CN103760406B - 用于浮动弱电流的采集放大电路 - Google Patents

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本发明提供了一种用于浮动弱电流的采集放大电路，其包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第九电阻、可变电阻，其中第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻构成用于采集浮动弱电流并将其转换电压信号的采集电路，第三运算放大器、第四运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第九电阻、可变电阻构成用于将转换成的电压信号线性放大的放大电路。根据本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路能够精确待测的采集浮动弱电流信号并将其转换电压信号和线性放大，以便于后续进一步的信号处理。

Description

用于浮动弱电流的采集放大电路
技术领域
本发明涉及电学领域，更具体的，涉及一种用于浮动弱电流的采集放大电路。
背景技术
浮动电流一般产生于传感器内部、仪器仪表输出等。通常情况下，这些浮动电流的数量值都比较微弱，所以称其为浮动弱电流。这种电流的电路模型可表示为一个电流源。为了在模型上体现实际电流信号的特点，将该电流源的模型限制如下：数值较小且可变。电流信号必须在闭合环路中才能产生，如果要测量其大小，那么必然要将该电流闭合到测量电路中。这样就会产生一个问题：测量电路通常具有一定的输入阻抗，并把这种阻抗引入到待测电路信号的环路中，这样就会减弱待测的电流信号。如果测量电路的输入阻抗受电流信号变化的影响，那么测量值不但存在一定的误差，而且会呈现出非线性特点。若再将其放大处理，则会导致非常严重的失真。
目前，采集和放大浮动弱电流信号已有多种方案，但是这些方案主要存在如下缺点：1、采集过程影响了待测电流信号的大小；2、放大过程影响了测量值的线性度。以上两个缺点导致了测量结果存在一定的失真。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于浮动弱电流的采集放大电路，其包括：
第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第九电阻及可变电阻，其中浮动弱电流分别输入到第一运算放大器的正相输入端和第二运算放大器的正相输入端，该第一运算放大器的正相输入端连接第三电阻的第一端，该第一运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的反相输入端相连接并且还同时连接第一电阻的第一端和第二电阻的第一端，该第一运算放大器的输出端分别连接第一电阻的第二端，第四电阻的第一端和第五电阻的第一端，该第二运算放大器的正相输入端连接第四电阻的第二端，该第二运算放大器的输出端分别连接第二电阻的第二端、第三电阻的第二端和第七电阻的第一端，该第五电阻的第二端分别连接第六电阻的第一端和第三运算放大器的反相输入端，该第六电阻的第二端接地，该第七电阻的第二端分别连接第三运算放大器的正相输入端和第八电阻的第一端，该第八电阻的第二端分别连接第九电阻的第一端和第四运算放大器的输出端，该第九电阻的第二端分别连接第四运算放大器的反相输入端和可变电阻的滑动触头，该接第四运算放大器的正相输入端接地，该可变电阻的一端连接该第三运算放大器的输出端，该第三运算放大器的输出端作为所述采集放大电路的输出端，输出与所述浮动弱电流相对应的并且经过线性放大的电压信号。
其中第一电阻的阻值和第二电阻的阻值相同，第三电阻的阻值和第四电阻的阻值相同，第五电阻的阻值和第七电阻的阻值相同，第六电阻的阻值和第八电阻的阻值相同。
其中第一电阻的阻值为10KΩ、第二电阻的阻值为10KΩ、第三电阻的阻值为20KΩ、第四电阻的阻值为20KΩ、第五电阻的阻值为1KΩ、第六电阻的阻值为1KΩ、第七电阻的阻值为1KΩ、第八电阻的阻值为1KΩ、第九电阻的阻值为1KΩ、可变电阻的阻值范围为0～50Ω。
根据本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路，其能够克服对于待测的浮动弱电流信号的干扰和非线性测量，能够精确待测的采集浮动弱电流信号并将其转换电压信号和线性放大，以便于后续进一步的信号处理。
附图说明
图1是本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路的原理示意图。
图2是图1所示采集放大电路中的采集电路的原理示意图。
图3是图1所示采集放大电路中的放大电路的原理示意图。
具体实施方式
图1是本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路的原理示意图。如图所示，该用于浮动弱电流的采集放大电路包括：
第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、第三运算放大器OP3、第四运算放大器OP4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第九电阻R9、可变电阻RG，其中作为输入信号的浮动弱电流信号分别输入到第一运算放大器OP1的正相输入端和第二运算放大器OP2的正相输入端，该第一运算放大器OP1的正相输入端连接第三电阻R3的第一端，该第一运算放大器OP1的反相输入端和第二运算放大器OP2的反相输入端相连接并且还同时连接第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第一端，该第一运算放大器OP1的输出端分别连接第一电阻R1的第二端，第四电阻R4的第一端和第五电阻R5的第一端，该第二运算放大器OP2的正相输入端连接第四电阻R4的第二端，该第二运算放大器OP2的输出端分别连接第二电阻R2的第二端、第三电阻R3的第二端和第七电阻R7的第一端，该第五电阻R5的第二端分别连接第六电阻R6的第一端和第三运算放大器OP3的反相输入端，该第六电阻R6的第二端接地，该第七电阻R7的第二端分别连接第三运算放大器OP3的正相输入端和第八电阻R8的第一端，该第八电阻R8的第二端分别连接第九电阻R9的第一端和第四运算放大器OP4的输出端，该第九电阻R9的第二端分别连接第四运算放大器OP4的反相输入端和可变电阻RG的滑动触头，该接第四运算放大器OP4的正相输入端接地，该可变电阻RG的一端连接该第三运算放大器OP3的输出端。
其中第一电阻R1的阻值和第二电阻R2的阻值相同，第三电阻R3的阻值和第四电阻R4的阻值相同，第五电阻R5的阻值和第七电阻R7的阻值相同，第六电阻R6的阻值和第八电阻R8的阻值相同。
最后，该第三运算放大器OP3的输出端输出与浮动弱电流值相对应的并且经过线性放大的电压信号给下一级电路，以便于后续进一步的信号处理。
下面简述本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路的工作过程和原理。
整个电路的工作过程分为两个过程，第一个过程为待测量的浮动弱电流的采集过程，在采集电路中体现为将待测量的浮动弱电流信号I(in)转化为电压信号V2和V1，这样就将输入的电流信号I(in)转化为电压信号V2和V1的电压差值；第二个过程为电压差值△V＝(V2-V1)的放大过程，在采集电路中体现为将电压差值△V放大和转化为V(out)的过程，从而实现了将浮动弱电流信号的间接放大。
图2是本发明的采集放大电路中的采集电路的原理示意图，如图2所示，首先将第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2分别连接负反馈回路，第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2的反相输入端分别接收反馈电压V(cm)，处于负反馈状态，从而能提供虚短路和虚断路的能力；由于虚短路特点，接收待测量的浮动弱电流I(in)的第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2的同相输入端的电压均为V(cm)，电压差值为0；所以浮动弱电流I(in)的负载阻抗为0，从而避免了采集电路对浮动弱电流闭合回路的干扰，达到了精确采集的目的；由于虚断路的特点，第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2的同相输入端无电流流过，
V(cm)＝V1-I(in)*R3(1)；
V(cm)＝V2+I(in)*R4(2)；
R3＝R4，可以得到电压差值△V＝(V2-V1)：
(V2–V1)＝-2*R3*I(in)(3)；
通过第一运算放大器OP1和第二运算放大器OP2的虚短路和虚断路特点，本采集电路避免了对待测的浮动弱电流信号的干扰；通过量化分析，可以从公式(3)中看出，对浮动弱电流信号的采集为线性采集，同时还保证了采集电路的输出阻抗极小，近似为0；这样采集电路的输出信号将完全能够加载到后面的放大电路中。
图3是本发明的采集放大电路中的放大电路的原理示意图，如图3所示，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8构成了差分放大的电桥。输出电压信号V(out)经由第四运算放大器OP4、可变电阻RG和第九电阻R9构成的反相放大器，再经由第八电阻R8反馈到第三运算放大器OP3的同相输入端，由此形成负反馈。
图2中示出的V1和V2和图3中示出的V(out)之间的关系如下：
V(out)＝(V2–V1)*RG*R6/(R5*R9)(4)；
从公式(4)可以看出改进后的差分放大电路，可以通过调节RG的大小来线性调节增益，简化了调节的难度。
结合公式(3)和公式(4)可以得到：
V(out)＝-2*R3*RG*R6/(R5*R9)*I(in)(4)；
综上所述，整个电路实现了对浮动弱电流信号I(in)的精确采集和线性放大，最终将其转化为便于测量的电压信号V(out)。
本发明所采用的各自元器件的值可以根据具体的应用来确定，这里举例说明一组在实践中使用的元器件的值，第一电阻的阻值为10KΩ、第二电阻的阻值为10KΩ、第三电阻的阻值为20KΩ、第四电阻的阻值为20KΩ、第五电阻的阻值为1KΩ、第六电阻的阻值为1KΩ、第七电阻的阻值为1KΩ、第八电阻的阻值为1KΩ、第九电阻的阻值为1KΩ、可变电阻的阻值范围为0～50Ω。
由此可知，将举例给出的已知电阻值代入公式(4)，可以得到：
V(out)＝(-40*RG)*I(in)；
因此放大倍数A为：|A|＝40*RG；
可变电阻RG取值为0～50Ω时，放大倍数A的取值范围为：0～2000。
根据本发明的用于浮动弱电流的采集放大电路，其能够克服对于待测的浮动弱电流信号的干扰和非线性测量，能够精确待测的采集浮动弱电流信号并将其转换电压信号和线性放大，以便于后续进一步的信号处理。

Claims (3)

1.一种用于浮动弱电流的采集放大电路，其包括：
第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第九电阻及可变电阻，其中浮动弱电流分别输入到第一运算放大器的正相输入端和第二运算放大器的正相输入端，该第一运算放大器的正相输入端连接第三电阻的第一端，该第一运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的反相输入端相连接并且还同时连接第一电阻的第一端和第二电阻的第一端，该第一运算放大器的输出端分别连接第一电阻的第二端，第四电阻的第一端和第五电阻的第一端，该第二运算放大器的正相输入端连接第四电阻的第二端，该第二运算放大器的输出端分别连接第二电阻的第二端、第三电阻的第二端和第七电阻的第一端，该第五电阻的第二端分别连接第六电阻的第一端和第三运算放大器的反相输入端，该第六电阻的第二端接地，该第七电阻的第二端分别连接第三运算放大器的正相输入端和第八电阻的第一端，该第八电阻的第二端分别连接第九电阻的第一端和第四运算放大器的输出端，该第九电阻的第二端分别连接第四运算放大器的反相输入端和可变电阻的滑动触头，该接第四运算放大器的正相输入端接地，该可变电阻的一端连接该第三运算放大器的输出端，该第三运算放大器的输出端作为所述采集放大电路的输出端，输出与所述浮动弱电流相对应的并且经过线性放大的电压信号。
2.根据权利要求1所述的采集放大电路，其中第一电阻的阻值和第二电阻的阻值相同，第三电阻的阻值和第四电阻的阻值相同，第五电阻的阻值和第七电阻的阻值相同，第六电阻的阻值和第八电阻的阻值相同。
3.根据权利要求1所述的采集放大电路，其中第一电阻的阻值为10KΩ、第二电阻的阻值为10KΩ、第三电阻的阻值为20KΩ、第四电阻的阻值为20KΩ、第五电阻的阻值为1KΩ、第六电阻的阻值为1KΩ、第七电阻的阻值为1KΩ、第八电阻的阻值为1KΩ、第九电阻的阻值为1KΩ、可变电阻的阻值范围为0～50Ω。
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