專利名稱：放大信號的方法和裝置以及使用該方法和裝置的測試設備的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及可增加電壓幅值的放大器，更具體地，涉及一種具有 高輸入阻抗、高帶寬和高信噪比的放大器及方法。
背景技術：
普遍使用測量各種電參數(例如電壓、電流和阻抗)的設備。典型的例子
是萬用表，其主要可測量AC或直流("DC")電壓和電流及阻抗。典型的 萬用表包括一組測試線，該測試線可連接到一對測試點。測試線耦合到內 部放大器，其可驅動電路以提供信息到讀出設備例如模擬儀表或數字顯示
器上。圖1顯示了典型的放大器電路10。該放大器電路IO包括運算放大器 12，運算放大器12的非反相(non-irwerting)輸入端接地。運算放大器12的 反相輸入端形成求和結點(summing junction),其通過輸入電阻器18連接到 萬用表的一個輸入端子14，并通過反饋電阻器20連接到運算放大器12的 輸出端。另一個輸入端子24接地。正如本領域所公知的那樣，通過反饋電 阻器20與輸入電阻器18的阻抗之比來設置放大器12的增益。
通常需要萬用表具有非常高高的輸入阻抗。為此，輸入電阻器18—般 具有非常高的阻抗，例如1MQ。反饋電阻器20的阻抗一般會低得多，例如 IOKQ。因此，放大器12的增益比較低。使用給出的例子(1MQ的輸入電阻 器18和10KQ的反饋電阻器20)，放大器12的增益為0.01。
放大器12的輸出端隨后施加于高增益放大器30上。放大器12的低增 益衰減了待測量的信號。然而，令人遺憾的是，其并未顯著衰減可能存在 于信號中或萬用表中的噪聲。因此，當高增益放大器30增強放大器12的 輸出時，測量信號的信噪比會非常低。
圖2顯示了通常用于萬用表中的另一個"前端"放大器電路40。該電 路40也使用了運算放大器44，該運算放大器44被配置為電壓跟隨器，其
輸出端連接到放大器44的反相輸入端。將待測量信號通過電阻器46施加 于放大器44的非反相輸入端上。放大器44在它的反相和非反相輸入端之 間具有非常高的輸入阻抗。但是，為了將輸入阻抗固定為恒定、可控制的 值，在輸入端子14和地之間會使用輸入電阻器48。輸入電阻器48可具有 高阻抗值，例如1MQ 。令人遺憾的是，放大器44的寄生電容和輸入電容(皆 由電容C表示)與電阻器46 —起形成了低通濾波器。這個低通濾波器會限 制放大器電路40的AC響應。雖然電路40仍可用于測量DC信號的電壓和 電流，但是低通濾波器會導致AC信號的測量錯誤，特別是在AC信號具有 高頻的情況下。
因此，需要一種以如下方式對待測量信號進行放大的電路其可導致 高信噪比、高且穩定的輸入阻抗和良好的高頻性能。
發明內容
一種對施加于第一和第二輸入端子之間的信號進行放大的裝置和方 法，包括提供輸出電壓的輸出電壓發生器，該輸出電壓的幅值與施加于 第一輸入端子上的電壓相等。該輸出電壓發生器所提供的輸出電壓的極性 與施加于第一輸入端子上的以固定電壓為參考的電壓的極性相反。該輸出 電壓發生器提供輸出電壓到第二輸入端子。該輸出電壓發生器可為負積分 驅動電路，該負積分驅動電路具有與第一測試端子相耦合的第一輸入端、 與固定電壓相耦合的第二輸入端、以及與第二測試端子相耦合的輸出端。 負積分驅動電路可被操作為對施加于第一測試端子上的電壓進行積分。由 負積分驅動電路所完成的積分的極性與施加于第一測試端子上的電壓的極 性相反。
圖1是在測試和測量設備中通常使用的現有技術的放大器電路的一個 實施例；
圖2是在測試和測量設備中通常使用的現有技術的放大器電路的另一 個實施例；
圖3是根據本發明一個實施例的放大器電路的實施例；
圖4是根據本發明另一個實施例的放大器電路的實施例； 圖5是顯示了測量AC電壓的萬用表的平面圖，該萬用表使用了圖3 或圖4的放大器電路，或使用了根據本發明一些其它實施例的放大器電路。
具體實施例方式
圖3中顯示了根據本發明一個實施例的放大器電路50。該放大器電路 50包括具有一對輸入端子52、 53的負積分驅動電路(negative integrating driver circuit)51 。輸入端子的其中之一 52連接到第一測試端子54上，而另 一輸入端子53接地。將待測量的輸入電壓Vw施加于第一測試端子54和第 二測試端子56之間。負積分驅動電路51的輸出端連接到第二測試端子56 和第一輸出端子58上。第二輸出端子59接地。產生于端子58、 59之間的 輸出電壓VouT提供了施加于測試端子54、 56上的電壓V^的幅值指示。負 積分驅動電路51對施加于測試端子54、 56之間的輸入電壓VjN關于時間進 行積分，其極性與輸入電壓V!N的極性相反。例如，如果輸入電壓Vw為恒 定的+5伏，則負積分驅動電路51的輸出將會以恒定的速率進行負增長。
放大器電路50具有如下不常見的特性將電路(即負積分驅動電路51) 的輸出端連接到輸入端子(即測試端子56)。在操作中，假設端子56處的以 地為參考的電壓初始為0伏。端子54處的以地為參考的電壓因此等于施加 于測試端子54、 56之間的電壓VjN。該電壓施加于負積分驅動電路51上， 而負積分驅動電路51對該電壓進行負積分。最終，負積分驅動電路51的 輸出端處的電壓等于-VjN，即，在端子54、 56之間的電壓VjN的負數。在 這一點上，第一測試端子54的電壓將會為0伏，該電壓被施加于負積分驅 動電路51的輸入端上。負積分驅動電路51因此停止積分以維持測試端子 56處的電壓為端子54、 56之間的電壓VrN的負數。在端子58、 59之間取
得的輸出電壓VouT因而具有與被測電壓V!N相反的值。例如，如果+5伏電
壓被施加于端子54、 56之間，則負積分驅動電路51的輸出端將會為-5伏。 在這一點上，端子54處的以地為參考的電壓將會為0伏。結果，負積分驅 動電路51將會停止進一步積分，從而輸出端子58、 59之間的電壓Vour將 會維持在-5伏。負積分驅動電路51可具有積分時間常數，該積分時間常數 足夠的短以提供給放大器電路充足的高頻響應。因而，在負積分驅動電路
51的頻率響應內的施加于測試端子54、 56之間的電壓改變不會導致在輸入 端子54、 56之間的任何電流。因此，只要輸入端子54或56與地之間是完 全隔離的，輸入端子54、 56上的低頻輸入阻抗(g卩，de(t)/di(t))實際是無限的。
圖4顯示了根據本發明另一個實施例的放大器電路60。該放大器電路 60包括負積分驅動電路62，該負積分驅動電路62包括運算放大器64，通 過將該運算放大器64的輸出端耦合到其反相輸入端來將其配置為電壓跟隨 器。放大器64的非反相輸入端通過電阻器70連接到第一測試端子66上， 電阻器70可具有100K或其他任何合適的值。放大器64的輸出端通過電阻 器74連接到另一個運算放大器80的反相輸入端。該放大器80具有接地的 非反相輸入端，及通過電容器84連接到其輸出端的反相輸入端，從而其用 作反相積分器。通過電阻器74的阻抗和電容器84的電容量的乘積來設置 積分時間常數。在一個實施例中，電阻器74具有200歐姆的阻抗，電容器 具有100皮法的電容量，但也可以使用其他值。通過使用運算放大器64作 為電壓跟隨器，放大器80的積分時間能夠與電阻器74的通常較低的阻抗 而不是電阻器70的通常較高的阻抗成比例。放大器80的輸出端連接到第 二測試端子88上。待測電壓V!N施加于端子66、 88之間。電阻器90連接 到測試端子66、 88之間，以設置放大器電路60的輸入阻抗。在一個實施 例中，電阻器90的阻抗為1MQ，但也可使用其他阻值。同樣，可以省略電 阻器90以提供的實際無限的低頻輸入阻抗。從放大器80的輸出端得到放 大器電路60的第一輸出端子94，且第二輸出端子96接地。在端子94、 96 之間產生輸出電壓VoUT。
在操作中，施加于測試端子66、 88之間的電壓Vm再一次施加到放大 器80上。放大器80隨后對該電壓進行負積分。最終，放大器80輸出端處 的以地為參考的電壓與端子66， 88之間的電壓Vw相等。在這一點上，第 一測試端子66處的以地為參考的電壓將會為0伏，其被施加于放大器80 的輸出端上。放大器80因此停止積分，以將放大器80的輸出端處的電壓 保持為在端子之間測量的任何電壓V!N的負數。在端子94、 96之間取得的
輸出電壓V()UT因而具有與被測的電壓V!N相反的值。例如，如果將+5伏施
加于端子66、 88之間，則放大器64的輸出端將會為5伏。放大器80隨后
開始進行負積分，從而在放大器80輸出端處的電壓進行負增長，因此在測 試端子66處的電壓朝0伏方向相對應地減小。當積分己經進行到放大器80 輸出端為-5伏的點時，在端子66處的電壓將會為0伏。在這一點上，放大 器64將0伏電壓施加于放大器80上，其將隨后停止進一步的積分，從而 在輸出端子94、 96之間的以地為參考的電壓VouT將維持在-5伏。如果測 試端子66、 88突然短路，則-5伏的電壓將會被施加到放大器64上，這將 使得放大器80朝0伏方向進行正積分。當放大器80的輸出端到達0伏時， 積分將會停止。通過選擇合適的電阻器74和電容器84的值，積分時間可 充分的短以使得放大器電路60的高頻響應充足。
圖5顯示的萬用表100中使用了放大器50或60或者根據本發明一些 其他實施例的放大器電路。該萬用表100包括數字顯示器104、手動可操作 的按鈕106、和可旋轉的模式選擇器開關108，其顯示在測量AC電壓的位 置中。盡管萬用表100使用了數字顯示器104，但是可以理解的是，其也可 以使用其他類型的顯示器，例如模擬儀表(未顯示)。同樣，顯而易見地，也 可以使用除按鈕106及選擇器開關108之外的其他控制器。一對測試線110、 U2具有插頭116、 118，所述插頭116、 118被插入到相應的插孔120、 122 中。插頭118被插入到插孔122中以測量AC或DC電壓，而其被插入另外 一對插孔124、 126中的一個來相應測量電流或阻抗。對于所有測量，插頭 116都被插入到插孔120中。通過相應的測試探針130、 132，測試線110、 112連接到相應的導線136、 138的形式的相應的測試點上。插孔120連接 到負積分驅動電路140的輸出端子，負積分驅動電路140可以為負積分驅 動電路51或62，或者根據本發明另一個實施例的負積分驅動電路。插孔 122連接到負積分驅動電路140的輸入端。負積分驅動電路140的輸出端連 接到合適的處理電路144，其提供信號到顯示器104來提供電壓指示。
從上文中可以看出，盡管出于說明的目的在本文中描述了本發明的具 體實施例，但可以對這些具體的實施例進行各種各樣的修改而不偏離本發 明的精神和范圍。例如，可以省略運算放大器64，從而測試端子66通過電 阻器70或74中的一個直接施加于放大器80上。對于本領域技術人員來說， 其他的變化也是顯而易見的。因此，本發明僅受所附權利要求的限制。
權利要求
1、一種放大器電路，包括第一測試端子；第二測試端子；第一輸出端子；第二輸出端子，其耦合到第一固定電壓；以及輸出電壓發生器，其具有與所述第一測試端子相耦合的第一輸入端、與第二固定電壓相耦合的第二輸入端、以及輸出端，所述輸出端耦合到所述第二測試端子和所述第一輸出端子，所述輸出電壓發生器可被操作為施加一個電壓給所述輸出電壓發生器的輸出端，所述電壓的幅值等于施加于所述輸出電壓發生器的第一輸入端上的以所述第二固定電壓為參考的電壓，并且所述電壓的極性與施加于所述輸出電壓發生器的第一輸入端上的以所述第二固定電壓為參考的電壓的極性相反。
2、 如權利要求1所述的放大器電路，還包括耦合在所述第一測試端子 和所述第二測試端子之間的輸入電阻器。
3、 如權利要求1所述的放大器電路，其中，所述第一固定電壓的幅值 等于所述第二固定電壓的幅值。
4、 如權利要求3所述的放大器電路，其中，所述第一固定電壓和所述 第二固定電壓是0伏。
5、 如權利要求1所述的放大器電路，其中，所述輸出電壓發生器包括 負積分驅動電路，所述負積分驅動電路具有與所述第一測試端子相耦合的 第一輸入端、與所述第二固定電壓相耦合的第二輸入端、以及輸出端，所 述輸出端耦合到所述第二測試端子和所述第一輸出端子，所述負積分驅動 電路可被操作為對施加于所述第一測試端子上的以所述第二固定電壓為參 考的電壓進行積分，所述積分的極性與施加于所述第一測試端子上的以所述第二固定電壓為參考的電壓的極性相反，所述負積分驅動電路提供指示 所述積分的輸出電壓到所述負積分驅動電路的輸出端。
6、 如權利要求5所述的放大器電j^，其中，所述負積分驅動電路包括: 具有增益的放大器，所述放大器具有與所述第一測試端子相耦合的第一輸入端、與所述第二固定電壓相耦合的第二輸入端、以及輸出端；以及 積分器，其具有與所述放大器的輸出端相耦合的輸入端、以及輸出端， 所述輸出端耦合到所述第一輸出端子和所述第二輸入端子，所述積分器可 被操作為對從所述放大器的輸出端接收的電壓進行積分，以提供輸出電壓 到所述第一輸出端子和所述第二輸入端子，所述積分器的積分極性與所述 放大器的增益極性相反。
7、 如權利要求6所述的放大器電路，其中，所述放大器具有單位增益。
8、 如權利要求7所述的放大器電路，其中，所述放大器包括運算放大 器，所述運算放大器具有與所述運算放大器的輸出端相連接的反相輸入端、 以及與所述第一測試端子相耦合的非反相輸入端。
9、 如權利要求8所述的放大器電路，其中，所述放大器還包括連接在 所述運算放大器的非反相輸入端和第一輸入端子之間的電阻器。
10、 如權利要求6所述的放大器電路，其中，所述積分器包括 運算放大器，其具有反相輸入端、非反相輸入端、以及輸出端，所述運算放大器的輸出端耦合到所述第一輸出端子和所述第二輸入端子；電阻器，其耦合在所述運算放大器的反相輸入端和所述放大器的輸出 端之間；和電容器，其耦合在所述運算放大器的反相輸入端和所述運算放大器的 輸出端之間。
11、 一種測試設備，包括第一測試線； 第二測試線；輸出電壓發生器，其具有與所述第一測試線相耦合的第一輸入端、與 第一固定電壓相耦合的第二輸入端、以及與所述第二測試線相耦合的輸出 端，所述輸出電壓發生器可被操作為施加一個電壓給所述輸出電壓發生器 的輸出端，所述電壓的幅值等于施加于所述輸出電壓發生器的第一輸入端 上的以所述第一固定電壓為參考的電壓，并且所述電壓的極性與施加于所 述輸出電壓發生器的第一輸入端上的以所述第一固定電壓為參考的電壓的 極性相反；選擇器，其可被操作為控制所述測試設備的操作；處理電路，其耦合到負積分驅動電路的輸出端和所述選擇器，所述處 理電路可被操作為提供指示所述負積分驅動電路的輸出端的電壓的輸出信 號；以及顯示器，其被耦合以從所述處理電路接收所述輸出信號，并且所述顯 示器可被操作為提供指示施加于所述第一和第二測試線之間的電壓的幅值 的可視顯示。
12、 如權利要求ll所述的測試設備，還包括耦合在所述第一測試線和 所述第二測試線之間的輸入電阻器。
13、 如權利要求ll所述的測試設備，其中，所述第一固定電壓的幅值 與所述第二固定電壓的幅值相等。
14、 如權利要求ll所述的測試設備，其中，所述輸出電壓發生器包括 負積分驅動電路，所述負積分驅動電路具有與所述第一測試線相耦合的第 一輸入端、與所述第一固定電壓相耦合的第二輸入端、以及與所述第二測 試線相耦合的輸出端，所述負積分驅動電路可被操作為對施加于所述第一 測試線上的以所述第一固定電壓為參考的電壓進行積分，所述積分的極性 與施加于所述第一測試端子上的以所述第一固定電壓為參考的電壓的極性 相反，所述負積分驅動電路提供指示所述積分的輸出電壓到所述輸出端。
15、 如權利要求14所述的測試設備，其中，所述負積分驅動電路包括: 具有增益的放大器，所述放大器具有與所述第一測試線相耦合的第一輸入端、與所述第一固定電壓相耦合的第二輸入端、以及輸出端；以及積分器，其具有與所述放大器的輸出端相耦合的輸入端、以及與所述 第二測試線相耦合的輸出端，所述積分器可被操作為對從第一放大器接收 的電壓進行積分，以提供輸出電壓到所述第二測試線，所述積分器的積分 極性與所述放大器的增益極性相反。
16、 如權利要求15所述的測試設備，其中，所述放大器包括運算放大 器，所述運算放大器具有與所述運算放大器的輸出端相連接的反相輸入端、 以及與所述第一測試線相耦合的非反相輸入端。
17、 如權利要求15所述的測試設備，其中，所述積分器包括-運算放大器，其具有反相輸入端、與固定電壓相耦合的非反相輸入端、以及與所述第二測試線相耦合的輸出端；電阻器，其耦合在所述運算放大器的反相輸入端和所述放大器的輸出 端之間；以及電容器，其耦合在所述運算放大器的輸出端和所述反相輸入端之間。
18、 一種對施加于第一和第二輸入端子之間的信號進行放大的方法， 所述方法包括產生輸出電壓，所述輸出電壓的幅值等于施加于所述第一輸入端子上 的以固定電壓為參考的電壓，并且所述輸出電壓的極性與施加于所述第一 輸入端子上的以固定電壓為參考的電壓的極性相反；以及施加所述輸出電壓到所述第二輸入端子上。
19、 如權利要求18所述的方法，其中，產生所述輸出電壓的動作包括 在時間上對中間電壓進行積分，所述中間電壓的幅值由施加于所述第一輸 入端子的以固定電壓為參考的電壓的幅值來確定。
20、 如權利要求19所述的方法，其中，所述中間電壓的幅值等于施加 于所述第一輸入端子上的以固定電壓為參考的電壓的幅值，并且所述中間 電壓的極性與施加于所述第一輸入端子上的以固定電壓為參考的電壓極性 相反。
21、 如權利要求18所述的方法，其中，產生輸出電壓的動作包括產生具有如下特征的輸出電壓所述輸出電壓的幅值等于施加于所述第一輸入端子上的以固定電壓為參考的電壓的頻率分量，所述頻率分量低于預定的 頻率極限。
全文摘要
萬用表中的放大器電路用來放大施加于一對測試端子之間的信號。通過被配置為電壓跟隨器的第一運算放大器來放大施加于測試端子之一的電壓。第一運算放大器的輸出端作用到被配置為積分器的第二運算放大器的反相輸入端。第二運算放大器的輸出端連接到其它的測試端子上。在第二運算放大器的輸出端產生的電壓提供了施加于第一和第二測試端子上的電壓的幅值和極性的指示。
文檔編號G01R15/12GK101359001SQ200810144330
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月25日 優先權日2007年7月26日
發明者H·姚 申請人:弗盧克公司