# 差分转单端模块技术文档

## 描述

本模块采用高精度仪表放大器INA134构成的差分转单端转换器，配备精密电阻网络和增益调节电路。具有优异的共模抑制比、低噪声和高线性度特性，能够将差分信号精确转换为单端信号，同时有效抑制共模噪声和干扰。广泛应用于传感器信号调理、数据采集系统、医疗仪器和精密测量等需要高共模抑制性能的场合。

## 工作原理

### 系统框图
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差分输入信号 → 输入保护 → INA134仪表放大器 → 输出缓冲 → 单端输出信号
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共模噪声抑制 → ESD保护 → 精密电阻网络 → 增益调节 → 负载驱动
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          滤波网络 → 偏置调节 → 基准电压设置
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### 详细工作原理

差分转单端模块基于仪表放大器的三运放架构原理工作。INA134采用经典的两级放大结构，第一级由两个缓冲放大器A1和A2组成，第二级为差分放大器A3，通过激光修调的片内精密电阻网络实现高精度的差分信号处理。

第一级缓冲放大器具有极高的输入阻抗(>10^9Ω)和低输入偏置电流(<3nA)，能够有效隔离信号源，避免负载效应。两个输入缓冲器的输出通过精密电阻网络连接到第二级差分放大器，该级负责实现差分信号的放大和共模信号的抑制。

增益设定通过外部精密电阻Rg来实现，增益公式为G = 1 + (50kΩ/Rg)，其中50kΩ是INA134的内部增益设定电阻。通过选择不同阻值的Rg电阻，可以实现1到1000倍的增益调节。精密电阻网络采用温度系数≤25ppm/℃的薄膜电阻，确保增益的长期稳定性。

共模抑制原理基于差分放大器的对称特性。当两个输入端接收到相同的共模信号时，由于电路的高度对称性，共模信号在差分输出端相互抵消，实现>80dB的共模抑制比。而差分信号(V+ - V-)则被线性放大并转换为相对于参考地的单端输出信号。

输入保护电路采用精密匹配的限流电阻和钳位二极管，防止过压损坏芯片。ESD保护电路能承受±2kV的人体模型静电放电。输入端配置共模滤波电容和差模滤波电容，有效抑制射频干扰和电源噪声。

基准电压设置功能允许用户设定输出信号的直流偏置。通过VREF引脚可以输入±5V的基准电压，使输出信号相对于该基准电压摆动，便于后级ADC或其他单电源电路的处理。

输出缓冲级采用单位增益跟随器配置，提供低输出阻抗(<1Ω)和±25mA的驱动电流。输出端配置短路保护和热保护电路，确保在异常负载条件下器件的安全工作。

温度补偿电路通过片内温度传感器监测芯片温度，自动调节偏置电流和增益，在-40℃到+85℃范围内保持优异的温度稳定性。整个芯片采用先进的BiMOS工艺制造，结合了双极型器件的精度和MOS器件的高输入阻抗特性。

PCB设计采用对称布局，差分信号走线等长且紧密耦合，最大限度保持信号完整性。电源去耦采用多个不同容值的电容并联，有效抑制各个频段的电源噪声。关键的增益设定电阻采用开尔文连接方式，消除引线电阻的影响。

## 技术指标

- **输入电压范围**: ±10V (共模), ±10V (差模)
- **输出电压范围**: ±10V
- **增益范围**: 1 ~ 1000 (可编程)
- **增益精度**: ±0.01% + 0.5ppm/V
- **增益温漂**: ±5ppm/℃
- **输入阻抗**: >10^9Ω || 2pF
- **输出阻抗**: <1Ω
- **共模抑制比**: >80dB @ DC, >70dB @ 60Hz
- **电源抑制比**: >100dB
- **输入失调电压**: <250µV
- **输入偏置电流**: <3nA
- **噪声电压**: 8nV/√Hz @ 1kHz
- **带宽**: 25kHz (G=1), 2.5kHz (G=100)
- **转换速率**: 1.5V/µs
- **建立时间**: 25µs (0.01%精度)

## 接口管脚定义

| 管脚号 | 信号名 | 方向 | 描述 |
|--------|--------|------|------|
| 1 | VIN+ | 输入 | 差分信号正输入端 |
| 2 | VIN- | 输入 | 差分信号负输入端 |
| 3 | VOUT | 输出 | 单端信号输出 |
| 4 | VCC+ | 电源 | 正电源输入，+15V |
| 5 | VCC- | 电源 | 负电源输入，-15V |
| 6 | AGND | 电源 | 模拟地参考 |
| 7 | VREF | 输入 | 输出基准电压设置 |
| 8 | RG+ | 输入 | 增益设定电阻正端 |
| 9 | RG- | 输入 | 增益设定电阻负端 |
| 10 | SENSE | 输出 | 远端电压反馈 |

## 板上设置和信号指示

### 跳线设置
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| JP1 | GAIN_SEL | 短接2-3 | 增益选择：1-2外部Rg，2-3内置增益 |
| JP2 | REF_SEL | 短接1-2 | 基准选择：1-2内部0V，2-3外部VREF |
| JP3 | SENSE_EN | 短接2-3 | 远端检测：1-2本地，2-3远端反馈 |

### 指示灯
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| LED1 | PWR_OK | 绿色常亮 | 电源正常指示 |
| LED2 | SIG_VALID | 绿色闪烁 | 有效信号指示 |
| LED3 | OVERRANGE | 红色熄灭 | 超量程报警 |
| LED4 | CM_FAULT | 黄色熄灭 | 共模电压过大报警 |

### 拨码开关
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| SW1 | GAIN_CODE | 0011 | 增益编码：0001=G1, 0010=G10, 0011=G100 |

### 调节电位器
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| RV1 | OFFSET_TRIM | 中位 | 输出失调调零，±10mV |
| RV2 | GAIN_TRIM | 中位 | 增益微调，±1% |
| RV3 | VREF_ADJ | 中位 | 基准电压调节，±5V |

### 测试点
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| TP1 | VIN_CM | - | 输入共模电压监测 |
| TP2 | VIN_DIFF | - | 输入差分电压监测 |
| TP3 | VOUT_MON | - | 输出电压监测 |

### 增益设定电阻
| 位号 | 信号名 | 默认值 | 说明 |
|------|--------|--------|------|
| R1 | RG_1 | 不装 | 增益=1时不需要 |
| R2 | RG_10 | 5.56kΩ | 增益=10的设定电阻 |
| R3 | RG_100 | 505Ω | 增益=100的设定电阻 |
| R4 | RG_1000 | 50.5Ω | 增益=1000的设定电阻 |

## 电气指标

| 参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
|------|--------|--------|--------|------|
| 增益精度 | 99.99 | 100.00 | 100.01 | % |
| 共模抑制比 | 80 | 86 | - | dB |
| 输入失调电压 | - | 125 | 250 | µV |
| 输入偏置电流 | - | 1.5 | 3 | nA |
| 工作温度范围 | -40 | 25 | +85 | ℃ |

## 使用说明

### 安装配置
1. **电源连接**：
   - 连接±15V双电源供电
   - 确认电源去耦电容正确安装
   - 检查电源指示灯PWR_OK状态

2. **增益设置**：
   - 根据应用需求选择合适的增益
   - 设置SW1拨码开关选择增益档位
   - 或通过JP1选择外部Rg电阻

3. **基准电压设置**：
   - JP2选择内部0V基准或外部VREF
   - 外部基准时调节RV3设定合适电压
   - 监测TP3确认输出偏置正确

### 校准步骤
1. **失调校准**：
   - 输入端短接，模拟共模输入
   - 调节RV1使输出为设定的基准值
   - 记录各增益档位的失调值

2. **增益校准**：
   - 输入已知差分信号
   - 调节RV2微调增益到准确值
   - 验证线性度和重复性

3. **共模抑制测试**：
   - 输入大幅度共模信号
   - 测量输出变化验证CMR性能
   - 调整布线减小共模耦合

### 应用注意事项
- **信号连接**：使用双绞线或同轴电缆连接差分信号
- **接地**：保持良好的模拟地连接，避免地回路
- **屏蔽**：高阻抗输入易受干扰，注意电磁屏蔽
- **负载**：输出负载应大于2kΩ，容性负载小于100pF
- **带宽**：高增益时带宽下降，注意信号频率要求

### 故障诊断
- **共模抑制差**：检查输入电路对称性，更换匹配电阻
- **增益误差大**：校准Rg电阻值，检查温度影响
- **噪声大**：改善屏蔽接地，检查电源纹波
- **失调漂移**：检查温度环境，重新执行校准

## 可用于全国大学生电子设计竞赛的相关赛题

### 精密测量类
1. **精密数字万用表** - 差分电压测量前端处理
2. **数据采集系统** - 多通道差分信号调理
3. **应变测量系统** - 应变片桥路信号处理
4. **温度测量仪** - 热电偶差分信号放大

### 传感器接口类
5. **称重传感器** - 载荷传感器信号调理
6. **压力传感器** - 差分压力信号处理
7. **位移传感器** - LVDT传感器信号解调
8. **流量计** - 差压式流量传感器接口

### 生物医学类
9. **心电图仪** - 心电信号差分放大
10. **肌电图仪** - 肌肉电活动信号处理
11. **脑电图仪** - 脑电信号前端放大
12. **血压监护仪** - 压力传感器信号调理

### 音频信号类
13. **专业音响设备** - 平衡音频信号处理
14. **话筒前置放大器** - 动圈话筒信号放大
15. **音频分析仪** - 音频信号测量分析
16. **噪声测试仪** - 环境噪声信号处理

### 通信系统类
17. **调制解调器** - 基带差分信号处理
18. **光纤通信** - 光电转换差分信号放大
19. **无线接收机** - 中频差分信号处理
20. **数字通信** - 差分数据信号调理

### 工业控制类
21. **过程控制系统** - 4-20mA差分信号处理
22. **电机控制器** - 编码器差分信号接口
23. **位置控制系统** - 位置反馈信号处理
24. **振动监测** - 振动传感器信号调理

### 电源测试类
25. **电池测试仪** - 电池电压差分测量
26. **电源分析仪** - 电源纹波差分测量
27. **功率计** - 功率信号差分采样
28. **谐波分析仪** - 电网信号质量分析

### 科学仪器类
29. **示波器前端** - 差分探头信号处理
30. **频谱分析仪** - 射频信号差分检测
31. **网络分析仪** - S参数测量信号处理
32. **信号发生器** - 差分输出驱动电路

该差分转单端模块凭借其优异的共模抑制性能、高精度和低噪声特性，成为各类需要抑制共模干扰和处理差分信号应用的理想选择，在电子设计竞赛中具有极其广泛的应用价值。