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摘要：仪表放大器电路以其高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点在传感器输出的小信号放大领域得到了广泛的应用。在阐述仪表放大器电路结构、原理的基础上，基于不同电子元器件设计了四种仪表放大器电路实现方案。通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较，总结出各种电路方案的特点，为电路设计初学者提供一定的参考借鉴。
0 引 言
智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的特点，为电路设计爱好者、学生进行电子电路实验提供一定的参考。
1 仪表放大器电路的构成及原理
仪表放大器电路的典型结构如图1所示。它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2 仪表放大器电路设计
2．1 仪表放大器电路实现方案
目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。根据现有元器件，文中分别以单运放LM741和OP07，集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。
方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。
图2中的A1～A3分别用LM741替换即可。电路的工作原理与典型仪表放大器电路完全相同。方案2 由3个精密运放OP07组成，电路结构与原理和图2相同(用3个OP07分别代替图2中的A1～A3)。
方案3 以一个四运放集成电路LM324为核心实现，如图3所示。它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的基本工作原理不变。方案4 由一个单片集成芯片A13620实现，如图4所示。它的特点是电路结构简单：一个AD620，一个增益设置电阻Rg，外加工作电源就可以使电路工作，因此设计效率最高。图4中电路增益计算公式为：G=49．4K／Rg+1。
2．2 性能测试与分析
实现仪表放大器电路的四种方案中，都采用4个电阻组成电桥电路的形式，将双端差分输入变为单端的信号源输入。性能测试主要是从信号源Vs的最大输入和Vs最小输入、电路的最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。测试数据分别见表1和表2。其中，Vs最大(小)输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大(小)输入；最大增益是指在给定测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑制比由公式KCMRR=20|g | AVd／AVC|(dB)计算得出。
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说明：
(1)f为Vs输入信号的频率；
(2)表格中的电压测量数据全部以峰峰值表示；
(3)由于仿真器件原因，实验中用Multisim对方案3的仿真失效，表1中用“-”表示失效数据；
(4)表格中的方案1～4依次分别表示以LM741，OP07，LM324和AD620为核心组成的仪表放大器电路。
由表1和表2可见，仿真性能明显优于实际测试性能。这是因为仿真电路的性能基本上是由仿真器件的性能和电路的结构形式确定的，没有外界干扰因素，为理想条件下的测试；而实际测试电路由于受环境干扰因素(如环境温度、空间电磁干扰等)、人为操作因素、实际测试仪器精确度、准确度和量程范围等的限制，使测试条件不够理想，测量结果具有一定的误差。在实际电路设计过程中，仿真与实际测试各有所长。一般先通过仿真测试，初步确定电路的结构及器件参数，再通过实际电路测试，改进其具体性能指标及参数设置。这样，在保证电路功能、性能的前提下，大大提高电路设计的效率。
由表2的实测数据可以看出：方案2在信号输入范围(即Vs的最大、最小输入)、电路增益、共模抑制比等方面的性能表现为最优。在价格方面，它比方案1和方案3的成本高一点，但比方案4便宜很多。因此，在四种方案中，方案2的性价比最高。方案4除最大增益相对小点，其他性能仅次于方案2，具有电路简单，性能优越，节省设计空间等优点。成本高是方案4的最大缺点。方案1和方案3在性能上的差异不大，方案3略优于方案1，且它们同时具有绝对的价格优势，但性能上不如方案2和方案4好。
综合以上分析，方案2和方案4适用于对仪表放大器电路有较高性能要求的场合，方案2性价比最高，方案4简单、高效，但成本高。方案1和方案3适用于性能要求不高且需要节约成本的场合。针对具体的电路设计要求，选取不同的方案，以达到最优的资源利用。电路的设计方案确定以后，在具体的电路设计过程中，要注意以下几个方面：
(1)注意关键元器件的选取，比如对图2所示电路，要注意使运放A1，A2的特性尽可能一致；选用电阻时，应该使用低温度系数的电阻，以获得尽可能低的漂移；对R3，R4，R5和R6的选择应尽可能匹配。
(2)要注意在电路中增加各种抗干扰措施，比如在电源的引入端增加电源退耦电容，在信号输入端增加RC低通滤波或在运放A1，A2的反馈回路增加高频消噪电容，在PCB设计中精心布局合理布线，正确处理地线等，以提高电路的抗干扰能力，最大限度地发挥电路的性能。
3 结 语
在具体讨论仪表放大器电路结构、原理的基础上，设计了四种仪表放大器电路。通过仿真与实际性能测试，分析、总结出四种方案的特点，为仪表放大器电路的设计者提供一定的思路借鉴
单片机的应用
1、单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
2、单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。
例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
3、单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
4、单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
5、单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
扩展资料
单片机的组成：
它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间。
或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
参考资料来源：百度百科-单片机
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器，如图2所示）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。 进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生 产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。然而，在一些大 中型系统中自动化结果均不理想。只有在计算机出现后，人们才见 到了希望的曙光。如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。但是， 计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的 神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的 应用。只有在单片机（Microcontroller)出现后，计算机才真正 地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代 化技术革新，技术革命的有利武器。目前，单片机在民用和工业测 控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深 地溶入我们每个人的生活之中。
单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产 上也极大地提高了生产效率和产品质量。 单片机按用途大体上可分为两大类：
1--通用型单片机
2--专用型单片机
专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好， 不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。 其生产成本很低。
通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。
1：针对需要开发的设备构建原理图，可以用AD09，PROTEUS 软件
2：针对需要实现的功能编程，使用KEIL编写调试（51，AVR单片机）
3：程序编好测试，测试包括功能测试，老化测试，可靠性测试等
单片机编程就是简单的嵌入式软件开发过程，首先你应该精通C语言（当然也有使用汇编语言的，不过主流还是使用C的），能够熟练运用C语言实现相应的单片机要实现的功能。所谓的单片机开发，就必须对单片机有一定的了解。这就是为什么嵌入式的工资高，入门难的原因，它必须要有一定的硬件基础，还需配合很好的编码能力。如果你掌握了单片机硬件，同时也精通编程，那么写单片机程序也就是水到渠成的事了。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
程序如下：
#include reg52.h
sbit led1 = P2^0;
sbit led2 = P2^1;
sbit led3 = P2^2;
sbit led4 = P2^3。
让电子信息技术与单片机技术相融合，有效提高了单片机应用效果。作为计算机技术中的一个分支，单片机技术在电子产品领域的应用，丰富了电子产品的功能，也为智能化电子设备的开发和应用提供了新的出路，实现了智能化电子设备的创新与发展。
从二十世纪九十年代开始，单片机技术就已经发展起来，随着时代的进步与科技的发展，目前该技术的实践应用日渐成熟，单片机被广泛应用于各个领域。现如今，人们越来越重视单片机在智能电子技术方面的开发和应用，单片机的发展进入到新的时期。
无论是自动测量还是智能仪表的实践，都能看到单片机技术的身影。当前工业发展进程中，电子行业属于新兴产业，工业生产中人们将电子信息技术成功运用。
单片机的应用范围很广，在以下各个领域有广泛的应用：
1、工业自动化。主要是过程控制技术、数据采集、测控技术和机电一体化技术（机器人）
2、智能仪器仪表。用于提高仪器的精度和准确度。
3、消费类电子产品。主要是家电领域。像洗衣机、电冰箱、空调、电视、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。
4、通信方面。用于调制解调器、程控交换技术以及各种通信设备。
5、武器装备。飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统等都有单片机深入其中。
6、终端机外部设备控制。计算机网络终端设备如银行终端以及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。
7、多机分布式系统。可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机进入了一个新的水平。
智能仪表检测编程单片机的介绍到此就结束了，感谢您耐心阅读，谢谢。
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