CN101359001B - 放大信号的方法和装置以及使用该方法和装置的测试设备 - Google Patents

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Abstract

万用表中的放大器电路用来放大施加于一对测试端子之间的信号。通过被配置为电压跟随器的第一运算放大器来放大施加于测试端子之一的电压。第一运算放大器的输出端作用到被配置为积分器的第二运算放大器的反相输入端。第二运算放大器的输出端连接到其它的测试端子上。在第二运算放大器的输出端产生的电压提供了施加于第一和第二测试端子上的电压的幅值和极性的指示。

Description

放大信号的方法和装置以及使用该方法和装置的测试设备
技术领域
本发明主要涉及可增加电压幅值的放大器，更具体地，涉及一种具有高输入阻抗、高带宽和高信噪比的放大器及方法。
背景技术
普遍使用测量各种电参数(例如电压、电流和阻抗)的设备。典型的例子是万用表，其主要可测量AC或直流(“DC”)电压和电流及阻抗。典型的万用表包括一组测试线，该测试线可连接到一对测试点。测试线耦合到内部放大器，其可驱动电路以提供信息到读出设备例如模拟仪表或数字显示器上。图1显示了典型的放大器电路10。该放大器电路10包括运算放大器12，运算放大器12的非反相(non-inverting)输入端接地。运算放大器12的反相输入端形成求和结点(summing junction)，其通过输入电阻器18连接到万用表的一个输入端子14，并通过反馈电阻器20连接到运算放大器12的输出端。另一个输入端子24接地。正如本领域所公知的那样，通过反馈电阻器20与输入电阻器18的阻抗之比来设置放大器12的增益。
通常需要万用表具有非常高高的输入阻抗。为此，输入电阻器18一般具有非常高的阻抗，例如1MΩ。反馈电阻器20的阻抗一般会低得多，例如10KΩ。因此，放大器12的增益比较低。使用给出的例子(1MΩ的输入电阻器18和10KΩ的反馈电阻器20)，放大器12的增益为0.01。
放大器12的输出端随后施加于高增益放大器30上。放大器12的低增益衰减了待测量的信号。然而，令人遗憾的是，其并未显著衰减可能存在于信号中或万用表中的噪声。因此，当高增益放大器30增强放大器12的输出时，测量信号的信噪比会非常低。
图2显示了通常用于万用表中的另一个“前端”放大器电路40。该电路40也使用了运算放大器44，该运算放大器44被配置为电压跟随器，其输出端连接到放大器44的反相输入端。将待测量信号通过电阻器46施加于放大器44的非反相输入端上。放大器44在它的反相和非反相输入端之间具有非常高的输入阻抗。但是，为了将输入阻抗固定为恒定、可控制的值，在输入端子14和地之间会使用输入电阻器48。输入电阻器48可具有高阻抗值，例如1MΩ。令人遗憾的是，放大器44的寄生电容和输入电容(皆由电容C表示)与电阻器46一起形成了低通滤波器。这个低通滤波器会限制放大器电路40的AC响应。虽然电路40仍可用于测量DC信号的电压和电流，但是低通滤波器会导致AC信号的测量错误，特别是在AC信号具有高频的情况下。
因此，需要一种以如下方式对待测量信号进行放大的电路：其可导致高信噪比、高且稳定的输入阻抗和良好的高频性能。
发明内容
一种对施加于第一和第二输入端子之间的信号进行放大的装置和方法，包括：提供输出电压的输出电压发生器，该输出电压的幅值与施加于第一输入端子上的电压相等。该输出电压发生器所提供的输出电压的极性与施加于第一输入端子上的以固定电压为参考的电压的极性相反。该输出电压发生器提供输出电压到第二输入端子。该输出电压发生器可为负积分驱动电路，该负积分驱动电路具有与第一测试端子相耦合的第一输入端、与固定电压相耦合的第二输入端、以及与第二测试端子相耦合的输出端。负积分驱动电路可被操作为对施加于第一测试端子上的电压进行积分。由负积分驱动电路所完成的积分的极性与施加于第一测试端子上的电压的极性相反。
附图说明
图1是在测试和测量设备中通常使用的现有技术的放大器电路的一个实施例；
图2是在测试和测量设备中通常使用的现有技术的放大器电路的另一个实施例；
图3是根据本发明一个实施例的放大器电路的实施例；
图4是根据本发明另一个实施例的放大器电路的实施例；
图5是显示了测量AC电压的万用表的平面图，该万用表使用了图3或图4的放大器电路，或使用了根据本发明一些其它实施例的放大器电路。
具体实施方式
图3中显示了根据本发明一个实施例的放大器电路50。该放大器电路50包括具有一对输入端子52、53的负积分驱动电路(negative integratingdriver circuit)51。输入端子的其中之一52连接到第一测试端子54上，而另一输入端子53接地。将待测量的输入电压VIN施加于第一测试端子54和第二测试端子56之间。负积分驱动电路51的输出端连接到第二测试端子56和第一输出端子58上。第二输出端子59接地。产生于端子58、59之间的输出电压VOUT提供了施加于测试端子54、56上的电压VIN的幅值指示。负积分驱动电路51对施加于测试端子54、56之间的输入电压VIN关于时间进行积分，其极性与输入电压VIN的极性相反。例如，如果输入电压VIN为恒定的+5伏，则负积分驱动电路51的输出将会以恒定的速率进行负增长。
放大器电路50具有如下不常见的特性：将电路(即负积分驱动电路51)的输出端连接到输入端子(即测试端子56)。在操作中，假设端子56处的以地为参考的电压初始为0伏。端子54处的以地为参考的电压因此等于施加于测试端子54、56之间的电压VIN。该电压施加于负积分驱动电路51上，而负积分驱动电路51对该电压进行负积分。最终，负积分驱动电路51的输出端处的电压等于-VIN，即，在端子54、56之间的电压VIN的负数。在这一点上，第一测试端子54的电压将会为0伏，该电压被施加于负积分驱动电路51的输入端上。负积分驱动电路51因此停止积分以维持测试端子56处的电压为端子54、56之间的电压VIN的负数。在端子58、59之间取得的输出电压VOUT因而具有与被测电压VIN相反的值。例如，如果+5伏电压被施加于端子54、56之间，则负积分驱动电路51的输出端将会为-5伏。在这一点上，端子54处的以地为参考的电压将会为0伏。结果，负积分驱动电路51将会停止进一步积分，从而输出端子58、59之间的电压VOUT将会维持在-5伏。负积分驱动电路51可具有积分时间常数，该积分时间常数足够的短以提供给放大器电路充足的高频响应。因而，在负积分驱动电路51的频率响应内的施加于测试端子54、56之间的电压改变不会导致在输入端子54、56之间的任何电流。因此，只要输入端子54或56与地之间是完全隔离的，输入端子54、56上的低频输入阻抗(即，de(t)/di(t))实际是无限的。
图4显示了根据本发明另一个实施例的放大器电路60。该放大器电路60包括负积分驱动电路62，该负积分驱动电路62包括运算放大器64，通过将该运算放大器64的输出端耦合到其反相输入端来将其配置为电压跟随器。放大器64的非反相输入端通过电阻器70连接到第一测试端子66上，电阻器70可具有100K或其他任何合适的值。放大器64的输出端通过电阻器74连接到另一个运算放大器80的反相输入端。该放大器80具有接地的非反相输入端，及通过电容器84连接到其输出端的反相输入端，从而其用作反相积分器。通过电阻器74的阻抗和电容器84的电容量的乘积来设置积分时间常数。在一个实施例中，电阻器74具有200欧姆的阻抗，电容器具有100皮法的电容量，但也可以使用其他值。通过使用运算放大器64作为电压跟随器，放大器80的积分时间能够与电阻器74的通常较低的阻抗而不是电阻器70的通常较高的阻抗成比例。放大器80的输出端连接到第二测试端子88上。待测电压VIN施加于端子66、88之间。电阻器90连接到测试端子66、88之间，以设置放大器电路60的输入阻抗。在一个实施例中，电阻器90的阻抗为1MΩ，但也可使用其他阻值。同样，可以省略电阻器90以提供的实际无限的低频输入阻抗。从放大器80的输出端得到放大器电路60的第一输出端子94，且第二输出端子96接地。在端子94、96之间产生输出电压VOUT。
在操作中，施加于测试端子66、88之间的电压VIN再一次施加到放大器80上。放大器80随后对该电压进行负积分。最终，放大器80输出端处的以地为参考的电压与端子66，88之间的电压VIN相等。在这一点上，第一测试端子66处的以地为参考的电压将会为0伏，其被施加于放大器80的输出端上。放大器80因此停止积分，以将放大器80的输出端处的电压保持为在端子之间测量的任何电压VIN的负数。在端子94、96之间取得的输出电压VOUT因而具有与被测的电压VIN相反的值。例如，如果将+5伏施加于端子66、88之间，则放大器64的输出端将会为5伏。放大器80随后开始进行负积分，从而在放大器80输出端处的电压进行负增长，因此在测试端子66处的电压朝0伏方向相对应地减小。当积分已经进行到放大器80输出端为-5伏的点时，在端子66处的电压将会为0伏。在这一点上，放大器64将0伏电压施加于放大器80上，其将随后停止进一步的积分，从而在输出端子94、96之间的以地为参考的电压VOUT将维持在-5伏。如果测试端子66、88突然短路，则-5伏的电压将会被施加到放大器64上，这将使得放大器80朝0伏方向进行正积分。当放大器80的输出端到达0伏时，积分将会停止。通过选择合适的电阻器74和电容器84的值，积分时间可充分的短以使得放大器电路60的高频响应充足。
图5显示的万用表100中使用了放大器50或60或者根据本发明一些其他实施例的放大器电路。该万用表100包括数字显示器104、手动可操作的按钮106、和可旋转的模式选择器开关108，其显示在测量AC电压的位置中。尽管万用表100使用了数字显示器104，但是可以理解的是，其也可以使用其他类型的显示器，例如模拟仪表(未显示)。同样，显而易见地，也可以使用除按钮106及选择器开关108之外的其他控制器。一对测试线110、112具有插头116、118，所述插头116、118被插入到相应的插孔120、122中。插头118被插入到插孔122中以测量AC或DC电压，而其被插入另外一对插孔124、126中的一个来相应测量电流或阻抗。对于所有测量，插头116都被插入到插孔120中。通过相应的测试探针130、132，测试线110、112连接到相应的导线136、138的形式的相应的测试点上。插孔120连接到负积分驱动电路140的输出端子，负积分驱动电路140可以为负积分驱动电路51或62，或者根据本发明另一个实施例的负积分驱动电路。插孔122连接到负积分驱动电路140的输入端。负积分驱动电路140的输出端连接到合适的处理电路144，其提供信号到显示器104来提供电压指示。
从上文中可以看出，尽管出于说明的目的在本文中描述了本发明的具体实施例，但可以对这些具体的实施例进行各种各样的修改而不偏离本发明的精神和范围。例如，可以省略运算放大器64，从而测试端子66通过电阻器70或74中的一个直接施加于放大器80上。对于本领域技术人员来说，其他的变化也是显而易见的。因此，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种用于放大待测量信号的放大器电路，包括：
第一测试端子；
第二测试端子；其中，所述待测量信号被施加在所述第一测试端子与第二测试端子之间；
第一输出端子；
第二输出端子，其耦合到第一固定电压；以及
输出电压发生器，其具有与所述第一测试端子相耦合的第一输入端、与第二固定电压相耦合的第二输入端、以及输出端，所述输出端耦合到所述第二测试端子和所述第一输出端子，其中，所述输出电压发生器接收被施加给所述第一输入端的信号并产生输出电压，所述输出电压通过所述输出端被施加给所述第二测试端子和第一输出端子，所述输出电压的幅值等于施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述第二固定电压为参考的电压，并且所述输出电压的极性与施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述第二固定电压为参考的电压的极性相反。
2.如权利要求1所述的放大器电路，还包括耦合在所述第一测试端子和所述第二测试端子之间的输入电阻器。
3.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述第一固定电压的幅值等于所述第二固定电压的幅值。
4.如权利要求3所述的放大器电路，其中，所述第一固定电压和所述第二固定电压是0伏。
5.如权利要求1所述的放大器电路，其中，所述输出电压发生器包括负积分驱动电路，所述负积分驱动电路具有与所述第一测试端子相耦合的第一输入端、与所述第二固定电压相耦合的第二输入端、以及与所述第二测试端子和所述第一输出端子相耦合的输出端，其中，所述负积分驱动电路被配置为对施加于所述第一测试端子上的以所述第二固定电压为参考的电压进行积分，所述积分的极性与施加于所述第一测试端子上的以所述第二固定电压为参考的电压的极性相反，所述负积分驱动电路提供指示所述积分的输出电压到所述负积分驱动电路的输出端。
6.如权利要求5所述的放大器电路，其中，所述负积分驱动电路包括：
具有增益的放大器，所述放大器具有与所述第一测试端子相耦合的第一输入端、输出端、以及与所述输出端相耦合的第二输入端；以及
积分器，其具有与所述放大器的输出端相耦合的输入端、以及与所述第一输出端子和所述第二测试端子相耦合的输出端，其中，所述积分器被配置为对从所述放大器的输出端接收的电压进行积分，以提供输出电压到所述第一输出端子和所述第二测试端子，所述积分器的积分极性与所述放大器的增益极性相反。
7.如权利要求6所述的放大器电路，其中，所述放大器具有单位增益。
8.如权利要求7所述的放大器电路，其中，所述放大器包括运算放大器，所述运算放大器具有与所述运算放大器的输出端相连接的反相输入端、以及与所述第一测试端子相耦合的非反相输入端。
9.如权利要求8所述的放大器电路，其中，所述放大器还包括连接在所述运算放大器的非反相输入端和第一测试端子之间的电阻器。
10.如权利要求6所述的放大器电路，其中，所述积分器包括：
运算放大器，其具有反相输入端、非反相输入端、以及输出端，所述运算放大器的输出端耦合到所述第一输出端子和所述第二测试端子；
电阻器，其耦合在所述运算放大器的反相输入端和所述放大器的输出端之间；和
电容器，其耦合在所述运算放大器的反相输入端和所述运算放大器的输出端之间。
11.一种用于测量信号的测试设备，包括：
第一测试线；
第二测试线；其中，由所述测试设备测量的信号被施加于所述第一和第二测试线之间；
输出电压发生器，其具有与所述第一测试线相耦合的第一输入端、与第一固定电压相耦合的第二输入端、以及与所述第二测试线相耦合的输出端，其中，所述输出电压发生器接收被施加给所述第一输入端的信号并产生输出电压，所述输出电压通过所述输出端被施加给所述第二测试线，所述输出电压的幅值等于施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述第一固定电压为参考的电压，并且所述输出电压的极性与施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述第一固定电压为参考的电压的极性相反；
选择器，其可被操作为控制所述测试设备的操作；
处理电路，其耦合到所述输出电压发生器的输出端和所述选择器，所述处理电路可被操作为提供指示所述输出电压发生器的输出端的电压的输出信号；以及
显示器，其被耦合以从所述处理电路接收所述输出信号，并且所述显示器可被操作为提供指示施加于所述第一和第二测试线之间的电压的幅值的可视显示。
12.如权利要求11所述的测试设备，还包括耦合在所述第一测试线和所述第二测试线之间的输入电阻器。
13.如权利要求11所述的测试设备，其中，所述输出电压发生器包括负积分驱动电路，所述负积分驱动电路具有与所述第一测试线相耦合的第一输入端、与所述第一固定电压相耦合的第二输入端、以及与所述第二测试线相耦合的输出端，所述负积分驱动电路被配置为对施加于所述第一测试线上的以所述第一固定电压为参考的电压进行积分，所述积分的极性与施加于所述第一测试端子上的以所述第一固定电压为参考的电压的极性相反，所述负积分驱动电路提供指示所述积分的输出电压到所述输出端。
14.如权利要求13所述的测试设备，其中，所述负积分驱动电路包括：
具有增益的放大器，所述放大器具有与所述第一测试线相耦合的第一输入端、输出端、以及与所述输出端相耦合的第二输入端；以及
积分器，其具有与所述放大器的输出端相耦合的输入端、以及与所述第二测试线相耦合的输出端，所述积分器被配置为对从所述放大器接收的电压进行积分，以提供输出电压到所述第二测试线，所述积分器的积分极性与所述放大器的增益极性相反。
15.如权利要求14所述的测试设备，其中，所述放大器包括运算放大器，所述运算放大器具有与所述运算放大器的输出端相连接的反相输入端、以及与所述第一测试线相耦合的非反相输入端。
16.如权利要求14所述的测试设备，其中，所述积分器包括：
运算放大器，其具有反相输入端、与固定电压相耦合的非反相输入端、以及与所述第二测试线相耦合的输出端；
电阻器，其耦合在所述运算放大器的反相输入端和所述放大器的输出端之间；以及
电容器，其耦合在所述运算放大器的输出端和所述反相输入端之间。
17.一种对待测量信号进行放大的方法，所述方法包括：
接收在第一和第二测试端子之间的待测量信号；
将所接收的信号施加给输出电压发生器的第一输入端，其中所述输出电压发生器具有耦合到固定电压的第二输入端；
从所述输出电压发生器产生输出电压，其中，所述输出电压的幅值等于施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述固定电压为参考的信号之电压，并且所述输出电压的极性与施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述固定电压为参考的信号之电压的极性相反；以及
施加所述输出电压到所述第二测试端子、以及输出端上。
18.如权利要求17所述的方法，其中，产生所述输出电压的动作包括在时间上对中间电压进行积分，所述中间电压的幅值由施加于所述第一测试端子的以所述固定电压为参考的信号之电压的幅值来确定。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述中间电压的幅值等于施加于所述输出电压发生器的第一输入端上的以所述固定电压为参考的信号之电压的幅值。
20.如权利要求17所述的方法，其中，产生输出电压的动作包括产生具有如下特征的输出电压：所述输出电压的幅值等于施加于所述第一测试端子上的以所述固定电压为参考的信号的频率分量之电压，所述频率分量低于预定的频率极限。
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