精密检波与整流电路

在利用直流输入型ADC对来自传感器的毫伏级交流信号(<700mV)进行采样前,常需要对微弱信号进行整流、放大;在对来自精密电压互感器、电阻分压器及变送器的较小信号(4V~10V)进行采样处理前,也要进行整流、滤波,以合乎后续测量电路对信号的要求。
对于毫伏级信号,由于二极管存在死区电压,二极管根本打不开,谈不上整流;对于较小信号,由于二极管正向伏安特性是非线性的,且正向压降随温度而变化,将使整流波形失真,并导致不能忽略的误差。这时就必须采用由运放和二极管构成的有源整流电路,利用运放的高开环增益和深度负反馈特性,来克服二极管死区电压及非线性失真,能做到从微伏级信号开始,输出与输入之间就具有良好的线性关系;有源整流电路的死区电压非常小,等于二极管的正向压降与运放开环增益的比值。后文将按精密半波检波、放大及滤波电路和全波精密整流、滤波及放大电路的顺序,进行逐步说明。
图一反相比例运算电路

图二正半波反相输出检波电路
图一为反相比例运算电路,同相端接参考地,Up=0V,运放反相端为虚地点,Un=0V;由于Up=Un=0V,没有共模信号输入,抗干扰性能好。但对信号Ui来说,负载电阻为R1,不足够大,即反相比例电路的输入电阻比较小,使用时要用电压跟随器进行隔离,以使用其优点,避开其缺点。反相比例输出Uo=-Rf/R1*Ui,负号表明输出与输入是倒相关系,Rf=R1时,Uo=-Ui,是倒相器;Rf>R1,丨Uo丨>|Ui丨,是放大器;Rf<R1则成为衰减器。在反相比例运算电路的反馈环内插入图二所示二极管,就构成了正半波反相输出的高精度半波整流电路。Ui<0时,经反相后,Uo>0,超过0.7V后,D1将导通,D2截止。D1导通为运放提供深度负反馈,并将运放输出钳位在0.7V左右,限制运放进入饱和,提高转换速度,反相端成为虚地点,加之D2截止,Rf中无电流,Uo=0;Ui>0时,运放输出为负,D1截止,只要运放1脚输出小于-0.7V左右的电压,D2就会导通,此时电路相当于反相比例运算电路,Uo=-Rf/R1*Ui=-Ui;综合前述,该电路传输特性为:Uo=0(Ui<0);Uo=-Ui(Ui>0)。
将图二的中二极管反向,就可得到负半波反相输出的半波精密整流电路,如图三所示。
图三负半波反相输出整流电路
1.Ui>0且很小,处于微伏级时,D1、D2均未导通,运放处于开环线性放大状态,OPA2188开环放大倍数大于120dB,Ui稍大一点点,运放就会输出较大的负值,使D1导通、D2截止。D1导通使运放进入深度负反馈状态,N点为虚地点,D1将运放输出Uo1钳位在-0.7V左右,如没有D1,运放将负向饱和输出,影响转换速度;D2截止且N点虚地,Rf中无电流,Uo=0。
2.Ui<0且丨Ui丨很小时,与前述类似,D1、D2均截止,运放处于开环放大状态。丨Ui丨稍大一点点,运放就会输出较大正值,只要Uo1大于0.7V,就使D2导通,D1截止。D2和Rf串联引入负反馈,此时电路相当于反相比例运算电路,Rf=R1时输出为:Uo=-Rf/R1*Ui=-Ui综合1、2两点,该电路传输特性为:Uo=0(Ui>0);Uo=-Ui(Ui<0)。负半波反相输出,整流输出的平均值为正值。
图四反相比例加法电路
图四为反相比例加法电路,输出Uo为Ui1、Ui2单独作用时的输出之和即Uo=-Rf/R1*Ui1-Rf/R2*Ui2;图中平衡电阻R3=R1//R2//Rf。
在测控系统中,更为常用的是精密全波整流电路,其需要用两个运放单元,一个作精密半波整流,另一个完成全波信号的合成。如图五所示,它由图二检波器和图四反相加法器组成。
图五有源全波整流电路
在图五所示电路中:
(1)Ui>0时,根据前述结论和图示参数,Uo1=-Ui;此时Uo=-Rf/R4*Ui-Rf/R5*Uo1=-Ui+2Ui=Ui=丨Ui丨;
(2)Ui<0时,Uo1=0V;
此时Uo=-Rf/R4*Ui-Rf/R5*0=-Ui=丨Ui丨。
综合(1)、(2)可知Uo=丨Ui丨,图五电路能完成全波整流功能。
工程实践中,常需要把整流后的脉动直流电变成平滑稳定的直流电,以满足测量和控制的要求。图六为实用的带输出滤波和输入缓冲的精密全波整流电路。
图六实用有源整流滤波电路
图六所示电路中,为降低器件本身对精度的影响,运放应选用低失调电压、零漂移、高开环放大倍数的类型;电阻选用0.1%精度的精密电阻;滤波电容C3选钽电容,且时间常数Rf•C3≥10T,T为信号周期。在利用直流输入型ADC对来自传感器的毫伏级交流信号(<700mV)进行采样前,常需要对微弱信号进行整流、放大;在对来自精密电压互感器、电阻分压器及变送器的较小信号(4V~10V)进行采样处理前,也要进行整流、滤波,以合乎后续测量电路对信号的要求。

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