基于LabVIEW的测量放大器参数测试系统设计

张东虞

（ 铜仁学院 大数据学院，贵州 铜仁 554300）

0．引言

测量放大器是一种可实现对微弱电信号放大的高精度放大器，具有较高的输入阻抗、高共模抑制比、高电压增益等优点，在测控领域中应用广泛。LabVIEW是目前较为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。同时，数据采集卡USB-6221对测量信号的采集也是测试测量的重要工作[1]。

目前，美国国家仪器公司（NI）开发的LabVIEW在数据采集技术领域中因其高速采集数据的性能、丰富的图像化编程语言等特点在业界处于遥遥领先的地位。虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展。在国内，LabVIEW也广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，用于研究等领域。DAQ数据采集是LabVIEW最具竞争力的核心技术之一，LabVIEW被公认为是标准的数据采集软件[2]。本测量放大器参数测试系统设计就是采用LabVIEW与USB-6221 DAQ采集设备相结合的方式，有效地实现了测量放大器参数的测试与验证。

1．设计内容

1．1．测量放大器系统设计

放大器系统如图1所示，主要性能指标为：高电压增益，电压增益；高输入阻抗，输入阻抗。

测量电路采用双端差动输入，单端输出的方式[2]，第一级为两个运放并联组成的同相放大器，可获得高的输入阻抗，实现差模信号的放大；第二级由高共模抑制比运放组成差动放大器，主要用来抑制共模信号[3-4]。

1．2．扫频信号源程序设计

在起始频率f1=10 HZ和终止频率f2=10 000 HZ之间连续扫描，产生频率由低到高连续变化的正弦波信号[5]，当前正在扫描的频率以数值形式输出。扫频信号波形如图2所示。

其频率变化规律表达式如（1）所示：

其中扫描循环次数，表示正在进行的是第几次循环，表示当前正在扫描的频率[6]。

1．3．数据采集模块程序设计

测量电路输入端连接输出通道AO0，另一输入端接地，组成回路。输出端连接输入通道AI0，通过LabVIEW设计相应的信号生成与信号采集程序，产生的扫频信号通过输出通道加到测量放大电路的输入端，给电路一个输入电压信号，经过测量电路对信号进行放大，将放大后的输出电压信号经过输入通道采集回来，以正弦波的形式在屏幕上显示出来[7]。

2．主要参数计算与测量

2．1．电压增益

表1 电压增益测量值Tab.1 Voltage gain measurement

由式（2）得，电压增益的测量可以通过测量输入端电压与输出端电压实现[2]，测量结果见表1。测量值与理论值相符，由于运放的输入电压为毫伏级，输出电压最大值、最小值的限制及外界干扰等因素的影响，导致测量结果会有小的误差。

2．2．共模抑制比

其中，

运放A3的共模抑制比为90 dB，在理想情况下，共模输入信号可完全被抑制，放大器输入信号只反映差模输入，所以有（5）式：

因此有（6）式，

2．3．输入阻抗

用串联电阻法测输入阻抗，

图1 测量放大器电路Fig.1 Crcuit of measuring amplifier

3．仿真结果与分析

3．1．仿真结果

采用Proteus仿真软件对电路进行仿真，仿真结果与分析见表2，实际测量结果见表3。

根据仿真结果，输入阻抗的值在兆欧级，而实际测量的值相对来说却很小，是因为运放的输入电压在毫伏级的值很小，输入电流也很小，几乎为零，使得干扰电流大于输入电流，因此有较大的误差。

图2 扫频信号波形Fig.2 Waveform of sweep signal

表2 仿真结果Tab.2 Results of the simulation

表3 输入阻抗测量结果Tab.3 Results of measurement for impedance input

3．2．误差分析及减小误差的方法：

（1）合理布线 连接导线应尽量采用短线连接，对于多级放大器合理布线十分重要。由于输入信号较小，极易受外界干扰，所以放大器的各电路元件应尽可能紧凑在一起，连接导线应尽量短，线与线之间不能交叉绞合在一起，否则极易产生干扰。

（2）尽量减少地线电阻，合理安排接地点。由于电路地线是由电路中多个参考电位相同的元件连接在一起而成，在连接中所采用的导线本身存在着一定的电阻，当电流通过地线时就会在地线的某段线间产生电压降，若这个电流是交流电，则产生的交流压降会叠加在正常信号之上被放大器一起放大，形成干扰。

（3）采用性能良好的稳压电源，解决电源电压不稳定引起的干扰。输入端引入线采用屏蔽线，或者将整个输入级电路利用金属屏蔽罩进行隔离，屏蔽线和屏蔽罩的外壳必须可靠接地，从而减小外界电磁场的干扰。

4．结论

利用LabVIEW与DAQ数据采集技术相结合，在已有的技术条件下，通过制定比较合理的测试方案，设计出较为完整的数据采集系统，将扫频信号源加到电路两输入端，通过USB-6221，能更有效地实现测量放大电路的参数测量与验证。高共模抑制比可抑制各种共模信号引入的误差，高电压增益可实现对差模信号的放大，进而实现对微弱信号的放大。在整个设计过程中，由于干扰因素的存在，导致测量值与理论值会有一定的误差，还需进一步优化设计方案，制定出更为合理的测试方法，以减少误差。

参考文献：

[1]何玉钧，高会生．LabVIEW虚拟仪器设计教程[M]．北京：人民邮电出版社，2012：76．

[2]康华光．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，1979：57．

[3]夏志忠，王淑静，田池，等．测量放大器的设计[C]//大连海事大学校庆暨中国高等航海教育90周年论文集，1999：34-42．

[5]侯国屏，叶齐鑫． LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]．北京．清华大学出版社，2005：21-33．

[6]龙华伟，顾永刚．LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集[M]．北京：清华大学出版社，2008：43-46．

[7]侯国屏，叶齐鑫．LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]．北京．清华大学出版社，2005：67．