高輸入阻抗測壓電路

熊偉林

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100018）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們通過各種傳感器可以將許多非電量(例如溫度、壓力、流量、液面、速度、位移、成分等等)變換成電信號，然后再利用電子電路進(jìn)行測量。電信號的3個基本物理量包括電壓、電流和功率，從電子測量技術(shù)的觀點(diǎn)來看，最主要和最方便的是測量電壓，電流和功率往往可以由電壓的測量值間接獲得。另外，許多電參數(shù)(例如頻率特性、調(diào)幅度、失真度、品質(zhì)因數(shù)等)均可以用電壓形式反映出來。所以，現(xiàn)實(shí)中許多電量或非電量的測量大都是依靠電壓測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因而電壓測量電路在測量技術(shù)中尤為重要。

簡單地說，測量電壓有直流電壓、交流電壓、脈沖電壓之分，而交流電壓又有低頻電壓和高頻電壓之分。本文針對直流電壓測量技術(shù)中采用的實(shí)用電路介紹幾種高輸入阻抗的測壓電路，并簡要分析它們的工作原理和特點(diǎn)。

1 電壓測量電路對輸入阻抗的要求

眾所周知，人們對電壓測量儀器儀表的基本要求是其內(nèi)部測量電路要有足夠高的輸入阻抗（測量直流電壓時為輸入電阻）。圖1是使用電壓表測量被測直流電壓時的等效電路，其中RL是被測電壓UX兩端的負(fù)載電阻，US是被測電路的等效電壓源，Ro是被測電路的等效輸出內(nèi)阻，Ri是電壓表的輸入電阻。

圖1 電壓表測量電壓時等效電路

圖2 相對誤差 γ 與（Ri / RL）關(guān)系曲線

可見電壓表的輸入電阻Ri越大，相對誤差γ值越小。若假設(shè)Ri對Ro的沒有影響，而只考慮電壓表Ri與被測負(fù)載RL的相對大小時，相對誤差γ與(Ri/RL) 的關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出，要使誤差達(dá)到5%以下，應(yīng)使Ri應(yīng)是RL的20倍以上；要使誤差達(dá)到2%以下，則Ri應(yīng)是RL的50倍以上；而要使誤差達(dá)到1%以下，就要使Ri是RL的100倍以上。這就是實(shí)際電壓測量電路要設(shè)計成具有足夠高的輸入阻抗的原因，而對直流電路來說就是輸入電阻。

2 3種實(shí)用的測壓電路

2.1 場效應(yīng)管測壓電路

測量幾伏或幾百毫伏電壓時，可直接采用場效應(yīng)管源極跟隨器作阻抗變換，把示值表頭接在源極輸出電路中。由于源極跟隨器的電壓傳輸系數(shù)接近于1，所以測量靈敏度與直接測量相近。場效應(yīng)管測壓電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入阻抗高(可達(dá)數(shù)百或千兆歐，即108～109Ω)，并且電路噪聲低，克服零點(diǎn)漂移，并減小非線性誤差，具有較好的穩(wěn)定性與可靠性。

(1)工作原理：如圖3所示測壓電路是由兩只場效應(yīng)管VT1和VT2構(gòu)成的源極耦合差分電路，50μA表頭跨接在VT1和VT2的源極S1、S2之間。輸入電壓為零時(即被測電壓UX＝0)，電路處于平衡狀態(tài)，兩個源極之間的電壓US12也為零，表頭指示值為零。被測電壓UX不等于零時，場效應(yīng)管VT1的源極電位上升(近似等于UX)，而場效應(yīng)管VT2的源極電位不變（等于零），于是兩個源極之間的電壓US12也近似為UX（事實(shí)上，US12與UX成正比例）。因此，表頭示值也正比于被測電壓UX。圖中二極管VD起保護(hù)表頭作用，當(dāng)被測電壓過大超出測量范圍時，VD即導(dǎo)通，可避免表頭產(chǎn)生過大的電流。

該測壓電路只畫出了3個擋位，開關(guān)K2打在擋位1時，表頭的滿量程電壓為5V；打在擋位2時，滿量程為2.5V；打在擋位3時，滿量程為0.5V。

(2)調(diào)零與校準(zhǔn)：該測壓電路使用9V電池作為直流電源，工作時將開關(guān)K1閉合。調(diào)零與校準(zhǔn)時，先把紅、黑表筆短路，再調(diào)整調(diào)零電位器，使表頭示值為零；然后在紅、黑表筆兩端輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓，調(diào)整校準(zhǔn)電位器，使表頭示值達(dá)到滿刻度值。例如校準(zhǔn)5V擋時，將K2打在擋位1，再輸入5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，調(diào)整100kΩ電位器, 使表頭示值達(dá)到滿刻度值即可。同理可校準(zhǔn)其它兩個量程，各量程的實(shí)驗(yàn)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 場效應(yīng)管測壓電路的定標(biāo)數(shù)據(jù)

圖3 場效應(yīng)管差分式測壓電路

實(shí)驗(yàn)表明，該測壓電路具有很好的線性，經(jīng)過校準(zhǔn)定標(biāo)后的表頭，可以準(zhǔn)確地顯示出被測電壓值，可用于測量直流電壓為幾百mV至5V的電子測量儀器或設(shè)備中。如要測量更高的電壓（如5V以上），可在源極跟隨器前面加上分壓器；如要測量更低的電壓（如0.5V以下），則需要在源極跟隨器前面加上直流電壓放大器。

2.2 集成運(yùn)放測壓電路

由于集成運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗和高穩(wěn)定增益，因此可以采用高阻型運(yùn)放構(gòu)成測量電壓的電路。圖4是使用集成運(yùn)放CA3130構(gòu)成的測壓電路。CA3130具有很高的輸入阻抗，可達(dá)TΩ量級(1012Ω)，同時又具有很低的輸出阻抗，可有效地減小測量誤差，提高測量準(zhǔn)確度。

(1)工作原理：圖4測壓電路由15V直流電源、測試用表筆、分壓器及量程選擇開關(guān)K2、RC濾波器、集成運(yùn)放同相比例放大器、100μA表頭等組成。圖中只畫出四個量程的情況，開關(guān)K2打在擋位1為100mV量程、擋位2為1V量程、擋位3為10V量程、擋位4為100V 量程。兩個反向并聯(lián)的二極管2CP11構(gòu)成運(yùn)放輸入保護(hù)電路，起過壓保護(hù)作用，防止輸入電壓意外出現(xiàn)過大而造成運(yùn)放損壞。電路中的R1與電容器C構(gòu)成低通濾波器（可濾除電路中的交流成分）。R2、R3與運(yùn)放CA3130構(gòu)成的同相比例放大器，R2、R3決定了電路的閉環(huán)放大倍數(shù)Au＝1＋(R3/ R2)＝101（即40dB）。RP1是運(yùn)放的調(diào)零電位器，調(diào)整它可以消除失調(diào)電壓對小信號產(chǎn)生的誤差。

(2)調(diào)零與校準(zhǔn)：圖4電路的調(diào)零方法是將開關(guān)K1閉合，紅、黑表筆短接，調(diào)整電位器RP1使表頭示值為零即可。進(jìn)行量程校準(zhǔn)時，將K2打在任意的擋位上，并輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。（因?yàn)?，無論選擇哪個量程校準(zhǔn)，輸入滿量程電壓時運(yùn)放的輸入電壓均為100mV、輸出電壓均為10.1V。）實(shí)驗(yàn)中先選擇10V量程進(jìn)行校準(zhǔn)，將K2打在擋位3位置，在紅黑表筆間輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓值10V（來自高精度的直流穩(wěn)壓電源），然后調(diào)節(jié)電位器RP2使表頭顯示滿度值。此時，運(yùn)放的同相輸入端(3腳)獲得100mV電壓，輸出端(6腳)電壓為10V，100μA表頭內(nèi)阻與電阻R4、電位器RP2合在一起的總阻值為10V/100μA＝100kΩ。該電路中分壓電阻R4＝91kΩ，電位器RP2在20kΩ以內(nèi)連續(xù)可調(diào)，只要表頭內(nèi)阻不超過10 kΩ即可，實(shí)際上一般表頭的內(nèi)阻都比較小，完全能滿足該電路的要求。同理可校準(zhǔn)其它幾個量程，各量程實(shí)驗(yàn)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 集成運(yùn)放測壓電路的定標(biāo)數(shù)據(jù)

該測壓電路可用于測量直流電壓為幾十mV至100V的電子測量儀器或設(shè)備中。需要指出的是，由于在集成運(yùn)放輸入端前面加有電阻分壓器，所以對被測電路來說，測壓電路的輸入電阻為10MΩ，而不是集成運(yùn)放的輸入電阻。這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中值得注意。

圖4 由集成運(yùn)放構(gòu)成的測壓電路

2.3 低電壓的測量電路

當(dāng)測量數(shù)值較低(mV和μV量級)的直流電壓時，必須考慮如何避免放大器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移對測量誤差的影響。一般需要采用高穩(wěn)定的低溫漂(零漂)高增益集成運(yùn)放構(gòu)成放大器來驅(qū)動指示儀表。圖5是使用MAX 420集成電路與TL061構(gòu)成的低電壓測量電路，使用±15V雙直流電源供電。

(1)工作原理：集成運(yùn)放MAX420實(shí)際上是一種斬波放大器(斬波頻率約為400Hz)，并且用兩個電容器(C1、C2)來保持很小的失調(diào)電壓 (只有1μV)，溫漂也只有0.02μV/°C，輸入阻抗高達(dá)1TΩ(即1012Ω)，輸入電流很小10pA（即10-12A），開環(huán)電壓增益為150dB。圖5電路中MAX420和周圍電阻構(gòu)成同相放大器，其閉環(huán)放大倍數(shù)為1000(即增益60dB)。該電路可測量1mV以下的低電壓，例如測量電壓為1mV時，第一級運(yùn)放MAX420輸出電壓為1V。再由第二級運(yùn)放TL061構(gòu)成的有源低通濾波器進(jìn)行濾波放大(倍數(shù)為10)，最后輸出10V直流電壓。整個電路的輸出電壓與被測電壓UX成正比例，所以表頭示值與被測電壓UX成線性關(guān)系，可以均勻刻度定標(biāo)。

(2)調(diào)零與校準(zhǔn)：該測壓電路的調(diào)零方法是：將開關(guān)K1閉合，紅、黑表筆短接，使電路的輸入電壓為零，調(diào)節(jié)電位器RP1使表頭示值為零。校準(zhǔn)時，將1mV標(biāo)準(zhǔn)電壓加在紅黑表筆兩端，調(diào)節(jié)電位器RP2，使表頭示值達(dá)到滿度值即可，表頭刻度對應(yīng)的電壓值如表3所示。

表3 集成運(yùn)放低電壓測量電路的定標(biāo)數(shù)據(jù)

該測壓電路可用于測量直流電壓為1mV以下的電子測量儀器或設(shè)備中，并且還可以擴(kuò)展到測量幾十μV至幾十mV的低電壓。

圖5 由集成運(yùn)放構(gòu)成的低電壓測量電路

3 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了3種實(shí)用的直流電壓測量電路，它們可應(yīng)用于測量直流電壓的電子測量儀器或設(shè)備中。設(shè)計測壓電路的基本思想是：采用高輸入阻抗的電子電路，以減小測量誤差、比較準(zhǔn)確地測量出電壓值。一般可以采用場效應(yīng)管、或高阻型高穩(wěn)定度的集成運(yùn)算放大器作為核心器件，構(gòu)成輸出電壓與被測電壓成線性關(guān)系的測量電路，有效地提高測量的靈敏度和準(zhǔn)確度。另外，如果測量較高的電壓，則需要利用電阻分壓器將高電壓衰減至能夠驅(qū)動指示儀表(或顯示電路)的合適電壓范圍，分壓器往往有多個供選擇的衰減擋位。被測電壓越大，所選擇的衰減倍數(shù)越大；如果測量較低的電壓，則需要使用高穩(wěn)定度、高增益放大器將低電壓放大到能夠驅(qū)動指示儀表(或顯示電路)的合適電壓范圍，這時放大器往往需要有多個供選擇的倍數(shù)擋位，被測電壓越小，所選擇的放大倍數(shù)越大(即增益越高)。

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