)生，如果要測量其大小，那么必然要將該電流閉合到測量電路中。這樣就會產(chǎn)生一個問題:測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電路信號的環(huán)路中，這樣就會減弱待測的電流信號。如果測量電路的輸入阻抗受電流信號變化的影響，那么測量值不但存在一定的誤差，而且會呈現(xiàn)出非線性特點(diǎn)。若再將其放大處理，則會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的失真。
[0003]目前，采集和放大浮動弱電流信號已有多種方案，但是這些方案主要存在如下缺點(diǎn):1、采集過程影響了待測電流信號的大?。?、放大過程影響了測量值的線性度。以上兩個缺點(diǎn)導(dǎo)致了測量結(jié)果存在一定的失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于浮動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)明的用于浮動弱電流的采集放大電路，其能夠克服對于待測的浮動弱電流信號的干擾和非線性測量，能夠精確待測的采集浮動弱電流信號并將其轉(zhuǎn)換電壓信號和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的用于浮動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。
【具體實施方式】
[0012]圖1是本發(fā)明的用于浮動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，其中作為輸入信號的浮動弱電流信號分別輸入到第一運(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弱電流值相對應(yīng)的并且經(jīng)過線性放大的電壓信號給下一級電路，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號處理。
[0016]下面簡述本發(fā)明的用于浮動弱電流的采集放大電路的工作過程和原理。
[0017]整個電路的工作過程分為兩個過程，第一個過程為待測量的浮動弱電流的采集過程，在采集電路中體現(xiàn)為將待測量的浮動弱電流信號I (in)轉(zhuǎn)化為電壓信號V2和VI，這樣就將輸入的電流信號I (in)轉(zhuǎn)化為電壓信號V2和Vl的電壓差值；第二個過程為電壓差值A(chǔ)V=(V2-V1)的放大過程，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)的過程，從而實現(xiàn)了將浮動弱電流信號的間接放大。
[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)，接收待測量的浮動弱電流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 ;所以浮動弱電流I(in)的負(fù)載阻抗為0，從而避免了采集電路對浮動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的同相輸入端無電流流過，
[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待測的浮動弱電流信號的干擾；通過量化分析，可以從公式(3)中看出，對浮動弱電流信號的采集為線性采集，同時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，可以通過調(diào)節(jié)RG的大小來線性調(diào)節(jié)增益，簡化了調(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，整個電路實現(xiàn)了對浮動弱電流信號I (in)的精確采集和線性放大，最終將其轉(zhuǎn)化為便于測量的電壓信號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)用來確定，這里舉例說明一組在實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，放大倍數(shù)A的取值范圍為:0?2000。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的用于浮動弱電流的采集放大電路，其能夠克服對于待測的浮動弱電流信號的干擾和非線性測量，能夠精確待測的采集浮動弱電流信號并將其轉(zhuǎn)換電壓信號和線性放大，以便于后續(xù)進(jìn)一步的信號處理。
【權(quán)利要求】
1.一種用于浮動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】G01R19/00GK103760406SQ201410052026
【公開日】2014年4月30日 申請日期: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, 焦再強(qiáng), 趙飛, 劉喆頡 申請人:太原理工大學(xué)