专用的仪表放大器价格通常比较贵，于是我们就想能否用普通的运放组成仪表放大器？答案是肯定的。使用三个普通运放就可以组成一个仪用放大器。电路如下图所示：

输出电压表达式如图中所示。

看到这里大家可能会问上述表达式是如何导出的？ 为何上述电路可以实现仪表放大器？下面我们就将探讨这些问题。在此之前，我们先来看如下我们很熟悉的差分电路：

如果R1 ＝ R3，R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)
这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中VIN1反相输入阻抗等于 100 kΩ，而VIN2同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即200 kΩ。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。（这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR。）

另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。例如，当增益等于 1 时，所有电阻值必须相等，在这些电阻器中只要有一只电 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同样，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡将使CMR下降 6 dB。

为解决上述问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。如下图所示：

以
上前置的两个运放作为电压跟随器使用，我们现在改为同相放大器，电路如下所示：

输出电压表达式如上图所示。上图所示的电路增加增益（A1 和 A2）时，
它对差分信号增加相同的增益，也对共模信号增加相同的增益。也就是说，上述电路相对于原电路共模抑制比并没有增加。

下面，要开始最巧妙的变化了！看电路先：

这种标准的三运放仪表放大器电路是对带缓冲减法器电路巧妙的改进。像前面的电路一样，上图中A1 和A2 运算放大器缓冲输入电压。然而，在这种结构中，单个增益电阻器RG连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了带缓冲减法器电路的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6，R1＝ R3和R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)(R2/R1)由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍！
在理论上表明，用户可以得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。
最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放结构得到广泛应用的解释。

到这里，我们导出了这个经典电路的；来龙去脉： 差分放大器–>前置电压跟随器–>电压跟随器变为同相放大器–>三运放组成的仪用放大器。

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难怪google的验证码那么难认啊～

补丁与汉化下载：

Multisim+11.0加破解及汉化补丁

图1(略)
电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。
满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。

4～20mA的传感器信号调理解决方案
4～20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。
二线制4～20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。
二线制方案设计需要考虑：
（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；
（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；
（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。
图2(略)
图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4～20mA信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。
三线制4～20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：
（1）电流环路中的接收器的数量；
（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；
（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。
TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将0～5V或0～10V的输入电压直接转换到4～20mA、0～20mA、5～25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。
图3(略)

4～20mA的校正
传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。
现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。
XTR108是TI提供的校正4～20mA的解决方法。它具有480A的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：
（1）具有传感器的线性化电路；
（2）数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；
（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26～400倍；
（4）RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A；
（5）校正参数存储在外接的EEPROM中；
（6）可编程的过量程和欠量程的输出。
此外，TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案-PGA309，它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4～20mA的输出。

问答选编
问：电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不同？
答：霍尔传感器是传感器件，而电流变送器是将传感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信号进行传输，因此它们两个一个是传感器，另一个是电流变送器。
问：4~20mA信号是否存在温漂？如何解决？
答：实际上，4~20mA信号内部是用集成电路芯片来制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到放大器、电压到电流的转换时，会存在温漂，但这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的，因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作为前置放大，同时PGA309中还有温度的校准，它是每采集一个温度点来查表，进行温度满度或色调电压的校准，从而解决温度的漂移问题。
问：应该采取哪些措施实现4～20mA变送器的信号隔离？
答：对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法：一是变送器端的隔离，一是接收端的隔离。现在若有24V电压供给一个XTR115的芯片，XTR115内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电压输出，对这个5V的稳压电压进行展波，经过一个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电源，然后再把模拟信号转换成数字信号，再经过一个隔离以后再提供给XTR115，再进行长线传输，这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔离的话，也可以在接收端加一个RCV420将电流转换成电压，再经过一个ISO124隔离放大器进行隔离，同时再经过一个DC/AC转换器向电路进行退电供电，这样也能完成对4～20mA变送器信号的隔离。
问：变送器传输过来的信号应该怎么处理？是不是先要经过电流到电压的变化然后再到ADC？对ADC的选择有什么特殊的考虑？
答：变送器传输的信号主要是一个电流信号，如果要采集它，一般要经过电流到电压的转换，这个TI　有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选择，主要根据对信号精度的要求来考虑。
问：接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信号，在接收方式和信号处理上有何不同？要注意些什么问题？
答：在接收方式上，如果是二线制4~20mA信号，由接收端向SPI端提供电源，通过电源线经过4~20mA信号线来提供电源。三线制4～20mA信号是由发生端（SPI）来提供电源的，所以说它们提供的电源是不同的，一个是由接收端而另一个是从远端来提供电源的。
它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压信号，然后再经过AD转换器，这时候就牵扯到一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般在工业上，它们会加一个推电器，就是在接收端同时提供一个24V的电源，通过4~20mA电流线向远端进行供电。
问：现在市场上的变送器是否有数字输出接口？比如RS-485或者RS-232？
答：现在市场上的变送器通常用标准的485或232通讯接口来传输，这个产品其实早在10年前就有了，它们把现场的信号模拟成传感器的信号，直接传数字量，然后经过485进行传输，这是比较多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX，它内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换器及通信接口输出，如果用它来做的话，很容易把它做成一个485或232通信接口的数字变送器芯片。
问：在4~20mA变送器的信号传输过程中，如何有效地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干扰？在系统故障状态，是否具有事故信息追忆功能？
答：如果有电磁干扰，首先说电磁的发射，当传感器接入的时候，如果具有很高的输入阻抗的时候，有可能产生电磁干扰，可以加一些电阻电容进行滤波，TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大家参考。过电压的时候，4~20mA的长线输出的时候，可以借助36V的稳压块来进行过电压保护，如果极性接反的时候，可以在输入回路里加一个整流桥堆来对极性进行调整。
问：如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转换？主要是精度方面，是否能给一个具体例子？
答：如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转换时，TI有一个专用芯片RCV420，它里面采用的是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运算放大器和一个精密的基准电压器，即10V的基准电压，这个10V基准电压大概是5个或10个TTN的温度系数，用这个片子就可以很精确地将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。
问：有没有串行接口出来就是4~20mA？最好能出来0~20mA，类似于ADI的AD420，但AD420太贵，而且外围东西太多。
答：也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个XTR110，它是一个很廉价的电压到电流的转换，前面或者用一个DA转换器，或者用一个PWM的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过一个电阻接到XTR115的输入端，这样就可以满足HART协议来替换AD420，这时的成本应该是很低的，应用也很方便。
问：使用4~20mA变送器时，是否需要通过控制器对其进行编程？
答：TI变送器电流环有几类产品，有的可以通过控制器进行编程校正，也有的可以通过模拟的、通过外部设置来进行校正。
问：如何用PWM信号控制4～20mA电流？
答：用PWM信号控制4～20mA电流很常用，通常采用一个单片机放在前面对传感器进行测量，测量好后把模拟信号转换成数字信号，但是它内部不包含DA转换器，它是用一个PWM信号来输出。像TI的XTR115芯片，它包含一个典型电路：把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即可完成电路的控制。
问：是否有办法从4~20mA线缆中取电，同时又不影　响模拟信号的转换和采集结果？
答：如果是二线制的时候，因为是通过电源来向远端的SPI芯片来进行供电的，若采用的是XTR115或其他XTR芯片，可以把24V电源转换成一个稳压电源的信号，一般都是5.1V的信号，使用5.1V的信号对前面的芯片进行供电，这时候应该没有这种问题。TI的XTR芯片专门考虑了这个问题，所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前面的电路供电，而不会影响模拟信号的转换和采集结果。

在电路在右边， R_x 是将被测量的未知的抵抗; R₁, R₂ 并且 R₃ 是已知的抵抗和抵抗电阻器 R₂ 是可调整的。 如果二抵抗的比率在知道的腿(R₂ / R₁) 与比率是相等的二在未知的腿 (R_x / R₃)然后 电压 在二中点之间(B 并且 D)将是零和没有 当前 将流经 电流计 v_g. R₂ 变化，直到这个情况被到达。 当前方向是否表明 R₂ 太高或太低。

查出零的潮流可以做对极端高精确度(参见 电流计). 所以，如果 R₁, R₂并且 R₃ 为高精密度所知，然后 R_x 能被测量对高精密度。 非常零钱 R_x打乱平衡和欣然被查出。

在平衡，比率 R₂ / R₁ = R_x / R₃

所以，

二者择一地，如果 R₁, R₂和 R₃ 被知道，但 R₂ 不是可调整的，电压或潮流流经米可以使用计算价值 R_x使用 Kirchhoff的电路法律 (亦称Kirchhoff的规则)。 这个设定频繁地得用于 应变仪 并且 抵抗温度探测器 测量，因为它通常是更加快速的读电压电平米比调整抵抗到零电压。

派生

首先， Kirchhoff的第一个规则 在连接点使用发现潮流 B 并且 D:

然后， Kirchhoff的第二规则 为发现电压使用在圈 ABD 并且 BCD:

桥梁是平衡的和 I_g = 0，因此第二套等式可以被重写如下：

然后，等式被划分并且被重新整理，给：

从第一个规则， I₃ = I_x 并且 I₁ = I₂. 期望值 R_x 现在被知道给如下：

如果全部四电阻器价值和电源电压(v_s)被知道，电压横跨桥梁(v)能通过制定出电压发现从其中每一 分压器 并且减去一从其他。 等式为此是：

这可以被简化：

意义

Wheatstone桥梁说明区别测量的概念，可以是极端准确的。 变异在Wheatstone桥梁可以用于测量 电容, 感应性, 阻抗 并且其他数量，例如相当数量可燃烧的气体在一个样品，与 测爆计. 凯尔文双重桥梁 从Wheatstone桥梁特别地适应了为测量非常低抵抗。 一“凯尔文四分之一桥梁”也被开发了。 它被推理“四分之三的桥梁”可能存在; 然而，这样桥梁将相同地起作用与凯尔文双重桥梁。

概念被扩大了 交变电流 测量 詹姆斯干事麦克斯韦 1865年和进一步改善 阿伦Blumlein 在大约1926年。

根本桥梁的修改

Wheatstone桥梁是根本桥梁，但有可以是定制的各种各样的种类抵抗的其他修改，当根本性Wheatstone桥梁不是适当的时。 某些修改是：

• Karey孵育滑导线桥梁
• 凯尔文Varley幻灯片
• 凯尔文双重桥梁
• 麦克斯韦桥梁

参见

• 应变仪
• 电位器
• 分压器
• 欧姆计
• 抵抗温度探测器
• 麦克斯韦桥梁

外部链接

• efunda Wheatstone文章
• 测量电阻方法- Edwin F。 northrup 1912年，全文在Google预定

Modbus协议最初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化(Schneider Automation)部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域全球最流行的协议。
此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。
有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。
此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。
Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

Modbus协议需要对数据进行校验，串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验，但TCP模式没有额外规定校验，因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。
另外，Modbus采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较好。

对于Modbus的ASCII、RTU和TCP协议来说，其中TCP和RTU协议非常类似，只要把RTU协议的两个字节的校验码去掉，然后在RTU协议的开始加上5个0和一个6并通过TCP/IP网络协议发送出去即可。因此这里只介绍一下Modbus的ASCII和RTU协议。

数组将会从指定的地址开始存储

/********** AVR 矩阵键盘扫描程序 *********
* 版本.........: 2.0
* 作者.........: 陈利栋
* 目标.........: AVR
* 文件名.......: Keyboard.h
* 编译器.......: AVR GCC 20100110
* 开发环境.....: AVR Studio V4.18
* 创建时间.....: 2010.09.12
* 最后修改.....: 2010.09.29
*****************************************/
#ifndef __KEYBOARD_H__
#define __KEYBOARD_H__

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define KEYBOARD_PORT                 PORTA
#define KEYBOARD_DDR                  DDRA
#define KEYBOARD_PIN                  PINA

#define KEY_NULL                      0xff
#define KEY_READY_COUNT               100       // 此值在不同环境下应适当调整(1 - 65535),值越小,灵敏度越高

#define KEY_CONTINUE_START_COUNT      20000     // 检测连续按键开始需要的次数,需要适当调整
#define KEY_CONTINUE_RUNNING_COUNT    1000      // 连续按键间隔需要的次数,需要适当调整

extern unsigned char key_continue_flag;         // 连续按键标记
extern unsigned char GetKeyValue(void);

#endif /* __KEYBOARD_H__ */

Keyboard.c

/********** AVR 矩阵键盘扫描程序 *********
* 版本.........: 2.0
* 作者.........: 陈利栋
* 目标.........: AVR
* 文件名.......: Keyboard.c
* 编译器.......: AVR GCC 20100110
* 开发环境.....: AVR Studio V4.18
* 创建时间.....: 2010.09.12
* 最后修改.....: 2010.09.29
*****************************************/
#include "Keyboard.h"

unsigned char _key_last = KEY_NULL;
unsigned int  _key_count = 0;

unsigned int  _key_continue_count = 0;
unsigned char key_continue_flag = 0;

unsigned char KeyScan(void)
{
unsigned char temp = 0;

KEYBOARD_DDR = 0x0f;
KEYBOARD_PORT = 0xf0;
_delay_us(10);
temp = KEYBOARD_PIN;

KEYBOARD_DDR = 0xf0;
KEYBOARD_PORT = 0x0f;
_delay_us(10);
temp |= KEYBOARD_PIN;

if (temp != _key_last)
{
_key_count++;
if (_key_count >= KEY_READY_COUNT)
{
_key_last = temp;
_key_count = 0;
return _key_last;
}
key_continue_flag = 0;
}
else
{
if (temp != 0xff)
{
_key_continue_count++;
if (key_continue_flag == 0)
{
if (_key_continue_count >= KEY_CONTINUE_START_COUNT)
{
key_continue_flag = 1;
_key_continue_count = 0;
return temp;
}
}
else
{
if (_key_continue_count >= KEY_CONTINUE_RUNNING_COUNT)
{
_key_continue_count = 0;
return temp;
}
}
}
_key_count = 0;
}

return KEY_NULL;
}

unsigned char GetKeyValue(void)
{
switch (KeyScan())
{
  case KEY_NULL: return KEY_NULL;
  case 0x77: return '1';
  case 0x7B: return '2';
  case 0x7D: return '3';
  case 0x7E: return 'A';
  case 0xB7: return '4';
  case 0xBB: return '5';
  case 0xBD: return '6';
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  case 0xDB: return '8';
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  default  : return KEY_NULL;
}
}