反馈电路

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反馈电路范文第1篇

（1.63888部队，河南济源459000；2.西安建筑科技大学，陕西西安710055）

摘要：实际放大电路中，常常采用反馈来展宽带宽，稳定工作点，减小非线性失真，提高或降低输入阻抗等。但是，采用了反馈会使放大器系统的噪声系数变坏，如果设计合理，能使变坏的程度减小到忽略不计。现重点研究电压并联负反馈电路、电流串联负反馈电路、电流并联负反馈电路的噪声特性。针对各个反馈电路，先推导电路总增益Kv，接着计算各噪声源对输出噪声的贡献，得到总输出噪声E2no，然后转化成等效输入噪声E2ni，最后根据等效噪声模型求得最佳源电阻Ro和最佳噪声系数Fo。通过对推导出的公式进行分析可得，对于典型反馈电路，当满足一定条件时，最佳源电阻、最佳噪声系数和没有反馈的情况相同，即反馈对噪声的影响可忽略不计。

关键词 ：反馈电路；噪声特性；最佳源电阻；最佳噪声系数

0引言

在弱光检测中，光信号经过光电探测器转换为电信号，由于背景和探测器本身产生的噪声，使得信号的信噪比比较低，所以需要对信号进行放大处理［1?3］。对信号进行放大处理，并不是单纯地提高放大器的增益。因为放大器由有源器件和无源器件组成，它们是新的噪声源，放大器不但把输入信号和噪声放大，同时还会引进放大器本身产生的噪声，使输出信噪比降低，甚至可能达到噪声把所有有用信号淹没的恶劣程度，以致无法检测有用信号［4］。低噪声放大器的设计是要将放大器引进的噪声降低到最小程度，同时又要满足放大器的一系列指标，如增益、带宽、输入阻抗和输出阻抗等。所以低噪声放大器的设计是整个检测系统设计中的一个关键环节。

本文利用课堂上刘老师对电压串联负反馈电路的噪声特性的分析方法，推导了电压并联负反馈电路、电流串联负反馈电路、电流并联负反馈电路的噪声特性。首先推导电路总增益Kv，接着计算各噪声源对输出噪声的贡献，得到总输出噪声E2no，然后转化成等效输入噪声E2ni，最后根据等效噪声模型求得最佳源电阻Ro和最佳噪声系数Fo。通过对各个反馈电路的噪声特性分析，得到反馈对噪声的影响可忽略不计所需要满足的条件，为低噪声放大器的设计提供了一定的参考依据。

4结论

本文利用课堂上刘老师对电压串联负反馈电路的噪声特性的分析方法，推导了电压并联负反馈电路、电流串联负反馈电路、电流并联负反馈电路的噪声特性，得到了相应结论。对于电压并联负反馈电路，当满足RF?Rs的低噪声条件时，负反馈对噪声的影响可以忽略；对于电流串联负反馈电路，当满足Re?Rs的低噪声条件时，负反馈对噪声的影响可以忽略；对于电流并联负反馈电路，当满足ReF?Rs时，最佳源电阻、最佳噪声系数和没有负反馈的情况相同，即负反馈对噪声的影响可以忽略。

［

参考文献］

［1］胡士凌，孔得人.光电电子线路［M］.北京：北京理工大学出版社，1996.

［2］魏立安，秦石乔，王省书.基于运算放大器的光电探测电路噪声分析［J］.电子测量与仪器学报，2002（增刊）：1530?1533.

［3］王远.模拟电子技术［M］.5版.北京：机械工业出版社，1994.

［4］周求湛，胡封晔，张利平.弱信号检测与估计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

反馈电路范文第2篇

【关键词】负反馈；正反馈；稳定性；自激

1.前言

反馈是电子电路中不可缺少的重要组成部分，有人为引入的，也有电路本身具有的，反馈对电路的影响有的可忽略不计，有的却需高度重视。对有关反馈的知识掌握的好就可以充分利用反馈改善电路的性能，实现电路所不能实现的功能。同时对于一些影响电路性能的反馈，也能采取相应的手段来消除，更好地保障电路的正常运行。

2.反馈的基本概念

2.1 什么是反馈

所谓反馈，就是将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（称为反馈网络）送回到输入回路，与外部所加输入信号共同形成放大电路的输入信号（电压或电流），以影响输出量（电压或电流）的过程。反馈体现了输出信号对输入信号的反作用。

2.2 反馈的分类

2.2.1 正反馈和负反馈

根据反馈极性的不同，可以把反馈分为正反馈和负反馈。如果引入的反馈信号增强外加输入信号的作用，使净输入信号增加，从而使放大电路的放大倍数得到提高，这样的反馈称为正反馈；相反，如果反馈信号削弱外加输入信号的作用，使净输入信号减弱，使放大电路的放大倍数降低，则称为负反馈。

为了判断引入的是正反馈还是负反馈，可以采用瞬时极性法。即先假定输入信号为某一个瞬时极性，然后逐级推出电路其他有关各点瞬时信号的变化情况，最后判断反馈到输入端信号的瞬时极性是增强还是削弱了原来的输入信号。

例如在图1（a）中，假设加上一个瞬时极性为的正的输入电压（在电路中用符号+、-分别表示瞬时极性的正或负，代表该点瞬时信号的变化为增大或减小）。因输入电压加在集成运放的反相输入端，故输出电压的瞬时极性为负，而反馈电压由输出电压经电阻R2、R3分压后得到，因此反馈电压的瞬时极性也是负，但集成运放的差模输入电压等于输入电压与反馈电压之差，可见反馈电压增强了输入电压的作用，使放大倍数提高，因此是正反馈。在图1（b）中，输入电压加在集成运放的同相输入端，当其瞬时极性为正时，输出电压的瞬时极性也为正，输出端通过电阻R3、R4分压后将反馈电压引回到集成运放的反相输入端，此反馈信号将削弱外加输入信号的作用，使放大倍数降低，所以是负反馈。

2.2.2 直流反馈和交流反馈

根据反馈信号本身的交、直流性质，可以分为直流反馈和交流反馈。如果反馈信号中只有直流成分，则称为直流反馈；若反馈信号中只有交流成分，则称为交流反馈。在很多情况下，交、直流两种反馈兼而有之。

在图2（a）中，设VT2发射极的旁路电容Ce足够大，可认为电容两端的交流信号基本为零，则从VT2的发射极通过RF引回到VT1基极的反馈信号中将只有直流成分，因此电路中引入的是直流反馈。在图2（b）中，从输出通过CF和RF将反馈引回到VT1的发射极，由于电容的隔直作用，反馈信号中将只有交流成分，所以这个反馈是交流反馈。

2.2.3 电压反馈和电流反馈

根据反馈信号在放大电路输出端采样方式的不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，称为电压反馈；如果反馈信号取自输出电流，则称为电流反馈。在图2（b）中，反馈信号与输出电压成正比，属于电压反馈。而在图2（a）中，如果不加旁路电容Ce，则反馈信号与输出回路的电流成正比，因此是电流反馈。

放大电路中引入电压负反馈，将使输出电压保持稳定，其效果是降低了电路的输出电阻；而电流负反馈将使输出电流保持稳定，因而提高了输出电阻。

为了判断放大电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈，一般可假设将输出端交流短路（即令输出电压等于零），观察此时是否仍有反馈信号。如果反馈信号不复存在，则为电压反馈，否则就是电流反馈。

2.2.4 串联反馈和并联反馈

根据反馈网络与放大电路输入回路连接方式的不同，可以分为串联反馈和关联反馈。

如果反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和（即反馈信号与输入信号串联），称之为串联反馈；如果二者以电流形式求和（即反馈信号与输入信号并联），则称为并联反馈。

在图2（b）中，三极管VT1基极和发射极之间的净输入电压等于外加输入电压与反馈电压之差，即uBE=uI-uF，说明反馈信号与输入信号以电压形式求和，因此属于串联反馈。而图2（a）中，假设去掉旁路电容Ce，三极管VT1的基极电流等于输入电流与反馈电流之差，即iB=iI-iF，也就是说，反馈信号与输入信号以电流形式求和，所以是并联反馈。

以上提出了几种常见的反馈分类方法。除此之外，反馈还可以按其他方面来分类。例如，在多级放大电路中，可以分为局部反馈和级间反馈；又如在差动放大电路中，可以分为差模式反馈和共模反馈等等。

3.反馈在电路中的应用

3.1 负反馈在电路中的应用

3.1.1 负反馈能减小非线性失真。在开环放大器中，由于开环增益很大，会使放大器工作在非线性区，输出波形出现双向失真波形。电路加上了负反馈后，电路增益减小，放大器工作在线性区，输出波形不再失真。

3.1.2 负反馈能提高增益的稳定性。

3.1.3 负反馈能扩展通频带。

3.1.4 负反馈对输入电阻有影响，引入串联负反馈后，输入电阻是无反馈时输入电阻的（1+AF）。引入并联负反馈后，输入电阻是无反馈时输入电阻的1/（1+AF）。

3.1.5 负反馈对输出电阻有影响，电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。

3.2 正反馈在电路中的应用

3.2.1 在振荡电路中，在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原输入信号，反馈信号一次比一次大，才能使振荡幅度逐渐增大，所以必须引入正反馈。

3.2.2 自举电路实质是在放大器的局部引入正反馈。加入自举电路后，由于电容容量很大，它的放电回路时间常数很大，使电容上的电压基本不变。在正反馈作用下提升电路中某点的电压，使信号电压在需要处更高，有更大的基极信号电流激励发射极输出信号电流更大，补偿集电极与发射极之间直流工作电压下降而造成的输出信号电流不足。

3.2.3 在电压-电流转换电路中，有时也引入正反馈。当负载电阻R减小时，因电路内阻的存在输出电流将增大，但是由于电路存在正反馈，导致输出电压下降，输出电流又将随之减小。这样由负载电阻R减小引起的输出电流增大约等于因正反馈作用引起的输出电流的减小，即正好抵消。

4.电路中无用反馈的消除

在放大电路中，有时正反馈会引起电路的自激振荡，从而使一些干扰信号被放大，甚至有用信号被淹没，这样就要采取措施消除电路中的正反馈。从自激振荡的产生条件看，要破坏形成正反馈的相位条件就可以。

4.1 电路中接入电容

接入的电容相当于并联在前一级的负载上，在中、低频时，由于容抗很大，所以这个电容基本不起作用。高频时，由于容抗减小，使前一级的放大倍数降低，从而破坏自激振荡的条件，使电路稳定工作。这种校正方法实质上是将放大电路的主极点频率降低，从而破坏自激振荡的条件，所以也称为主极点校正。

4.2 利用RC校正网络代替电容校正网络，将使通频带变窄的程度有所改善

在高频时，电容的容抗将降低，但因有一个电阻与电容串联，所以RC网络并联在电路中，对高频电压放大倍数的影响相对小一些，因此，如果采用RC校正网络，在消除自激振荡的同时，高频响应的损失不如仅用电容校正时严重。校正网络应加在时间常数最大，即极点频率最低的放大级。通常可接在前级输出电阻和后级输入电阻都比较高的地方。校正网络中R、C元件的数值，一般应根据实际情况，通过实验调试最后确定。

5.结束语

反馈是电子电路的重要组成部分，正、负反馈的作用也是有利有弊，充分地掌握它们的特点、了解它们的作用，对我们设计电路、分析电路都会有很大的益处，是学好电路知识的前提。

参考文献

[1]少占鱼.放大电路中的人反馈[J/OL].网上期刊，2009.

[2]何耀明.负反馈放大电路的反馈深度最佳值[J].青岛大学学报，1997.

[3]童诗白.模拟电子技术第四版中电路中的反馈[M].专著，2010.

反馈电路范文第3篇

PID控制是隔振系统中常用的控制方法，本文主要介绍了一种基于PID控制的隔振系统反馈电路，其主要采用的是PI电路，推导出系统的传递函数，进而分析出系统阻尼、周期和电阻、电容之间的关系，通过对系统电阻、电容的参数进行合适的设置，可以得到所期望的系统阻尼、周期及传递函数。

【关键词】PID控制 隔振 反馈放大

PID控制是一种负反馈控制，是一种比较精确的反馈控制，其具有以下优点：原理简单、使用方便；m应性强，可广泛应用于各种场合；鲁棒性强，其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。因此，PID控制是隔振系统中常用的控制方法。

1 PID控制原理

PID控制电路主要由比例电路（P）、积分电路（I）以及微分电路（D）构成：

1.1 比例环节（P）

比例电路可以成比例的反映控制系统的偏差信号，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差，比例控制反映快，但对于某些系统，可能存在稳态误差，增大比例系数，系统的稳态误差减小，但稳定性可能变差。

1.2 积分环节（I）

用于消除稳态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越大，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强，积分环节可以使系统的频带变窄。

1.3 微分环节（D）

微分环节反应偏差信号的变化速率，具有预见性，能预见信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期的修正信号，从而加快系统的响应速率，减小调节时间。

2 反馈放大电路

本系统中主要采用PI电路，PI电路中比例电路主要影响响应速率，比例参数越大，响应速度越快，但是当比例参数太大时，会引起比较大的超调和振荡，使得整个系统不稳定。积分参数主要影响静态精度，消除静差，当系统处于稳定状态时，积分参数越大，积分速度越慢，在偏差较大时，PI控制主要以提高系统动态响应速度为主。

反馈放大电路图如图1所示，利用三个运算放大器状态变量来实现伺服放大，运算放大器采用OP27。OP27是一款高精度、低温漂运算放大器，其失调电压小且不随温度的变化而变化，常用在精密仪器、弱信号检测等自动控制系统中。第一级和第二级电路为积分电路（I），第三级电路为比例电路（P），共同组成了比例积分（PI）电路。

图1中电路的独特特性在于跟随在第一级放大电路后的节点是反相带通滤波器，而后一个节点是反相低通滤波器，两个节点的传递函数分别为：

由式（7）和（8）可以看出，通过对电阻R和电容C的参数进行合适的设置，可以得到所期望的阻尼、周期以及系统的传递函数，但积分电路（I）中积分系数不宜过大，否则会破坏系统的稳定性，系统的收敛特性将受到影响，甚至趋于发散；比例电路（P）则会改变系统的阻尼系数，系统的振荡周期会相应减小。

3 结语

利用PID控制可以提高系统的稳定性，反馈电路中的积分电路（I），可维持系统的稳定，但积分系数不宜过强，否则将会影响系统的收敛特性；比例电路（P），会减小系统的振荡周期。对系统进行比例、积分控制，并设置合适的参数，可以得到所期望的阻尼、周期及传递函数。

参考文献

[1]蔡璇，闫加胜，梅洁颖.一种应用于温度控制系统的PID控制电路设计[J].电子世界，2014，30（16）：121.

反馈电路范文第4篇

一、企业电子文件管理建立反馈机制的必要性

反馈机制实际上建立了一种沟通机制，使企业各部门员工能够了解管理层设定的电子文件管理目标，并有机会表达对这种目标设定的认可或质疑。同时，管理层能够通过多方途径，获取企业各部门员工在具体业务操作过程中，对电子文件管理策略的落实程度，并以此为依据，不断对企业电子文件管理进行改进和升级。具体如下：

（一）反馈机制通过帮助企业电子文件管理实现质量控制与自我调节，来解决决策层与执行层之间的供需不平衡问题

传统的企业电子文件管理往往由管理层作出决定后，各部门负责电子文件管理的专门人员或相关人员，完全按照管理层决定的电子文件管理制度、规范、流程等，执行电子文件管理系统中的某些操作。在这种单向工作流中执行层是否能够按照企业级电子文件管理战略路线执行好决策，是缺少足够的评估依据的。设置反馈机制后，企业电子文件管理流则不再是单向的，而是形成决策层与执行层之间“上传”与“下达”的双向甚至多向沟通机制。企业电子文件管理的过程因此处于监控之下，反馈信息能够直接反映这些过程中各方管理行为是否妥当，上传至管理层后，便会形成对企业电子文件管理的实时反思与不断调整。

（二）反馈机制通过强化企业电子文件管理过程中的协同合作，来解决协作部门之间的供需不平衡问题

传统的企业电子文件管理中，固化的制度、规范、流程以及相对稳定的电子文件管理系统，往往导致部门之间、员工之间以及人与系统之间缺少必要的沟通。反馈机制的设立着重关注业务部门对于电子文件管理的认知或建议，增强除文档管理部门之外，其他协同部门的参与程度。形成多方参与、共同协商、企业各层级普遍具有共同认知的一种电子文件管理状态。

（三）完善的企业电子文件反馈机制作为企业内控机制的一部分，来解决系统与用户之间的供需不平衡问题

电子文件管理系统的设计与维护都需要从管理者的管理需求出发。在设计阶段，如果管理者不能明确完整地提出系统功能需求，系统日后就很难支持企业电子文件管理过程。在应用阶段，如果系统维护方不能够及时了解系统用户体验，就无法及时优化和调整系统功能与操作流程。而完善的企业电子文件反馈机制是关于电子文件管理持续性的、周期性的自省与改革。反馈机制的设计体现了新的管理理念下，企业电子文件对参与、协同、自我管理的重视，也体现了企业电子文件管理者积极寻求与业务活动相结合、不断提升用户体验效果、建立更具认可度和共识性的企业电子文件管理制度所作出的重要努力。

二、企业电子文件建立反馈机制的具体内容

在反馈过程中，反馈信息的获取非常关键，上一步管理行为的结果会成为下一步管理行为的原因，而不断形成“原因――效果――原因”的良性循环。换句话说，“反馈信息如何传递”（反馈流程）、“谁传递反馈信息”（反馈主体）以及“反馈信息传递了什么”（反馈信息）是反馈机制必须明确的三个核心问题。

（一）反馈流程

企业电子文件反馈机制应该是一个覆盖电子文件管理全流程的广泛机制，是管理主体通过反馈信息流实现管理功能的一个完整的管理优化过程。在该机制中，企业内参与电子文件管理的部门和员工将他们参与电子文件管理的制度、规范、流程、系统等建议汇报给管理者，形成“反馈”；管理者根据接收到的反馈信息，评估已有的管理方法、程序和工具，作出相应的“反馈遵从”；管理目标和内容在进行调整后，新的电子文件管理策略、方法和系统又会引发“关于反馈的反馈”，即“再反馈”。企业电子文件管理的反馈流程，贯穿企业电子文件战略制定、业务实施与系统操作的各个阶段。在这一过程中，电子文件管理的决策制定者和执行者都可能成为反馈主体，任何关于电子文件管理决策执行的认可、改进、怀疑、否定都可能成为反馈信息，而不同反馈主体又会根据反馈信息的不同作出再反馈。如图1所示。

（二）反馈主体

参与电子文件管理反馈机制的主体至少包含三大类：电子文件管理者（管理层）、系统开发者（技术层）、企业各业务部门员工（操作层）。三大主体的关系如图2所示。

1.电子文件管理者作为管理层，担负着掌控企业电子文件管理水平与发展的重任，其所制定的电子文件管理总体目标，引导着企业电子文件管理的总体走向。从企业电子文件宏观发展来看，管理者控制着反馈信息的使用与结果，即只有在作出管理者及时根据反馈信息对电子文件管理作出优化调整时，反馈机制才能发挥积极作用。

2.系统开发者作为策略规划的设计实现者，需要将管理者设定的目标和制度，落实在复杂但有序的电子文件管理系统中，并通过系统数据库及时获取并管理用户在系统中的操作行为，节省管理者的管理成本，形成系统自动管理与反馈。没有系统开发者，管理者设定的目标将无法落实，用户反馈的信息将无序无用，反馈结果对管理升级并无意义。

3.企业各部门员工作为实际业务的执行者，必须遵循管理者制定的电子文件管理制度，使用系统开发者设计的电子文件管理系统，以参与完成与本业务相关的电子文件管理流程，实际上是以用户的身份使用管理成果。各部门员工的“用户体验”对于管理者和系统开发者判断管理目标与管理成效是否匹配至关重要。

需要注意的是，反馈机制中三大主体之间的关系不是单向的，反馈与再反馈总是循环发生。例如，管理者会通过系统为各部门员工提供系统操作行为的反馈信息，帮助他们判断自己的管理行为是否符合管理层提出的目标和要求。而各部门员工又可以通过系统向管理者提出自己的质疑或建议，帮助管理层调整管理策略等。

（三）反馈信息

不同反馈方提供的反馈信息与作用是不同的。当电子文件管理系统作为反馈方时，反馈信息主要用于帮助用户判断自身操作行为是否正确并进行有效修正；当电子文件管理系统的用户作为反馈方时，反馈信息主要用于帮助电子文件管理者判断管理成效并作出更新优化。按照反馈结果，反馈分为正面反馈和负面反馈。正面反馈是指企业用户对电子文件管理流程或系统的肯定，也可指电子文件管理者或系统自动对企业用户操作行为的肯定；负面反馈则是指企业用户参与电子文件管理流程或使用系统时对其产生的不满或质疑，也可指电子文件管理者或系统在用户使用不当时，对其发出的警示。一般来说，越完善的电子文件管理流程或系统所产生或接收的负面反馈信息就越少，但是也要注意：负面反馈信息越详细越有利于用户行为的修正和电子文件管理的优化改进。

三、企业电子文件管理中建立反馈机制的实践路径

反馈机制的实现需要电子文件管理部门、业务部门和技术部门等多方协同，在企业电子文件的生成、管理、利用等多个环节中完成相应的反馈活动。

（一）企业电子文件的生成

业务部门根据自身业务需要，同时遵从企业制定的电子文件管理制度和规范，在本部门业务系统中生成电子文件，并在业务流程中流转。在这一阶段，文档管理部门会对业务部门提出相应的电子文件格式与内容要求等，各业务部门则成为主要的反馈主体，对文档管理部门的“前端控制”进行反馈：一是业务部门有必要积极向管理者提出需求，说明本部门在业务过程中需要生成何种电子文件、需要何种技术支持管理以及需要的人员与财务成本等。二是业务部门要积极填写由企业文档管理部门下发的、用于调查业务部门电子文件管理情况的调查问卷，或积极参加由文档部门组织的座谈会，及时反映本部门遵循现有电子文件制度、规范和标准的情况，生成业务类电子文件的类型与格式现状等。

（二）企业电子文件的管理

企业电子文件在归档前，作为业务活动凭证，仍需要在业务系统中进行管理，以随时支持部门员工的电子文件利用需求。在这一阶段，各部门员工成为主要的反馈主体。

1.绩效评估。企业电子文件管理负责人可对员工参与电子文件管理的总体工作成效、各环节操作细节等进行评估，从而帮助员工判断自身在电子文件管理方面的能力与表现。评估结果在合格以上即为正面反馈，在合格以下即为负面反馈。

2.专业培训。根据绩效评估结果，那些对电子文件管理参与度不高、参与水平有限或操作行为不当的员工，需要接受专业的培训指导，以强化他们对电子文件管理的认知，使员工认识到在完成业务目标的同时，也要完成相应的电子文件管理任务。

（三）企业电子文件的利用

企业电子文件归档保存后，作为企业的信息资产，可以分级、分类面向企业用户开放使用。企业电子文件的利用一般需要系统操作，此时系统及其用户会对彼此的行为作出反馈，推动电子文件利用过程中系统与用户的相互适应。

反馈电路范文第5篇

关键词：自旋阀；巨磁阻；电流传感器；霍尔；智能

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

电流传感器[1]在电力电子应用方面主要起测量、保护和监控的作用，根据其测量原理分为直接式和间接式两类。直接式测量根据电流通过电阻时在电阻两端产生的压降来确定被测电流的大小，如分流器就采用这种原理来测量直流。分流器的主要优点是结构简单、不受外磁场干扰、性能稳定可靠，但缺点是需要接入电路中，且由于分流的材料一般是合金，因此在测量大电流时会产生大量热量；间接式测量则通过测量被测电流产生的磁场，间接测量被测电流的大小。属于间接式测量的主要有电流互感器[2]、罗氏线圈电流传感器[3]、霍尔电流传器[4]、光纤电流传感器[5，6]、巨磁阻电流传感器等[7]。罗氏线圈通过测量磁通势砣范ū徊獾缌鞯拇笮。由于线圈不含磁性材料，没有磁滞效应和磁饱和现象，但存在灵敏度低、频带较窄等问题[8]。霍尔电流传感器主要根据载流半导体在磁场中产生的霍尔电势间接测量，但温度对其影响较大，导致精度较低。光纤电流传感器通过测量偏振光在磁场中偏转的角度来检测电流大小，因采用光纤作为传感介质，故在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性等方面优势明显，但易受振动干扰[9]。间接式测量相比直接式测量具有精度更高、线性度更好的特点，是目前电流传感器研究的主要方向。

物联网的兴起，表明智能传感器是当今传感器技术发展的主要方向，传统的电流传感器已无法完全满足市场的需要。在电流检测方面，巨磁阻传感器[10]与其他类型的传感器相比，具有能够测量直流高频（MHz量级）电流信号、测量范围宽、灵敏度高和体积小等优点，尤其是巨磁阻传感器能够测量直流电流，对于直流输电系统中直流的检测极为有利[11，12]。本文基于巨磁阻传感器灵敏度高、温漂小和ZigBee在组网、无线传输等方面的优势提出了一种智能直流电流传感器设计方案，弥补了传统电流传感器在灵敏度、温度稳定性、远程监测等方面的不足。

1 智能电流传感器设计框架

智能电流传感器分为巨磁阻电流传感器和ZigBee智能传输模块，其工作原理图如图1所示。巨磁阻电流传感器负责将被测电流转换为电压信号，其反馈电阻与智能无线传输模块的监测节点相连；监测节点主要采集巨磁阻电流传感器的反馈电阻两端电压，将模拟电压信号转化为数字信号，待转化完成后，通过无线传输的方式发送给协调器；协调器与计算机通过串口连接，将收到的信息转发给计算机，并在计算机上显示出来。整个系统实现了电流的非接触测量和远程监控功能。

2 智能电流传感器电路设计

智能无线传输模块采用的ZigBee芯片是CC2530[13，14]，其电路主要由晶振电路、电源电路、RF电路等构成，电路结构较为常见。巨磁阻电流传感器分为如下四部分：

（1）巨磁阻传感器及磁芯将传感器感应的磁场转换为电压信号；

（2）放大电路将微弱的传感器输出电压信号进行放大；

（3）功率放大电路将放大后的电压信号进一步放大并提供反馈电流；

（4）反馈电路利用磁平衡原理，被测电流产生的磁场通过反馈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。巨磁阻电流传感器结构图如图2所示。

图2 巨磁阻电流传感器结构图

电流传感器的工作电压为±12 V，由稳压电源提供。VA100F3[15，16]是一款自旋阀材料的巨磁阻芯片，将VA100F3放在开有气隙的磁环的气隙里，并用胶水加以固定（巨磁阻传感器与磁环的相对位置不能改变，否则会影响传感器输出电压的大小）。巨磁阻传感器的差分输出信号接到仪表放大器AD620的差分输入引脚。放大器的增益可以通过1脚和8脚之间的电位器进行控制。仪表放大器的输出信号接至功率放大器LM3886TF，功率放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在磁环上，在反馈线圈的末端接一个10 Ω的反馈电阻并接地，通过测量反馈电阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，进而推算出穿过磁环的被测电流的大小。电流传感器电路图如图3所示。

2.1 巨磁阻传感器

设计中选择VA100F3型巨磁阻传感器，采用惠斯通电桥结构[17]，具有测量范围宽、灵敏度高、磁滞小、温漂低和线性度好等特点。巨磁阻芯片特性曲线如图4所示，输出电压范围为-60～60 mV，封装为TO94，该封装放入磁环气隙中占位置比较小。VA100F3采用电压供电，工作电压为±5V，±5 V的电压由±12 V的电压经LM7805和LM7905电源芯片得到。VA100F3的1脚和3脚是控制输入端，2脚和4脚为电压输出端。巨磁阻传感器可将磁场信号转换为电压信号。传感器输出电压为：

VH=KHB （1）

式中，KH为巨磁阻传感器的灵敏度，单位为mV/mT；B为磁感应强度，单位为mT。从图4中可以得到KH的取值范围。

图4 巨磁阻芯片特性曲线

在本设计中，将巨磁阻传感器放进开有气隙的磁环的气隙里，并将传感器和磁环固定，以获得稳定的输出电压信号。磁场B的大小根据安培环路定律得：

（2）

其中，l为路径长度；N为路径包围的通电导线的匝数；μ0为真空磁导率；I为通过的电流。

根据安培回路定律，被测导线和磁场的关系为：

（3）

式中，H1表示磁环内的磁场强度；H2表示气隙的磁场强度；r0为平均半径，r0=（r+R）/2；I0为被测电流；磁环气隙宽度为d。由式（3）得：

（4）

由于磁环磁导率μ远大于真空磁导率μ0，上式可以简化为：

（5）

设N=1，代入式（1）可得：

（6）

由式（6）可知，输出电压与被测导线的电流成正比，而且磁环气隙越小，巨磁阻传感器输出电压越大，因此在设计时磁环气隙应以卡住传感器为宜。

2.2 放大电路

由巨磁阻传感器将磁环收集到的磁场转化为弱电压信号，输出一般为几十毫伏，需对其进行放大。文中采用AD620仪表放大器，通过改变电阻来改变放大倍数（1～1000）。AD620的1脚和8脚跨接1个10 kΩ电位器S1和1个75Ω的电阻R1来调整放大倍数。如果需要改变放大倍数，则可以调节S1。AD620的引脚4和7分别接-5 V和+5 V的工作电压，并各自接有0.01 μF的旁路电容至地，用来过滤交流成分，使输出更平滑；输入引脚3和2分别接巨磁阻传感器的引脚4和2；引脚6输出放大后的电压值；引脚5为参考电压，一般接地，在设计中接了一个可调电压，可通过调整电位器S2的电压来改变参考电压。由于巨磁阻传感器灵敏度较高，环境中的磁场干扰对其影响比较严重，在被测电流为零时，巨磁阻传感器会有一个输出，该输出可通过调节S2来改善。AD620的输出电压V0与输入电压V1、V2的关系如式（7）所示：

（7）

具体改善零点漂移的方法是：在测试开始之前，如果V0不等于零，则通过调节S2改变VREF的大小使得V0为零。该方式理论上可以完全消除零点漂移，但实际操作时受电位器的精度影响，能明显改善零点漂移状况。

2.3 功率放大电路

巨磁阻传感器的输出电压信号经仪表放大器之后的输出不足以驱动次级线圈的负载，此时需加一个功率放大器进行放大，使反馈电路能够正常工作。设计中采用的功率放大器为LM3886TF，LM886TF的引脚10和引脚9是信号输入引脚，引脚10与AD620的输出信号相连，引脚9接地，9脚和10脚接一个电容，与R9形成低通滤波，消除输入的残余高频，使输入信号更加光滑，减小功率放大器的不必要功耗，同时还可以消除电路自激；引脚1和引脚5分别接+24 V和-24 V工作电压。引脚8为mute脚，接低电平表示为静音状态。引脚3为功率放大器的输出引脚，最大输出电流为400 mA，与反馈电阻相连。

2.4 反馈电路

反馈电路主要由反馈线圈和反馈电阻构成，以平衡被测电流产生的磁场。平衡磁场的原理为：被测电流通过磁环所产生的磁场，由反馈线圈的电流进行补偿，使磁环始终处于零磁通工作状态。当被测电流通过磁环，反馈电流尚未形成时，巨磁阻传感器感应到磁场产生的电压信号，经放大级放大后，推动驱动级产生反馈电流，由于反馈线圈的存在，反馈电流不会发生突变，而是逐渐上升，反馈电流产生的磁场补偿了部分被测电流产生的磁场。因此，巨磁阻传感器输出降低，反馈电流上升减慢。当反馈电流产生的磁场完全补偿了被测电流产生的磁场时，磁环磁场为零，巨磁阻传感器输出为零。 但由于线圈的缘故，反馈电流还会上升，补偿过冲，巨磁阻传感器输出发生变化，反馈电流减小，如此反复在平衡点附近振荡。可以通过测量反馈电阻两端的电压，间接计算出被测电流。

3 智能电流传感器稳态误差

智能电流传感器是基于负反馈的一种运用，从负反馈的角度分析，可以更好地改善其性能，电流传感器的系统反馈框图如图5所示。BP是被测电流在磁芯中产生的磁感应强度，BS是次级电流IS在磁芯中产生的磁感应强度，BH是被测电流与反馈电流在磁芯中产生的磁感应强度差，KH是巨磁阻传感器的灵敏度系数，G（s）是巨磁阻传感器输出电压VH进一步处理的放大电路及功率放大电路的传递函数。RM、RS、SLS分别是串联次级线圈的测量电阻、次级线圈的电阻以及次级线圈电感的阻抗，三者共同构成了功率放大器的负载。BS与IS的比值定义为KS[18]。

该反馈系统的理论误差为：

（8）

由式（7）可知，该稳态误差只能减小而不能消除，这也说明了巨磁阻电流传感器并非真正工作在零磁通状态，正是由于稳态误差的存在，使得巨磁阻传感器能够不断感应到磁场使后续部分工作。该误差产生的原因是磁芯和线圈的消耗。巨磁阻传感器的灵敏度高，KH大可以有效减小系统的稳态误差；选用磁导率高，直径小的磁环或减小负载均能改善传感器的性能，提高传感器的精度[19]。

忽略系统的稳态误差可得到式 （9）， NP为被测电流的匝数，NS为次级线圈的匝数。

（9）

进一步化简可得式（10），通过测量RM的电压Vout即可求出被测电流IP。

（10）

4 测试结果分析

在25℃的温度下，使用稳压电源以及安捷伦电流源进行测试，用直流稳压电源为电流传感器提供12 V的工作电压；用安捷伦E3631A型直流电源提供0～5 A的被测电流。步长为50 mA，从0 A逐渐增加到5 A。用ZigBee智能无线传输模块测量反馈电阻的电压并⑵浞⑺透计算机，从计算机上得到测量数据。部分数据如表1所列。

25℃直流数据测试结果如图6所示。三角表示理论输出值，方块表示实际测量值。在零输入情况的输出是由外界磁场干扰产生的，外界磁场主要包括地磁场和实验室各种器件产生的磁场。在实验中可以通过调节AD620的参考电压来抵消外界磁场干扰产生的输出电压，实际运用时可对巨磁阻电流传感器进行屏蔽处理，否则会因环境的不同而产生不同的输出，影响测量结果。25℃校正后的直流数据测试结果如图7所示，相比图6传感器的零点漂移有了明显改善。从图7中可以看出两条线基本处于平行状态，因此巨磁阻电流传感器的线性度较好，计算表明线性度优于0.05%。

通过增长率的变化可判断电流传感器性能的稳定性。理论增长率取决于反馈线圈匝数和反馈电阻的比值，K=N/R。对1 A的测试电流进行50次测试，根据I=KV得到测试增长率K，图8所示为实际测量与理论增长率的对比图，从图中可以看出测试增长率变化较小，稳定性较好。由于计算过程中忽略了稳态误差，以此测试的K值比理论的K值大。测试电阻随温度的升高而变大，使得测试增长率呈现变小的趋势。选择温度稳定性较好的电阻元件可以进一步提高电流传感器的性能。

5 结 语

设计表明，基于巨磁阻传感器的智能电流传感器测量直流的方案是可行的，该传感器具有较好的灵敏度和线性度，解决了磁饱和、零点漂移、温度稳定性差等问题，实现对直流电的非接触测量和远程监控功能。测试结果表明，该智能电流传感器可测量几十毫安至几安的直流电流，其灵敏度为103.5 mV/A，线性度优于0.05%。可进一步通过软件补偿的方法提高传感器的精度。

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