CN219351711U - 一种宽范围小信号放大电路以及氧化还原电压测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种宽范围小信号放大电路，涉及信号放大技术领域，包括模拟信号端子Vda、运算放大器U1A、输入电阻R1、反馈电阻R2和输出端子Vout；模拟信号端子Vda与输入电阻R1连接，输入电阻R1的另一端与反馈电阻R2连接，输入电阻R1与反馈电阻R2之间设有第一连接点，该第一连接点与运算放大器U1A的负输入端口连接，运算放大器U1A的正输入端口接入待放大的输入信号；反馈电阻R2的另一端与运算放大器U1A的输出端口连接，反馈电阻R2与运算放大器U1A的输出端口之间设有第二连接点，该第二连接点与输出端子Vout连接，输出端子Vout输出放大后的信号。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号放大技术领域，更具体的说，本实用新型涉及一种宽范围小信号放大电路以及氧化还原电压测量电路。
背景技术
基于模拟传感器的仪器仪表是目前的主流应用，但此类传感器输出的电流、电压信号十分微弱，如pH值和ORP传感器的信号为mV级别，极谱式溶解氧传感器电流信号为nA级别。由于仪器仪表对采样的精度要求较高，目前一般通过提高放大倍数将信号放大或提高ADC的分辨率等方式，使该类信号能被ADC芯片或MCU自带的ADC接口精确采样。然而提高放大倍数会导致输出信号的电压范围超出ADC采样的电压范围，提高ADC的分辨率又会导致成本的大幅增加。如何在保障采样的精度同时又不增加成本是目前有待解决的难题。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种宽范围小信号放大电路以及氧化还原电压测量电路。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽范围小信号放大电路，其改进之处在于：包括模拟信号端子Vda、运算放大器U1A、输入电阻R1、反馈电阻R2和输出端子Vout；
模拟信号端子Vda与输入电阻R1连接，输入电阻R1的另一端与反馈电阻R2连接，输入电阻R1与反馈电阻R2之间设有第一连接点，该第一连接点与运算放大器U1A的负输入端口连接，运算放大器U1A的正输入端口接入待放大的输入信号；
反馈电阻R2的另一端与运算放大器U1A的输出端口连接，反馈电阻R2与运算放大器U1A的输出端口之间设有第二连接点，该第二连接点与输出端子Vout连接，输出端子Vout输出放大后的信号。
本实用新型还提供了一种氧化还原电压测量电路，包括所述的宽范围小信号放大电路，还包括绝对值模块和过零检测模块；
绝对值模块与运算放大器U1A的正输入端口连接，用于将输入信号转换后输出给运算放大器U1A；
过零检测模块接入待放大的输入信号，以判断待放大的输入信号的正负。
本实用新型的有益效果是：实现了保证宽范围信号输入的同时，又保证信号采样的高精度，且成本低廉。
附图说明
附图1为本实用新型的一种宽范围小信号放大电路的电路示意图。
附图2为本实用新型的一种氧化还原电压测量电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本实用新型创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1所示，本实用新型提供了一种宽范围小信号放大电路，包括模拟信号端子Vda、运算放大器U1A、输入电阻R1、反馈电阻R2和输出端子Vout；模拟信号端子Vda与输入电阻R1连接，输入电阻R1的另一端与反馈电阻R2连接，输入电阻R1与反馈电阻R2之间设有第一连接点10，该第一连接点10与运算放大器U1A的负输入端口连接，运算放大器U1A的正输入端口接入待放大的输入信号；反馈电阻R2的另一端与运算放大器U1A的输出端口连接，反馈电阻R2与运算放大器U1A的输出端口之间设有第二连接点20，该第二连接点20与输出端子Vout连接，输出端子Vout输出放大后的信号。
结合图1所示，输入信号Vin加到运算放大器U1A的正输入端，运算放大器U1A的型号为COS8554SR，单片机的模拟输出信号通过模拟信号端子Vda加到运算放大器U1A的负输入端，放大后的输出信号通过输出端子Vout接到单片机的AD输入端，三者关系计算公式：Vin*(1+R2/R1)-Vda*R2/R1＝Vout。输入信号Vin经放大器放大后的输出信号Vout，给到单片机AD检测口，如果单片机程序检测输出信号Vout饱和(接近3.3V电源电压或接近0V)，就逐步调节模拟输出电压Vda直到输出不饱和，单片机程序具体调节过程如下：如果输出信号Vout的电压已经接近3.3V，说明输入信号Vin比较大，单片机程序就逐步加大模拟输出电压Vda，直到放大器输出电压Vout远小于3.3V；如果输出信号Vout的电压已经接近0V，说明输入信号Vin比较小，单片机程序就逐步减小模拟输出电压Vda，直到放大器输出电压Vout远大于0V。单片机程序再将已知的Vda电压和Vout电压代入上述公式计算出Vin，如果R2＝200K,R1＝20K那么输入信号Vin放大11倍，根据杜比降噪原理信号采样误差也就减小11倍，如果单片机数据采样是12位电源供电是3.3V，那么CPU采样精度是3.3V/4096＝0.8mV,利用以上放大电路将输入信号放大11倍，那么整个***采样精度0.8mV/11＝73uV，相当于不加放大器16位AD采样的单片机的精度。放大器的倍数还可以任意加大也就是说精度还可以任意提高，但要求基准电压和放大器电阻要精确。实现了在保证宽范围信号输入的同时，又保证信号采样的高精度，且成本低廉。
本实用新型的一种宽范围小信号放大电路，抗干扰能力比高精度AD采样芯片和单片机更强，设备更稳定。一般电子产品都存在一定的干扰信号，根据杜比降噪原理，有用信号比干扰信号越大抗干扰能力越强。但如果不将信号放大一味只提高采样芯片的精度，理论上精度提高了，但实际上不会提高，因为当采样芯片分辨率越高单位电压信号就越小，当其小于干扰信号时，连电压信号和干扰信号都分辩不出来了，也就不存在提高精度了。只有将采样信号无误差放大，使其远大于干扰信号时，测量到的信号才真正稳定精确。
参照图2所示，本实用新型还提供了一种氧化还原电压测量电路，包括所述的宽范围小信号放大电路，还包括绝对值模块和过零检测模块；绝对值模块与运算放大器U1A的正输入端口连接，用于将输入信号转换后输出给运算放大器U1A；过零检测模块接入待放大的输入信号，将输入信号转换为单片机能识别的信号，并输出给单片机，以判断待放大的输入信号的正负(绝对值模块和过零检测模块的具体结构是本技术领域内的常规知识，因此此处省略了对绝对值模块和过零检测模块的具体表述)。
结合图2所示，氧化还原电压测量电路的ORP信号测量范围要求量程±1999.9mV、精度±0.1mV(市面上同类产品精度1mV),如此，我们就面临一个量程和精度难以兼顾的难题，要么用4V以上供电的16位AD转换芯片，要么将±1999.9mV信号电平转换成0-3.3V后，再用3.3V供电16位高精度AD采样CPU。而这种16位高精度采样芯片和CPU国内市场根本买不到即使买得到也是非常贵货源不稳定。因此，采用了本实用新型的氧化还原电压测量电路的设计，将输入±1999.9mV信号用绝对值模块转换成正1999.9mV信号用Vin表示，单片机程序通过过零检测模块，检测信号判别信号正负，当过零检测模块输出低电平时，表示输入信号是负，当过零检测模块输出高电平时，表示输入信号是正。Vin加到运算放大器U1A的正输入端，单片机的模拟输出信号Vda加到运算放大器U1A的负输入端，运算放大器U1A的输出信号Vout接到单片机的AD输入端，三者关系计算公式：Vin*(1+R2/R1)-Vda*R2/R1＝Vout，输入信号经绝对值模块后，转换成Vin经放大器放大后输出信号设为Vout，如果单片机检测输出信号Vout饱和(接近3.3V电源电压或接近0V)单片机程序就调节模拟输出电压Vda直到输出不饱，再将已知的Vda电压和Vout电压代入上述公式计算出Vin，达到测量输入信号的目的，测量过程及电路简单易实现。
本实用新型的一种宽范围小信号放大电路，保证宽范围信号输入的同时，又保证信号采样的高精度，且成本低廉，弥补现有ADC芯片以及MCU不足；本实用新型的氧化还原电压测量电路，达到测量输入信号的目的，测量过程及电路简单易实现。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (2)
1.一种宽范围小信号放大电路，其特征在于：包括模拟信号端子Vda、运算放大器U1A、输入电阻R1、反馈电阻R2和输出端子Vout；
模拟信号端子Vda与输入电阻R1连接，输入电阻R1的另一端与反馈电阻R2连接，输入电阻R1与反馈电阻R2之间设有第一连接点，该第一连接点与运算放大器U1A的负输入端口连接，运算放大器U1A的正输入端口接入待放大的输入信号；
反馈电阻R2的另一端与运算放大器U1A的输出端口连接，反馈电阻R2与运算放大器U1A的输出端口之间设有第二连接点，该第二连接点与输出端子Vout连接，输出端子Vout输出放大后的信号。
2.一种氧化还原电压测量电路，其特征在于：包括如权利要求1所述的宽范围小信号放大电路，还包括绝对值模块和过零检测模块；
绝对值模块与运算放大器U1A的正输入端口连接，用于将输入信号转换后输出给运算放大器U1A；
过零检测模块接入待放大的输入信号，以判断待放大的输入信号的正负。
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