# 仪表放大器模块技术文档

## 描述

仪表放大器模块是一款基于高精度仪表放大器芯片（INA128/AD620）设计的专业模拟信号调理模块。该模块具有超高输入阻抗、极低失调电压、优异的共模抑制比和低噪声特性，专门用于放大微弱差分信号。模块集成了增益可调、偏移校正、输出滤波等功能，广泛应用于传感器信号调理、生物医学测量、应变计放大、热电偶信号处理等精密测量场合，是高精度数据采集系统的核心组件。

## 工作原理

### 基本原理框图
```
差分输入 → [输入缓冲] → [仪表放大器] → [输出缓冲] → [滤波] → 输出信号
    ↓         ↓           ↓            ↓         ↓
[保护电路] → [增益设置] → [共模抑制] → [偏移调节] → [状态指示]
```

仪表放大器模块采用三运放结构的经典仪表放大器设计，通过单个外部电阻即可精确设定增益，具有极高的输入阻抗和优异的共模抑制性能。

**输入级设计**：采用匹配的高精度运算放大器作为输入缓冲器，每个输入端具有超高输入阻抗（通常>10GΩ）和极低的输入偏置电流（<1nA）。输入级为非反相配置，不会对输入信号进行相位反转，同时提供高共模抑制比。输入端设置ESD保护二极管和限流电阻，防止静电或过压损坏。

**增益控制机制**：仪表放大器的增益通过单个外部电阻RG进行设置，增益公式为G=1+50kΩ/RG（INA128）或G=1+49.4kΩ/RG（AD620）。这种设计确保了增益的高精度和温度稳定性。模块提供多档增益选择跳线和精密增益调节电位器，可实现1～1000倍的连续可调增益。

**差分放大原理**：输入级的两个运放将差分输入信号转换为差分电流，流过增益电阻RG。第三级差分放大器将这个差分电流转换回电压输出。整个过程中，共模信号被有效抑制，只有差分信号被放大。共模抑制比可达120dB以上，确保在强干扰环境下仍能准确提取微弱信号。

**输出级处理**：输出级采用低阻抗设计，可直接驱动ADC或后级电路。集成输出偏移调零电路，可消除系统偏移误差。输出端设置可选的低通滤波器，抑制高频噪声和干扰信号，改善信噪比。

**基准电压设计**：模块提供可调基准电压输入端（REF），允许设置输出的直流偏置。当REF接地时，输出为双极性；当REF接正电压时，可将负输入信号转换为正输出，适合单电源ADC采集。

**电源管理**：支持单电源（+5V～+36V）和双电源（±2.25V～±18V）工作模式。内部集成电源去耦和滤波电路，确保在各种电源条件下的稳定工作。低功耗设计适合便携式和电池供电应用。

**保护与监测**：输入端具有过压保护，输出端有短路保护。集成温度保护功能，防止过热损坏。通过状态指示LED显示电源状态、信号范围和饱和状态，便于系统调试和故障诊断。

模块可配置为各种测量应用：应变计桥路放大器（四分之一桥、半桥、全桥）、热电偶放大器、生物电信号放大器、压力传感器信号调理器等，满足不同精密测量需求。

## 技术指标

### 主要芯片选型
- **INA128**：高精度、低功耗、单电源工作
- **AD620**：超低噪声、高共模抑制比、宽电源范围

### 核心技术参数
- 工作电压：±2.25V～±18V（双电源）/ +4.5V～+36V（单电源）
- 输入失调电压：≤50μV（INA128）/ ≤125μV（AD620）
- 输入偏置电流：≤2nA
- 增益范围：1～1000（可调）
- 共模抑制比：≥120dB
- 电源抑制比：≥120dB
- 输入阻抗：>10GΩ

## 接口管脚定义

| 管脚号 | 信号名称 | 类型 | 说明 |
|--------|----------|------|------|
| 1 | IN+ | 输入 | 差分信号正输入端 |
| 2 | IN- | 输入 | 差分信号负输入端 |
| 3 | VOUT | 输出 | 放大信号输出端 |
| 4 | VCC+ | 电源 | 正电源输入 |
| 5 | VCC- | 电源 | 负电源输入/地 |
| 6 | REF | 输入 | 基准电压输入 |
| 7 | RG1 | 控制 | 增益设置电阻端1 |
| 8 | RG2 | 控制 | 增益设置电阻端2 |
| 9 | SENSE+ | 输入 | 输出电压正反馈端 |
| 10 | SENSE- | 输入 | 输出电压负反馈端 |
| 11 | GUARD | 屏蔽 | 屏蔽驱动输出 |
| 12 | GND | 电源 | 信号地 |

## 板上设置和信号指示

### 跳线设置

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| JP1 | 电源模式 | 双电源 | 单电源/双电源工作模式选择 |
| JP2 | 增益档位 | ×100 | 粗调增益选择（×1/×10/×100/×1000） |
| JP3 | 基准模式 | 接地 | 基准电压连接方式（接地/外部/内部） |
| JP4 | 滤波使能 | 使能 | 输出低通滤波器开关 |
| JP5 | 屏蔽模式 | 使能 | 输入屏蔽驱动功能开关 |

### 电位器调节

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| RV1 | 增益微调 | 中间位置 | 增益精细调节（±20%范围） |
| RV2 | 偏移调零 | 中间位置 | 输入失调电压补偿 |
| RV3 | 基准调节 | 中间位置 | 内部基准电压调节 |
| RV4 | 滤波频率 | 最高频率 | 输出低通滤波器截止频率 |

### 指示灯

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| LED1 | 电源指示 | 绿灯亮 | 电源工作正常指示 |
| LED2 | 信号指示 | 黄灯闪烁 | 有效输入信号检测 |
| LED3 | 过载指示 | 红灯灭 | 输入过载或输出饱和 |
| LED4 | 滤波状态 | 蓝灯亮 | 输出滤波器工作状态 |

### 测试点

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| TP1 | 差分输入 | - | 输入差分信号监测点 |
| TP2 | 共模信号 | - | 输入共模电平监测点 |
| TP3 | 基准电压 | 0V/VCC/2 | 基准电压监测点 |
| TP4 | 输出信号 | - | 放大输出信号监测点 |
| TP5 | 增益监测 | - | 增益设置状态监测点 |

### 开关设置

| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| SW1 | 输入短路 | 断开 | 输入端短路校准开关 |
| SW2 | 校准模式 | 正常 | 零点和增益校准模式选择 |
| SW3 | 自检模式 | 关闭 | 内置测试信号自检功能 |

## 电气指标

| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
|------|--------|--------|--------|------|
| 工作电压（双电源） | ±2.25 | ±15 | ±18 | V |
| 工作电源（单电源） | 4.5 | 15 | 36 | V |
| 静态电流 | - | 1.3 | 2.5 | mA |
| 输入失调电压 | - | 50 | 250 | μV |
| 输入失调漂移 | - | 0.5 | 2 | μV/℃ |
| 输入偏置电流 | - | 2 | 25 | nA |
| 输入偏置电流漂移 | - | 25 | 100 | pA/℃ |
| 输入阻抗（差模） | 10 | 100 | - | GΩ |
| 输入阻抗（共模） | 10 | 100 | - | GΩ |
| 开环增益 | 120 | 140 | - | dB |
| 增益精度 | -0.1 | - | 0.1 | % |
| 增益漂移 | - | 10 | 50 | ppm/℃ |
| 共模抑制比（G=1） | 100 | 120 | - | dB |
| 共模抑制比（G=1000） | 100 | 130 | - | dB |
| 电源抑制比 | 100 | 120 | - | dB |
| 输入电压噪声 | - | 10 | 20 | nV/√Hz |
| 输入电流噪声 | - | 0.1 | 0.5 | pA/√Hz |
| 带宽（G=1） | - | 1 | - | MHz |
| 带宽（G=100） | - | 200 | - | kHz |
| 转换速率 | 0.5 | 1.5 | - | V/μs |
| 建立时间（0.01%） | - | 200 | 500 | μs |
| 输出电压摆幅 | VCC-1.5 | VCC-1.2 | VCC-1.0 | V |
| 输出电流 | - | ±25 | ±40 | mA |
| 功耗 | - | 20 | 40 | mW |
| 工作温度 | -40 | 25 | +85 | ℃ |
| 存储温度 | -65 | - | +150 | ℃ |

## 使用说明

### 1. 硬件连接
- 按照管脚定义正确连接电源，确保电源纹波<10mV
- 差分输入信号通过屏蔽线连接，保持信号完整性
- 输出端接适当负载，避免容性负载引起振荡
- 良好接地，建议采用星形接地方式

### 2. 电源配置
- **双电源模式**：±15V供电，适用于双极性输入输出
- **单电源模式**：+15V供电，REF端接VCC/2作为中点电压
- 电源去耦：在芯片附近放置0.1μF陶瓷电容和10μF电解电容

### 3. 增益设置与校准
- 根据应用需求选择JP2粗调增益档位
- 使用RV1进行增益精细调节，配合数字万用表测量
- 增益校准：输入已知差分信号，调节RV1使输出为理论值
- 增益公式：G = 1 + 49.4kΩ/RG（AD620）

### 4. 零点校准
- 将输入端短路（SW1闭合）或接入零差分信号
- 调节RV2使输出为预设零点值
- 对于单电源应用，零点通常设为VCC/2
- 校准完成后断开SW1，恢复正常工作

### 5. 滤波器配置
- JP4控制输出低通滤波器的使能
- RV4调节滤波器截止频率，抑制高频噪声
- 根据信号带宽需求设置适当的截止频率
- 注意滤波器会引入群延迟，影响瞬态响应

### 6. 屏蔽与抗干扰
- 启用JP5屏蔽驱动功能，提高抗干扰能力
- 输入线缆使用双绞屏蔽线，屏蔽层连接GUARD端
- 避免输入线缆与数字信号或电源线并行走线
- PCB采用地平面设计，减少地环路干扰

### 7. 故障诊断
- LED1不亮：检查电源连接和电压
- LED3亮起：输入过载或增益过高，检查输入信号幅度
- 输出饱和：降低增益或检查基准电压设置
- 噪声过大：检查接地、屏蔽和滤波器设置

## 全国大学生电子设计竞赛相关赛题

### A类（测量仪器类）
1. **简易数字存储示波器**（2009年、2015年、2021年）
   - 模拟前端信号调理和放大
   - 实现mV级小信号的精确测量
   - 多档量程自动切换功能

2. **简易频谱分析仪**（2001年、2018年）
   - 射频信号下变频后的中频放大
   - 宽动态范围信号检测
   - 噪声底抑制和信噪比改善

3. **数字式工频有效值多用表**（2010年、2016年）
   - 交流电压和电流的精密测量
   - 多量程切换的前端放大器
   - 高精度、低漂移要求

4. **简易电阻、电容和电感测试仪**（2006年、2012年）
   - 微弱激励响应信号的放大
   - 阻抗测量中的信号调理
   - 宽频率范围的增益平坦性

### B类（信号处理类）
5. **数据采集与处理系统**（2004年、2020年）
   - 多路传感器信号的同步放大
   - 高精度数据采集前端设计
   - 传感器激励和信号调理一体化

6. **音频信号分析仪**（2013年、2019年）
   - 音频信号的低噪声放大
   - 宽动态范围信号处理
   - THD测量的前端放大器

7. **简易数字信号处理平台**（2008年）
   - 模拟信号的数字化预处理
   - 多通道信号的并行放大
   - 信号调理和抗混叠滤波

### C类（传感器与测量类）
8. **温度测量与控制系统**（2004年、2020年）
   - 热电偶信号的放大和冷端补偿
   - 铂电阻信号的精密测量
   - 微伏级温差信号处理

9. **简易心电图仪**（2017年）
   - 心电信号的差分放大（0.05-100Hz）
   - 高共模抑制比（>100dB）要求
   - 低噪声、高输入阻抗设计

10. **生物医学信号处理装置**（2014年）
    - 脑电、肌电信号的超低噪声放大
    - 极高输入阻抗（>1GΩ）要求
    - 严格的生物安全和隔离要求

### D类（控制系统类）
11. **直流电机控制系统**（多年出现）
    - 电机电流检测的差分放大
    - 转速反馈信号的精密放大
    - 负载转矩测量信号调理

12. **开关电源的设计**（2019年、2021年）
    - 输出电压精密检测放大
    - 电流检测信号的差分放大
    - 误差放大器的高精度设计

13. **无线充电装置**（2020年、2022年）
    - 功率传输效率的精密测量
    - 线圈电流和电压的同步检测
    - 谐振频率跟踪的信号处理

### E类（通信与射频类）
14. **简易短波SSB收发信机**（2003年、2016年）
    - 射频信号的中频放大
    - AGC（自动增益控制）前端放大
    - 接收灵敏度改善

15. **调幅信号处理实验装置**（2007年）
    - 调制信号的线性放大
    - 检波前的信号调理
    - 信噪比和失真度测量

### F类（新兴技术类）
16. **简易雷达测量系统**（2020年）
    - 多普勒信号的差分放大
    - 回波信号的低噪声放大
    - 距离和速度测量的模拟前端

17. **电磁场测量装置**（2018年）
    - 感应线圈信号的精密放大
    - 电场探头信号的高阻抗放大
    - 宽频率范围的平坦响应

18. **智能物联网监测系统**（2021年、2022年）
    - 环境传感器的多参数测量
    - 超低功耗信号调理设计
    - 无线传输前的信号预处理

### 应用技术要点总结

**高精度测量应用**：
- 利用超低失调电压（<50μV）实现精密测量
- 高共模抑制比（>120dB）抑制工频干扰
- 低噪声设计（<10nV/√Hz）提高测量分辨率

**传感器接口应用**：
- 超高输入阻抗（>10GΩ）适配各种传感器
- 可变增益（1-1000倍）适应不同信号幅度
- 单电源工作适合便携式系统

**生物医学应用**：
- 极低输入偏置电流（<2nA）避免信号源负载
- 宽带宽设计满足生理信号频谱要求
- 严格的安全隔离和EMC设计

**工业控制应用**：
- 差分输入抑制共模干扰
- 宽电源范围适应恶劣工业环境
- 过载保护确保系统可靠性

仪表放大器模块凭借其卓越的性能指标，已成为各类精密测量和信号处理竞赛题目的核心组件，是电赛参赛者必备的重要模块。