1
SDUT
数据采集与处理
4.1 概述
4.2 测量放大器的电路原理
4.3 测量放大器的主要技术指标
第 4章 测量放大器
4.4 测量放大器集成芯片
4.5 测量放大器的使用
2
SDUT
数据采集与处理
4.1 概述
第 4章 测量放大器
问题,在数据采集中,经常会遇到一些微
弱的微伏级信号，例如热电偶的输
出信号，需要用放大器加以放大。
放大器类型
通用运算放大器
测量放大器
3
SDUT
数据采集与处理
4.1 概 述
通用运算放大器：
具有 mV级失调电压、数 μ V/℃ 的
温飘，不能用于放大 微弱信号。特点
那么选择何种放大器来放大微弱信号？
目前市场上的放大器有以下特点。
测量放大器：
具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗
共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛
用于放大 微弱信号。
4
SDUT
数据采集与处理
第 4章 测量放大器
4.2 测量放大器的电路原理
电路原理如图 4.1所示 。
5
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
有两级运放
第一级,两个同相放大器 A1,A2
输入阻抗高。
第二级,普通差动放大器 A3
Ui1
Ui2
+
-
A1
-
+
A2
RG
R1
R2
R3
+
+
A3
R4
UO
U3
U4
R5
R6
图 4.1 测量放大器原理电路
IG
6
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
两个技术问题：
测量放大器的增益
)64()21(
3
51
21
0 ????
?
?
R
R
R
R
UU
UK
Gii
由上式可知，调节外接电阻的大小，
可以改变测量放大器的增益。
7
SDUT
数据采集与处理
抗共模干扰能力
⑴ 对直流共模信号，其抑制比为无穷大 。
⑵ 对交流共模信号，由于输入信号的传
输线存在线阻 Ri1,Ri2和分布电容 C1、
C2,Ri1 C1, Ri2 C2分别对地构成回
路。
4.2 测量放大器的电路原理
如图 4.2所示 。
8
SDUT
数据采集与处理
输入信号
的共模分
量传给屏
蔽体 输入保护电路
4.2 测量放大器的电路原理
当 Ri1 C1≠ Ri2 C2时, 交流共模信号在两运
放输入端产生分压 Ui1′,Ui2′, Ui1 ≠ Ui2，
所以 IG ≠0, 对输入信号产生干扰 。
Ui1 Ri1
Ui2
Ri2
R3
R1
R4
A3-
+
R6R2
UO
R5
RG
R2′
R1′
图 4.2 交流共模干扰影响及抑制方法
A4 +-
A1+-
A2-+
C1
C2
抑制交流共模信号干扰措施：
在其输入端接一个输入保护电路，
并将信号线屏蔽。
当 1′ = R2 ′时, 由于屏蔽层和信号线间
对交流共模信号是等电位的，故 C1, C2 的分
压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。
9
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
4.3 测量放大器的主要技术指标
1,非线性度
非线性度 —— 放大器实际输出输入关
系曲线与理想直线的偏
差。
非线性度与增益有关，且对数据采集
精度影响很大 。
10
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
12位 A／ D
转换器
增益为 1,非线性偏差为 0.025%
增益为 500,非线性偏差为 0.1%
结果,相当于把 12位 A/D转换器变成 10位
以下的转换器。
结论,一定要选择非线性度偏差小于
0.024%的放大器 。
11
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
2,温漂
温漂 —— 测量放大器输出电压随温度
变化的程度。
例如, 一个温漂 2?V/℃ 的测量放大器,
当增益为 1000时, 测量放大器的
输出电压产生约 20mV的变化 。
这个数字相当于 12位 A／ D转换
器在满量程为 10V的 8个 LSB值 。
12
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
应尽量选择温漂小的测量放大器。
3,建立时间
建立时间 —— 指从阶跃信号驱动瞬间至
测量放大器输出电压达到
并保持在给定误差范围
内所需的时间。
13
SDUT
数据采集与处理
放大器输出电压
4.2 测量放大器的电路原理
t
U
t
U
驱动信号
建立时间
误差上偏差
误差下偏差
当增益 >200时, 为达到误差范围 0.01%，
往往要求建立时间为 50?s ～ 100?s。
14
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
4,恢复时间
恢复时间 —— 指放大器撤除驱动信号瞬
间至放大器由饱和状态恢
复到最终值所需的时间。
放大器的建立时间和恢复时间直接影
响数据采集系统的采样速率。
15
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
5,电源引起的失调
电源引起的失调 —— 电源电压每变化 1%，
引起放大器的漂移
电压值。
该指标则是设计系统稳压电源的主
要依据之一。
16
SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
6,共模抑制比
共模抑制比 CMRR 可用下式计算,
CM R R
U
U
? 20 l og cm
in
17
SDUT
数据采集与处理
第 4章 测量放大器
4.4 测量放大器集成芯片
1,AD521
AD521是集成测量放大器，采用 14
脚双列直插式封装。
18
SDUT
数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
AD521基本连接如图 4.4所示 。
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
A D
5 2 1
+ I N
- I N
O F F S E T
U-
O F F S E T
O U T P U T
R G
R S
S E N S E
R E F
C O M P
U+
R S
R G
图4, 3 A D 5 2 1 引脚功能
19
SDUT
数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
引脚 4,6用于
调整放大器零
点，将 4,6
端接到 10 KΩ
电位器的两个
固定端 ;
1
2
3
45
6
7
8
10
11
12
1314
+IN
-IN
RG
10KΩ
U-
UOUT
RS
100KΩ
U+
图 4.4 AD521基本连接方法
电位器滑动端
接负电源 U-
（ 脚 5）。
引脚 10,13用
于外接电阻 RS，
用于对放大倍
数进行微调。
当 RS = 100 kΩ
± 15%时, 可
以得到比较稳
定的放大倍数。
20
SDUT
数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
引脚 2,14 用于外接电阻 RG，用于
调整放大倍数。
测量放大器的放大倍数按如下公式计算：
G
U
U
R
R
? ?OUT
IN
S
G
其放大倍数可在 1～ 1000的范围内调整 。
AD521的技术指标见表 4.1。
21
SDUT
数据采集与处理
第 4章 测量放大器
4.5 测量放大器的使用
1.AD521芯片的使用示例
AD521与变压器信号,热电偶信号
和交流耦合信号的连接如图 4.7所示 。
22
SDUT
数据采集与处理
4.5 测量放大器的使用 负
载
1
3
12
7
11
A D 5 2 1~
R
C
C
( C )
负
载
R S
1
3
12
7
11
A D 5 2 1
( b )
R S
负
载
1
3
12
7
11
A D 5 2 1
( a )
R GR G
R S
R G
图4, 7 使用A D 5 2 1 的电路
a) 热电耦直接相连 ； (b) 变压器相连 ； (c) 交流信号通过电容相连
注意,在使用 AD521等测量放大器时, 要
特别注意为偏置电流提供回路。
问题,如果没有回路，偏置电流就会对杂
散电容充电，使输出电压漂移得不
可控制。
解决方法：
AD521输入端 1或 3 直接或通过电阻
与电源的地线构成回路。
偏置电流回路 偏置电流回路
偏置电流回路
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数据采集与处理
4.1 概述
4.2 测量放大器的电路原理
4.3 测量放大器的主要技术指标
第 4章 测量放大器
4.4 测量放大器集成芯片
4.5 测量放大器的使用
2
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数据采集与处理
4.1 概述
第 4章 测量放大器
问题,在数据采集中,经常会遇到一些微
弱的微伏级信号，例如热电偶的输
出信号，需要用放大器加以放大。
放大器类型
通用运算放大器
测量放大器
3
SDUT
数据采集与处理
4.1 概 述
通用运算放大器：
具有 mV级失调电压、数 μ V/℃ 的
温飘，不能用于放大 微弱信号。特点
那么选择何种放大器来放大微弱信号？
目前市场上的放大器有以下特点。
测量放大器：
具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗
共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛
用于放大 微弱信号。
4
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数据采集与处理
第 4章 测量放大器
4.2 测量放大器的电路原理
电路原理如图 4.1所示 。
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SDUT
数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
有两级运放
第一级,两个同相放大器 A1,A2
输入阻抗高。
第二级,普通差动放大器 A3
Ui1
Ui2
+
-
A1
-
+
A2
RG
R1
R2
R3
+
+
A3
R4
UO
U3
U4
R5
R6
图 4.1 测量放大器原理电路
IG
6
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
两个技术问题：
测量放大器的增益
)64()21(
3
51
21
0 ????
?
?
R
R
R
R
UU
UK
Gii
由上式可知，调节外接电阻的大小，
可以改变测量放大器的增益。
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数据采集与处理
抗共模干扰能力
⑴ 对直流共模信号，其抑制比为无穷大 。
⑵ 对交流共模信号，由于输入信号的传
输线存在线阻 Ri1,Ri2和分布电容 C1、
C2,Ri1 C1, Ri2 C2分别对地构成回
路。
4.2 测量放大器的电路原理
如图 4.2所示 。
8
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数据采集与处理
输入信号
的共模分
量传给屏
蔽体 输入保护电路
4.2 测量放大器的电路原理
当 Ri1 C1≠ Ri2 C2时, 交流共模信号在两运
放输入端产生分压 Ui1′,Ui2′, Ui1 ≠ Ui2，
所以 IG ≠0, 对输入信号产生干扰 。
Ui1 Ri1
Ui2
Ri2
R3
R1
R4
A3-
+
R6R2
UO
R5
RG
R2′
R1′
图 4.2 交流共模干扰影响及抑制方法
A4 +-
A1+-
A2-+
C1
C2
抑制交流共模信号干扰措施：
在其输入端接一个输入保护电路，
并将信号线屏蔽。
当 1′ = R2 ′时, 由于屏蔽层和信号线间
对交流共模信号是等电位的，故 C1, C2 的分
压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。
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4.2 测量放大器的电路原理
4.3 测量放大器的主要技术指标
1,非线性度
非线性度 —— 放大器实际输出输入关
系曲线与理想直线的偏
差。
非线性度与增益有关，且对数据采集
精度影响很大 。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
12位 A／ D
转换器
增益为 1,非线性偏差为 0.025%
增益为 500,非线性偏差为 0.1%
结果,相当于把 12位 A/D转换器变成 10位
以下的转换器。
结论,一定要选择非线性度偏差小于
0.024%的放大器 。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
2,温漂
温漂 —— 测量放大器输出电压随温度
变化的程度。
例如, 一个温漂 2?V/℃ 的测量放大器,
当增益为 1000时, 测量放大器的
输出电压产生约 20mV的变化 。
这个数字相当于 12位 A／ D转换
器在满量程为 10V的 8个 LSB值 。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
应尽量选择温漂小的测量放大器。
3,建立时间
建立时间 —— 指从阶跃信号驱动瞬间至
测量放大器输出电压达到
并保持在给定误差范围
内所需的时间。
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数据采集与处理
放大器输出电压
4.2 测量放大器的电路原理
t
U
t
U
驱动信号
建立时间
误差上偏差
误差下偏差
当增益 >200时, 为达到误差范围 0.01%，
往往要求建立时间为 50?s ～ 100?s。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
4,恢复时间
恢复时间 —— 指放大器撤除驱动信号瞬
间至放大器由饱和状态恢
复到最终值所需的时间。
放大器的建立时间和恢复时间直接影
响数据采集系统的采样速率。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
5,电源引起的失调
电源引起的失调 —— 电源电压每变化 1%，
引起放大器的漂移
电压值。
该指标则是设计系统稳压电源的主
要依据之一。
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数据采集与处理
4.2 测量放大器的电路原理
6,共模抑制比
共模抑制比 CMRR 可用下式计算,
CM R R
U
U
? 20 l og cm
in
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第 4章 测量放大器
4.4 测量放大器集成芯片
1,AD521
AD521是集成测量放大器，采用 14
脚双列直插式封装。
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数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
AD521基本连接如图 4.4所示 。
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+ I N
- I N
O F F S E T
U-
O F F S E T
O U T P U T
R G
R S
S E N S E
R E F
C O M P
U+
R S
R G
图4, 3 A D 5 2 1 引脚功能
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数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
引脚 4,6用于
调整放大器零
点，将 4,6
端接到 10 KΩ
电位器的两个
固定端 ;
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2
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6
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+IN
-IN
RG
10KΩ
U-
UOUT
RS
100KΩ
U+
图 4.4 AD521基本连接方法
电位器滑动端
接负电源 U-
（ 脚 5）。
引脚 10,13用
于外接电阻 RS，
用于对放大倍
数进行微调。
当 RS = 100 kΩ
± 15%时, 可
以得到比较稳
定的放大倍数。
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SDUT
数据采集与处理
4.4 测量放大器集成芯片
引脚 2,14 用于外接电阻 RG，用于
调整放大倍数。
测量放大器的放大倍数按如下公式计算：
G
U
U
R
R
? ?OUT
IN
S
G
其放大倍数可在 1～ 1000的范围内调整 。
AD521的技术指标见表 4.1。
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SDUT
数据采集与处理
第 4章 测量放大器
4.5 测量放大器的使用
1.AD521芯片的使用示例
AD521与变压器信号,热电偶信号
和交流耦合信号的连接如图 4.7所示 。
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SDUT
数据采集与处理
4.5 测量放大器的使用 负
载
1
3
12
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A D 5 2 1~
R
C
C
( C )
负
载
R S
1
3
12
7
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A D 5 2 1
( b )
R S
负
载
1
3
12
7
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A D 5 2 1
( a )
R GR G
R S
R G
图4, 7 使用A D 5 2 1 的电路
a) 热电耦直接相连 ； (b) 变压器相连 ； (c) 交流信号通过电容相连
注意,在使用 AD521等测量放大器时, 要
特别注意为偏置电流提供回路。
问题,如果没有回路，偏置电流就会对杂
散电容充电，使输出电压漂移得不
可控制。
解决方法：
AD521输入端 1或 3 直接或通过电阻
与电源的地线构成回路。
偏置电流回路 偏置电流回路
偏置电流回路
