基于LabVIEW的測量放大器參數測試系統設計

張東虞

（ 銅仁學院 大數據學院，貴州 銅仁 554300）

0．引言

測量放大器是一種可實現對微弱電信號放大的高精度放大器，具有較高的輸入阻抗、高共模抑制比、高電壓增益等優點，在測控領域中應用廣泛。LabVIEW是目前較為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境。同時，數據采集卡USB-6221對測量信號的采集也是測試測量的重要工作[1]。

目前，美國國家儀器公司（NI）開發的LabVIEW在數據采集技術領域中因其高速采集數據的性能、豐富的圖像化編程語言等特點在業界處于遙遙領先的地位。虛擬儀器技術在國外已經得到了長足的發展。在國內，LabVIEW也廣泛地被工業界、學術界和實驗室所接受，用于研究等領域。DAQ數據采集是LabVIEW最具競爭力的核心技術之一，LabVIEW被公認為是標準的數據采集軟件[2]。本測量放大器參數測試系統設計就是采用LabVIEW與USB-6221 DAQ采集設備相結合的方式，有效地實現了測量放大器參數的測試與驗證。

1．設計內容

1．1．測量放大器系統設計

放大器系統如圖1所示，主要性能指標為：高電壓增益，電壓增益；高輸入阻抗，輸入阻抗。

測量電路采用雙端差動輸入，單端輸出的方式[2]，第一級為兩個運放并聯組成的同相放大器，可獲得高的輸入阻抗，實現差模信號的放大；第二級由高共模抑制比運放組成差動放大器，主要用來抑制共模信號[3-4]。

1．2．掃頻信號源程序設計

在起始頻率f1=10 HZ和終止頻率f2=10 000 HZ之間連續掃描，產生頻率由低到高連續變化的正弦波信號[5]，當前正在掃描的頻率以數值形式輸出。掃頻信號波形如圖2所示。

其頻率變化規律表達式如（1）所示：

其中掃描循環次數，表示正在進行的是第幾次循環，表示當前正在掃描的頻率[6]。

1．3．數據采集模塊程序設計

測量電路輸入端連接輸出通道AO0，另一輸入端接地，組成回路。輸出端連接輸入通道AI0，通過LabVIEW設計相應的信號生成與信號采集程序，產生的掃頻信號通過輸出通道加到測量放大電路的輸入端，給電路一個輸入電壓信號，經過測量電路對信號進行放大，將放大后的輸出電壓信號經過輸入通道采集回來，以正弦波的形式在屏幕上顯示出來[7]。

2．主要參數計算與測量

2．1．電壓增益

表1 電壓增益測量值Tab.1 Voltage gain measurement

由式（2）得，電壓增益的測量可以通過測量輸入端電壓與輸出端電壓實現[2]，測量結果見表1。測量值與理論值相符，由于運放的輸入電壓為毫伏級，輸出電壓最大值、最小值的限制及外界干擾等因素的影響，導致測量結果會有小的誤差。

2．2．共模抑制比

其中，

運放A3的共模抑制比為90 dB，在理想情況下，共模輸入信號可完全被抑制，放大器輸入信號只反映差模輸入，所以有（5）式：

因此有（6）式，

2．3．輸入阻抗

用串聯電阻法測輸入阻抗，

圖1 測量放大器電路Fig.1 Crcuit of measuring amplifier

3．仿真結果與分析

3．1．仿真結果

采用Proteus仿真軟件對電路進行仿真，仿真結果與分析見表2，實際測量結果見表3。

根據仿真結果，輸入阻抗的值在兆歐級，而實際測量的值相對來說卻很小，是因為運放的輸入電壓在毫伏級的值很小，輸入電流也很小，幾乎為零，使得干擾電流大于輸入電流，因此有較大的誤差。

圖2 掃頻信號波形Fig.2 Waveform of sweep signal

表2 仿真結果Tab.2 Results of the simulation

表3 輸入阻抗測量結果Tab.3 Results of measurement for impedance input

3．2．誤差分析及減小誤差的方法：

（1）合理布線 連接導線應盡量采用短線連接，對于多級放大器合理布線十分重要。由于輸入信號較小，極易受外界干擾，所以放大器的各電路元件應盡可能緊湊在一起，連接導線應盡量短，線與線之間不能交叉絞合在一起，否則極易產生干擾。

（2）盡量減少地線電阻，合理安排接地點。由于電路地線是由電路中多個參考電位相同的元件連接在一起而成，在連接中所采用的導線本身存在著一定的電阻，當電流通過地線時就會在地線的某段線間產生電壓降，若這個電流是交流電，則產生的交流壓降會疊加在正常信號之上被放大器一起放大，形成干擾。

（3）采用性能良好的穩壓電源，解決電源電壓不穩定引起的干擾。輸入端引入線采用屏蔽線，或者將整個輸入級電路利用金屬屏蔽罩進行隔離，屏蔽線和屏蔽罩的外殼必須可靠接地，從而減小外界電磁場的干擾。

4．結論

利用LabVIEW與DAQ數據采集技術相結合，在已有的技術條件下，通過制定比較合理的測試方案，設計出較為完整的數據采集系統，將掃頻信號源加到電路兩輸入端，通過USB-6221，能更有效地實現測量放大電路的參數測量與驗證。高共模抑制比可抑制各種共模信號引入的誤差，高電壓增益可實現對差模信號的放大，進而實現對微弱信號的放大。在整個設計過程中，由于干擾因素的存在，導致測量值與理論值會有一定的誤差，還需進一步優化設計方案，制定出更為合理的測試方法，以減少誤差。

參考文獻：

[1]何玉鈞，高會生．LabVIEW虛擬儀器設計教程[M]．北京：人民郵電出版社，2012：76．

[2]康華光．模擬電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，1979：57．

[3]夏志忠，王淑靜，田池，等．測量放大器的設計[C]//大連海事大學校慶暨中國高等航海教育90周年論文集，1999：34-42．

[5]侯國屏，葉齊鑫． LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M]．北京．清華大學出版社，2005：21-33．

[6]龍華偉，顧永剛．LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M]．北京：清華大學出版社，2008：43-46．

[7]侯國屏，葉齊鑫．LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M]．北京．清華大學出版社，2005：67．