第9章信號(hào)的處理與變換

1、9.1 引言引言 本章以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)，討論模擬信號(hào)的處理和本章以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)，討論模擬信號(hào)的處理和變換電路。變換電路。 在在信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路中，重點(diǎn)討論有源濾波電路和模擬中，重點(diǎn)討論有源濾波電路和模擬乘法器，簡(jiǎn)要介紹開(kāi)關(guān)電容濾波器、調(diào)制與解調(diào)電路和乘法器，簡(jiǎn)要介紹開(kāi)關(guān)電容濾波器、調(diào)制與解調(diào)電路和鎖相環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。鎖相環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。 信號(hào)變換信號(hào)變換是傳感器與信號(hào)處理電路之間接口電路的是傳感器與信號(hào)處理電路之間接口電路的主要功能，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，例如將電荷主要功能，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，例如將電荷變換為電壓、電流變換為電壓等；本章介紹了幾種典型變

2、換為電壓、電流變換為電壓等；本章介紹了幾種典型信號(hào)變換電路的工作原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用。信號(hào)變換電路的工作原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用。第第9章章 信號(hào)的處理與變換信號(hào)的處理與變換 非正弦信號(hào)通過(guò)傅立葉變換，可知其中包括多種頻率非正弦信號(hào)通過(guò)傅立葉變換，可知其中包括多種頻率成分的信號(hào)。濾波就是根據(jù)頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選。成分的信號(hào)。濾波就是根據(jù)頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選。濾波器濾波器的功能的功能是使輸入信號(hào)中特定范圍內(nèi)的頻率成分通過(guò)，抑制是使輸入信號(hào)中特定范圍內(nèi)的頻率成分通過(guò)，抑制信號(hào)中的其他頻率成分信號(hào)中的其他頻率成分。9.2 有源濾波器有源濾波器9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法濾波器

3、按頻率特性可分為：濾波器按頻率特性可分為：低通濾波器低通濾波器 ( LPF，Low Pass Filter )；高通濾波器高通濾波器 ( HPF，High Pass Filter )；帶通濾波器帶通濾波器 ( BPF，Band Pass Filter )；帶阻濾波器帶阻濾波器 ( BEF，Band Elimination Filter )；全通濾波器全通濾波器 ( APF，All Pass Filter )。 1. 濾波器的分類濾波器的分類全通濾波器全通濾波器濾波器的幅度頻率特性濾波器的幅度頻率特性低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器9.2.1 濾波

4、器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法低通濾波器的幅頻特性低通濾波器的幅頻特性 以以低通濾波器的幅度頻率特性低通濾波器的幅度頻率特性為例。濾波器的為例。濾波器的通帶通帶是一是一個(gè)頻率范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)能夠以最小幅度的衰減通過(guò)個(gè)頻率范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)能夠以最小幅度的衰減通過(guò)濾波器；同理，濾波器；同理，阻帶阻帶范圍內(nèi)的信號(hào)被衰減到零。圖中范圍內(nèi)的信號(hào)被衰減到零。圖中A0是通是通帶增益，隨著頻率的增加，增益下降，當(dāng)增益下降到帶增益，隨著頻率的增加，增益下降，當(dāng)增益下降到0.707A0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率fH稱為濾波器的上限稱為濾波器的上限截止頻率截止頻率。(1) 濾波器的幅度頻率

5、特性濾波器的幅度頻率特性 在截止頻率與阻帶之間的在截止頻率與阻帶之間的頻段定義為過(guò)渡帶。這一頻段頻段定義為過(guò)渡帶。這一頻段內(nèi)的信號(hào)雖然被抑制，但是仍內(nèi)的信號(hào)雖然被抑制，但是仍然能通過(guò)濾波器；因而在設(shè)計(jì)然能通過(guò)濾波器；因而在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，要求通帶之外的增濾波器時(shí)，要求通帶之外的增益下降速度越快越好，即益下降速度越快越好，即濾波濾波器的過(guò)渡帶越窄，電路的濾波器的過(guò)渡帶越窄，電路的濾波特性越理想特性越理想。 9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法(2) 無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器uppup11 21 1jAfRCAff空載：LupLpLupup1 2 () 1jRARRfRR CAAff

6、帶載： 無(wú)源濾波器僅由電阻及電抗性元件電容、電感組成，根無(wú)源濾波器僅由電阻及電抗性元件電容、電感組成，根據(jù)所用元件，可以承受較大功率。無(wú)源濾波器存在阻抗匹配據(jù)所用元件，可以承受較大功率。無(wú)源濾波器存在阻抗匹配問(wèn)題。問(wèn)題。低通濾波電路低通濾波電路9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法空載空載帶負(fù)載帶負(fù)載無(wú)源濾波電路帶負(fù)載的情況無(wú)源濾波電路帶負(fù)載的情況 無(wú)源濾波電路幅度頻率特性曲線中無(wú)源濾波電路幅度頻率特性曲線中紅色的曲線代表空紅色的曲線代表空載的情況載的情況，當(dāng)幅頻特性曲線下降，當(dāng)幅頻特性曲線下降3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率 fp (fH)稱為稱為上限截止頻率上限截止頻率

7、。圖中。圖中藍(lán)色的曲線代表有載的情況藍(lán)色的曲線代表有載的情況，當(dāng)，當(dāng)幅頻特性曲線下降幅頻特性曲線下降 3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的上限截止頻率為時(shí)，對(duì)應(yīng)的上限截止頻率為 fp。顯。顯然，然，fp fp。 當(dāng)頻率超過(guò)當(dāng)頻率超過(guò)fp( fH)以后，一階以后，一階 RC 有源有源濾波電路的幅頻特性濾波電路的幅頻特性將以將以 -20dB/十倍頻的十倍頻的速率下降。速率下降。 無(wú)源濾波電路的無(wú)源濾波電路的截止頻率受負(fù)載的影截止頻率受負(fù)載的影響較大。響較大。9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法 有源濾波器一般由集成運(yùn)放和有源濾波器一般由集成運(yùn)放和無(wú)源元件無(wú)源元件 R、C 組成組成。濾。濾波作用由波

8、作用由 R、C 完成，集成運(yùn)放提供一定的電壓增益，并在完成，集成運(yùn)放提供一定的電壓增益，并在一定程度上改善濾波電路的性能。一定程度上改善濾波電路的性能。(3) 有源濾波器有源濾波器一階有源濾波電路一階有源濾波電路電壓跟隨器電壓跟隨器(隔離無(wú)源濾波電路和負(fù)載隔離無(wú)源濾波電路和負(fù)載)9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法sRCsCRsCsUsUsUsUsA1111)()()()()(ipiou0u0upj1121 12 jjffARCfAfs一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)：一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)：一階有源濾波電路一階有源濾波電路9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析

9、方法(4) 無(wú)源濾波器和有源濾波器的比較無(wú)源濾波器和有源濾波器的比較 有源濾波器不使用電感、體積小、重量輕；有源濾波器不使用電感、體積小、重量輕； 無(wú)源濾波器的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波器使無(wú)源濾波器的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波器使用了集成運(yùn)放，輸入阻抗高，輸出阻抗低，對(duì)信號(hào)具有緩用了集成運(yùn)放，輸入阻抗高，輸出阻抗低，對(duì)信號(hào)具有緩沖作用，濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化；沖作用，濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化； 有源濾波器在濾波的同時(shí)對(duì)信號(hào)具有放大作用，避有源濾波器在濾波的同時(shí)對(duì)信號(hào)具有放大作用，避免了信號(hào)的過(guò)度衰減；免了信號(hào)的過(guò)度衰減； 有源濾波器只適用于信號(hào)處理，不適于高電壓、大有源濾波器只適用于信號(hào)處理，

10、不適于高電壓、大電流的負(fù)載；直流電源和大功率電子設(shè)備中均采用無(wú)源濾電流的負(fù)載；直流電源和大功率電子設(shè)備中均采用無(wú)源濾波器。波器。9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法2. 濾波器的分析方法濾波器的分析方法(1)濾波器的傳輸特性可以用傳遞函數(shù)來(lái)表征，其傳遞函濾波器的傳輸特性可以用傳遞函數(shù)來(lái)表征，其傳遞函數(shù)為用拉氏算子數(shù)為用拉氏算子 “s ”表示的增益表達(dá)式。表示的增益表達(dá)式。有源濾波電路中有源濾波電路中的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，根據(jù)運(yùn)放的根據(jù)運(yùn)放的“虛短虛短”、“虛斷虛斷”特性，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法或疊加定理，列出電路在頻域內(nèi)的方特性，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法或疊加定理，

11、列出電路在頻域內(nèi)的方程，求取電路的傳遞函數(shù)。程，求取電路的傳遞函數(shù)。 (2)將將s = j 代入傳遞函數(shù)中，得到頻率特性方程，進(jìn)而代入傳遞函數(shù)中，得到頻率特性方程，進(jìn)而解出解出濾波電路的通帶增益濾波電路的通帶增益 (也稱通帶電壓放大倍數(shù)也稱通帶電壓放大倍數(shù))、通帶截通帶截止頻率止頻率；畫(huà)出濾波電路的幅頻特性和相頻特性。；畫(huà)出濾波電路的幅頻特性和相頻特性。 (3)濾波器的階數(shù)取決于電路中濾波器的階數(shù)取決于電路中RC 環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)，即由傳，即由傳遞函數(shù)的分母中拉氏算子遞函數(shù)的分母中拉氏算子“s ”的最高冪數(shù)確定。一階濾波器的最高冪數(shù)確定。一階濾波器過(guò)渡帶的變化速率過(guò)渡帶的變化速率為為 20

12、dB/十倍頻，二階濾波器過(guò)渡帶的十倍頻，二階濾波器過(guò)渡帶的變化速率為變化速率為 40dB/十倍頻。若是十倍頻。若是n階濾波器則過(guò)渡帶的變化階濾波器則過(guò)渡帶的變化速率為速率為 20ndB/十倍頻。十倍頻。 Hupuj1ffAA電壓放大倍數(shù)為電壓放大倍數(shù)為同相輸入一階低通濾波器同相輸入一階低通濾波器ofui1f11( )( )(1)1( )1 (1)1UsRsCA sU sRRsCRRsRC1. 一階低通濾波器一階低通濾波器 同相一階低通濾波電路如圖所示，同相一階低通濾波電路如圖所示，RC 為一階低通環(huán)為一階低通環(huán)節(jié)，節(jié)，A為具有電壓增益的運(yùn)算放大器。它的傳遞函數(shù)為為具有電壓增益的運(yùn)算放大器。它的

13、傳遞函數(shù)為 9.2.2 有源低通濾波器有源低通濾波器 以以電壓增益與通帶電壓增益相對(duì)值的對(duì)數(shù)電壓增益與通帶電壓增益相對(duì)值的對(duì)數(shù)為為Y坐標(biāo)，坐標(biāo)，以以頻率頻率為為X坐標(biāo)可以將電壓放大倍數(shù)的幅度頻率特性曲線坐標(biāo)可以將電壓放大倍數(shù)的幅度頻率特性曲線畫(huà)出。畫(huà)出。fup11RAR 通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)RCf21H通帶截止頻率通帶截止頻率Hupuj1ffAA式中式中RCf210也稱特征頻率也稱特征頻率1. 一階低通濾波器一階低通濾波器同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性-20dB/十倍頻程十倍頻程1. 一階低通濾波器一階低通濾波器 波特圖波特圖是用折線化的幅頻特性去代替實(shí)際

14、的幅頻特性。是用折線化的幅頻特性去代替實(shí)際的幅頻特性。波特圖在波特圖在 fH 處的誤差最大，有處的誤差最大，有-3dB。同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性-20dB/十倍頻程十倍頻程 一階一階RC 濾波電路的過(guò)渡帶較寬，特性曲線下降慢。采濾波電路的過(guò)渡帶較寬，特性曲線下降慢。采用多階濾波器，即增加用多階濾波器，即增加RC濾波環(huán)節(jié)，可以使過(guò)渡帶變窄。濾波環(huán)節(jié)，可以使過(guò)渡帶變窄。-3dB1. 一階低通濾波器一階低通濾波器同相輸入二階低通濾波電路同相輸入二階低通濾波電路2. 二階低通濾波器二階低通濾波器(1) 通帶增益通帶增益 為增加幅度頻率特性在過(guò)渡帶的衰減，可采用二

15、階濾為增加幅度頻率特性在過(guò)渡帶的衰減，可采用二階濾波電路。當(dāng)波電路。當(dāng) f = 0 時(shí)，電容器可視為開(kāi)路，通帶增益為時(shí)，電容器可視為開(kāi)路，通帶增益為1fup1RRA(2) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)同相輸入二階低通濾波電路同相輸入二階低通濾波電路令令C1= C2 =C，聯(lián)立求解以上四式，可得濾波器的傳遞函數(shù)，聯(lián)立求解以上四式，可得濾波器的傳遞函數(shù) 2uPIOu31sCRsCRAsUsUsAOup( )( )N2( )( )1( )( )1UsA UsUsUssC R 12NI1211()( )11()RsCsCUsU sRRsCsC)()()()(sUsU2. 二階低通濾波器二階低通濾波器特征頻率特征頻

16、率截止頻率截止頻率通帶增益通帶增益(3) 通帶截止頻率通帶截止頻率2upIOS)(31)()()(sCRsCRAsUsUsA將將 s 換成換成 j ，另，另 0 = 2 f0 = 1/RC020upuj3)(1ffffAA通帶截止頻率通帶截止頻率fp對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) ，于是可求出，于是可求出2)(uppAfAf = fp = 0.37 f02. 二階低通濾波器二階低通濾波器二階二階LPF的幅頻特性的幅頻特性 二階低通有源濾波電路的幅度頻率特性曲線：二階低通有源濾波電路的幅度頻率特性曲線： 該電路的該電路的 fp與與 f0 相距較大，如果在相距較大，如果在 f = f0 處適當(dāng)提升處適當(dāng)提升電壓放大倍數(shù)

17、，即可拉近電壓放大倍數(shù)，即可拉近 fp與與 f0，減小過(guò)渡帶。，減小過(guò)渡帶。2. 二階低通濾波器二階低通濾波器3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器 為使為使 fp f0，且在，且在 f = f0 時(shí)幅頻特性按時(shí)幅頻特性按 - -40dB/十倍頻十倍頻下降。下降。將將C1的接地端改接到運(yùn)放的輸出端，的接地端改接到運(yùn)放的輸出端，引入適當(dāng)?shù)恼脒m當(dāng)?shù)恼答伔答仭?當(dāng)當(dāng) f0，或很低時(shí)，或很低時(shí)，C1 阻抗很大，正反饋基本不起作阻抗很大，正反饋基本不起作用，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。用，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。 當(dāng)當(dāng) f f0 時(shí)時(shí)，C2 阻抗減小，正反饋?zhàn)饔媒档?，放大倍阻抗減小，正反饋?zhàn)饔?/p>

18、降低，放大倍數(shù)下降數(shù)下降 。 正反饋正反饋壓控型二階低通濾波電路壓控型二階低通濾波電路upu2up( )( )13( )()AsAsAs sRCsRCup0uupup 3AffAQAA時(shí)，列節(jié)點(diǎn)電流方程，求得：列節(jié)點(diǎn)電流方程，求得：0upuup 23 ffAAA當(dāng)時(shí)，upu2up001()j 3AAffAff令令 ，up31AQ應(yīng)該仔細(xì)選擇通帶增益，應(yīng)該仔細(xì)選擇通帶增益，避免虛部為避免虛部為0，引起電路自激。，引起電路自激。3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性 一般選擇一般選擇 Q = 1，其通帶內(nèi)的增益比較平坦，又可拉

19、，其通帶內(nèi)的增益比較平坦，又可拉近近 fp ，壓縮過(guò)渡帶。，壓縮過(guò)渡帶。3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器 高通濾波器高通濾波器(HPF)允許輸入信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)允許輸入信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)分量通過(guò)，抑制低頻分量。高通濾波器分量通過(guò)，抑制低頻分量。高通濾波器 與與低通濾波器低通濾波器(LPF)有對(duì)偶性，將有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得的電阻和電容互換，就可得HPF。二階壓控型高通濾波電路二階壓控型高通濾波電路1. 電路組成電路組成9.2.3 有源高通濾波器有源高通濾波器二階壓控型高通濾波電路二階壓控型高通濾波電路 二階壓控型高通濾波電路的二階壓控型高通濾波電

20、路的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：2. 幅頻特性幅頻特性通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)截止頻率截止頻率品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù) 高通濾波器高通濾波器( HPF)與低通濾波器與低通濾波器(LPF)的傳遞函數(shù)和幅的傳遞函數(shù)和幅頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，將頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，將LPF傳遞函數(shù)中的傳遞函數(shù)中的sRC用用1/sRC代換，就可以得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。代換，就可以得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Aup3時(shí)，電路會(huì)發(fā)生自激振蕩，因而要求時(shí)，電路會(huì)發(fā)生自激振蕩，因而要求Aup fL9.2.4 有源帶通濾波器有源帶通濾波器二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路低通低通高通高通 為獲得較窄的通頻帶，在實(shí)際電路中常采用

21、單個(gè)集成為獲得較窄的通頻帶，在實(shí)際電路中常采用單個(gè)集成運(yùn)放運(yùn)放構(gòu)成二階壓控型帶通濾波電路。構(gòu)成二階壓控型帶通濾波電路。fH fL1. 電路組成電路組成二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路2. 幅頻特性幅頻特性列節(jié)點(diǎn)電流方程，求傳遞函數(shù)為列節(jié)點(diǎn)電流方程，求傳遞函數(shù)為 uf2ufu31AsCRsCRAsCRsA1fuf1RRAuf3A ufuuf0uf01311j3AAAffAffufupufuf3AAQAA將將 代替代替S，令令 j012fRCuf13QA)(j1100upuffffQAA二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路2. 幅頻特性幅頻特性u(píng)p2uf0L3432AAffup

22、2uf0H3432AAff解得通帶截止頻率：解得通帶截止頻率：當(dāng)當(dāng) f = fP時(shí)，時(shí)， 通帶截止頻率通帶截止頻率upu21AA1)(31p00pufffffA通頻帶通頻帶0HLuf0BW3fffAfQ2. 幅頻特性幅頻特性二階壓控型帶通濾波電路的幅頻特性二階壓控型帶通濾波電路的幅頻特性 Q值越高，值越高，BPF的通帶寬度越窄，濾波器的選頻特性的通帶寬度越窄，濾波器的選頻特性越好越好。 一般定義一般定義Q 10為為窄帶窄帶BPF。 2. 幅頻特性幅頻特性 帶阻濾波器帶阻濾波器(BEF)的對(duì)于特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)有衰減的對(duì)于特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)有衰減或抑制作用，而在頻帶以外的信號(hào)可以順利通過(guò)，也

23、稱或抑制作用，而在頻帶以外的信號(hào)可以順利通過(guò)，也稱陷波陷波濾波器濾波器。將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器，將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，得到帶阻濾波器再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，得到帶阻濾波器。阻帶：阻帶：(fp1- -fp2)帶阻濾波電路的組成帶阻濾波電路的組成1. 電路組成電路組成9.2.5 有源帶阻濾波器有源帶阻濾波器 實(shí)際電路中常利用實(shí)際電路中常利用無(wú)源無(wú)源LPF和和 HPF并聯(lián)并聯(lián)構(gòu)成無(wú)源帶阻構(gòu)成無(wú)源帶阻濾波電路，然后接同相比例運(yùn)算電路，得到有源帶阻濾波濾波電路，然后接同相比例運(yùn)算電路，得到有源帶阻濾波電路。電路。無(wú)源帶阻濾波電路無(wú)

24、源帶阻濾波電路+同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路=有源帶阻濾波電路有源帶阻濾波電路雙雙T帶阻濾波電路帶阻濾波電路1. 電路組成電路組成 二階壓控型帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)是二階壓控型帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)是在無(wú)源雙在無(wú)源雙T 帶阻濾波帶阻濾波電路的基礎(chǔ)上，加入同相比例運(yùn)算電路電路的基礎(chǔ)上，加入同相比例運(yùn)算電路，并，并引入正反饋引入正反饋而而構(gòu)成。構(gòu)成。 二階壓控型帶阻濾波電路二階壓控型帶阻濾波電路1. 電路組成電路組成 當(dāng)輸入高頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值小，可近似視作當(dāng)輸入高頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值小，可近似視作“短路短路”，高頻信號(hào)由上方的兩個(gè)電容和一個(gè)電阻所構(gòu)成高頻信號(hào)由上方的兩個(gè)電容和一個(gè)電阻所構(gòu)成的的T

25、型網(wǎng)絡(luò)通過(guò)型網(wǎng)絡(luò)通過(guò)；當(dāng)輸入低頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值大，；當(dāng)輸入低頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值大，可近似視作可近似視作“開(kāi)路開(kāi)路”，低頻信號(hào)由下方的兩個(gè)電阻和一個(gè)低頻信號(hào)由下方的兩個(gè)電阻和一個(gè)電容所構(gòu)成的電容所構(gòu)成的 T 型網(wǎng)絡(luò)通過(guò)型網(wǎng)絡(luò)通過(guò)；而；而處于低頻和高頻之間的頻處于低頻和高頻之間的頻帶信號(hào)無(wú)法通過(guò)雙帶信號(hào)無(wú)法通過(guò)雙T 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。 1. 電路組成電路組成2uup2up1()( )12 2()sCRA sAAsRCsCRfup11RAR 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：2. 幅頻特性幅頻特性u(píng)pu0up2201j2 2AAf fAff將將 代替代替S，令令 ，則得到，則得到 j012fRC0p2p1up0

26、2(2)fBWffAfQup12(2)QA阻帶寬度：阻帶寬度：2p1upup0(2)1(2)fAAf 2p2upup0(2)1(2)fAAf 通帶的截止頻率：通帶的截止頻率：2. 幅頻特性幅頻特性不同不同Q值時(shí)帶阻濾波器的幅頻特性：值時(shí)帶阻濾波器的幅頻特性：Q值大值大二階壓控型帶阻濾波電路的幅頻特性二階壓控型帶阻濾波電路的幅頻特性2. 幅頻特性幅頻特性 全通濾波器全通濾波器 (APF) 沒(méi)有阻帶，其理想濾波特性是通帶沒(méi)有阻帶，其理想濾波特性是通帶從零到無(wú)窮大，信號(hào)可以無(wú)衰減地通過(guò)濾波器，但是不同從零到無(wú)窮大，信號(hào)可以無(wú)衰減地通過(guò)濾波器，但是不同頻率的信號(hào)將產(chǎn)生不同的相移。因此，頻率的信號(hào)將產(chǎn)生

27、不同的相移。因此，APF 也被稱為也被稱為延時(shí)延時(shí)濾波器濾波器或或移相器移相器。一階全通濾波器一階全通濾波器9.2.6 全通濾波器全通濾波器圖圖(a)所示電路的傳遞函數(shù)：所示電路的傳遞函數(shù)：u1( )1sCRA ssCR 將將 代替代替S，則得到則得到 ju1j1jRCARC 9.2.6 全通濾波器全通濾波器* 全通濾波器實(shí)現(xiàn)頻率全通濾波器實(shí)現(xiàn)頻率 f - - 相角相角轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 *全通濾波器的相頻特性全通濾波器的相頻特性u(píng)1j1jRCARC u1A o01802arctanff012fRC 信號(hào)頻率從零到無(wú)窮大，全通濾波器信號(hào)頻率從零到無(wú)窮大，全通濾波器( APF )輸出電壓輸出電壓的數(shù)值與輸

28、入電壓相等。的數(shù)值與輸入電壓相等。幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性9.2.6 全通濾波器全通濾波器9.2.7 狀態(tài)變量型有源濾波器狀態(tài)變量型有源濾波器 在對(duì)濾波器性能要求較高的場(chǎng)合，一般將在對(duì)濾波器性能要求較高的場(chǎng)合，一般將比例比例、積積分分、求和求和等基本運(yùn)算電路組合在一起，構(gòu)成可以自由設(shè)等基本運(yùn)算電路組合在一起，構(gòu)成可以自由設(shè)置傳遞函數(shù)的運(yùn)算電路，并實(shí)現(xiàn)各種濾波功能，這種電置傳遞函數(shù)的運(yùn)算電路，并實(shí)現(xiàn)各種濾波功能，這種電路稱為路稱為狀態(tài)變量狀態(tài)變量(State Variable)型有源濾波器型有源濾波器，也稱，也稱可可變狀態(tài)型濾波器變狀態(tài)型濾波器。主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)： (1)功能多樣性功能

29、多樣性，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通的，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通的濾波特性，因此也被稱為通用型濾波器；濾波特性，因此也被稱為通用型濾波器； (2)濾波器性能濾波器性能參數(shù)參數(shù) (Aup、Q、f0 )互相互相獨(dú)立獨(dú)立，易調(diào)整易調(diào)整； (3)對(duì)元件參數(shù)靈敏度低，易于對(duì)元件參數(shù)靈敏度低，易于實(shí)現(xiàn)高實(shí)現(xiàn)高Q 值值。 1. 二階有源濾波器的傳遞函數(shù)二階有源濾波器的傳遞函數(shù) 二階狀態(tài)變量有源濾波器的傳遞函數(shù)二階狀態(tài)變量有源濾波器的傳遞函數(shù):2012u2012( )aa sa sA sbbsb s當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)021 aa0u2012( )aA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階低通濾波二階低通濾波

30、。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)010 aa22u2012( )a sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階高通濾波二階高通濾波。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)020 aa1u2012( )a sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階帶通濾波器二階帶通濾波器。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)01a202u2012( )aa sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器。 合理選擇合理選擇a0、a1、a2和和b0、b1、b2的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)任的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)任意傳遞函數(shù)。意傳遞函數(shù)。 1. 二階有源濾波器的傳遞函數(shù)二階有源濾波器的傳遞函數(shù)2. 同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器 低通低通

31、 帶通帶通同相輸入的狀態(tài)變量型有源波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源波器 高通高通 由由兩個(gè)積分電路兩個(gè)積分電路和和一個(gè)求和運(yùn)算一個(gè)求和運(yùn)算電路構(gòu)成的二階低電路構(gòu)成的二階低通、高通和帶通濾波電路如圖所示。通、高通和帶通濾波電路如圖所示。 2456712o1145u123152i6712722341523/( )/( )/RRs R R C CUsRRRAsRRRRU ss R R C CsR CRRRRRRR 設(shè)設(shè)R1= R2= R3= R4=R，R6= R7= R0，C1= C2= C0，化，化簡(jiǎn)方程，求得電路的三個(gè)輸出端的傳遞函數(shù)為簡(jiǎn)方程，求得電路的三個(gè)輸出端的傳遞函數(shù)為 200o15u125i

32、500005( )22( )212sR CUsRAsRU sRRsR CsR CRR o2005u225i500005( )22( )212UssR CRAsRU sRRsR CsR CRR o35u325i500005( )212( )212UsRAsRU sRRsR CsR CRR 高通濾波器高通濾波器 帶通濾波器帶通濾波器 低通濾波器低通濾波器2. 同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器3. 反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器 低通低通 高通高通 帶通帶通 帶阻帶阻反相輸入的狀態(tài)變量型有源波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源波器2O1u12i( )

33、10()( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC O2u22i( )10( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC O3u32i( )10( )( )1210()UsAsU ssRCsRC 2O4u42i( )10 10()( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC 高通濾波器高通濾波器 帶通濾波器帶通濾波器 低通濾波器低通濾波器 帶阻濾波器帶阻濾波器3. 反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器1. 濾波特性濾波特性 二階濾波電路比一階的濾波效果好，因此當(dāng)進(jìn)一步增二階濾波電路比一階的濾波效果好，因此當(dāng)進(jìn)一步增加濾波電路階數(shù)，其頻

34、率響應(yīng)越能接近理想特性。但是在加濾波電路階數(shù)，其頻率響應(yīng)越能接近理想特性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，元件參數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，元件參數(shù)(R、C)的不同設(shè)置使得濾波器具有的不同設(shè)置使得濾波器具有不同的響應(yīng)特性，很難在幅頻和相頻響應(yīng)兩個(gè)方面同時(shí)接不同的響應(yīng)特性，很難在幅頻和相頻響應(yīng)兩個(gè)方面同時(shí)接近理想特性。因此，近理想特性。因此，濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)不同的實(shí)際是根據(jù)不同的實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)其最佳的近似理想特性。要求，實(shí)現(xiàn)其最佳的近似理想特性。 在各種各樣的近似特性曲線中，較為典型的是在各種各樣的近似特性曲線中，較為典型的是巴特沃巴特沃斯斯、切比雪夫切比雪夫和和貝塞爾貝塞爾特性曲線。每一種濾波器特性

35、曲線。每一種濾波器(LPF、HPF、BPF、BEF)都能通過(guò)改變與時(shí)間常數(shù)有關(guān)的元件參都能通過(guò)改變與時(shí)間常數(shù)有關(guān)的元件參數(shù)獲得與巴特沃斯、切比雪夫或貝塞爾特性曲線相對(duì)應(yīng)的數(shù)獲得與巴特沃斯、切比雪夫或貝塞爾特性曲線相對(duì)應(yīng)的濾波特性。濾波特性。 9.2.8 三種典型的濾波特性三種典型的濾波特性2. 三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較 巴特沃思型低通濾波器巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)的幅頻響應(yīng):221()1nH 巴特沃思型低通濾波器在巴特沃思型低通濾波器在 = 0處最大平滑、無(wú)衰減，處最大平滑、無(wú)衰減，通帶內(nèi)的頻率特征是平坦無(wú)凹凸的，并且在允許條件下可得通帶內(nèi)的頻率特征是平坦無(wú)凹凸的，并

36、且在允許條件下可得到最大帶寬。因此，巴特沃思濾波器到最大帶寬。因此，巴特沃思濾波器具有最大平坦特性具有最大平坦特性，其，其階數(shù)階數(shù)n越高，濾波響應(yīng)曲線越逼近理想模型。越高，濾波響應(yīng)曲線越逼近理想模型。 c/ c是是- -3dB的截止頻率的截止頻率n是濾波器的階數(shù)是濾波器的階數(shù) 是決定最大通帶起伏量的常數(shù)是決定最大通帶起伏量的常數(shù) 切比雪夫型低通濾波器切比雪夫型低通濾波器的幅頻響應(yīng)的幅頻響應(yīng):221()1()nHC 切比雪夫型濾波器切比雪夫型濾波器以引入通帶起伏為代價(jià)，使過(guò)渡帶曲以引入通帶起伏為代價(jià)，使過(guò)渡帶曲線下降的斜率最大化線下降的斜率最大化。在給定過(guò)渡帶截止速率的情況下，切。在給定過(guò)渡帶截

37、止速率的情況下，切比雪夫?yàn)V波器雖然在通帶內(nèi)的曲線產(chǎn)生了一定幅度的振蕩，比雪夫?yàn)V波器雖然在通帶內(nèi)的曲線產(chǎn)生了一定幅度的振蕩，但是可以用低于巴特沃斯濾波器的階次來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低了但是可以用低于巴特沃斯濾波器的階次來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低了電路的復(fù)雜性和成本。電路的復(fù)雜性和成本。c/ c是是- -3dB的截止頻率的截止頻率切比雪夫多項(xiàng)式切比雪夫多項(xiàng)式 2 o，則在每個(gè)單，則在每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)位時(shí)間內(nèi) ui比比uo產(chǎn)生產(chǎn)生的上升沿多，因而高的上升沿多，因而高電平維持時(shí)間長(zhǎng)，使電平維持時(shí)間長(zhǎng)，使uC 增加，控制增加，控制 VCO 的輸出的輸出 o 上升；若上升；若 i F+，即，即負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)，則此時(shí)

38、則此時(shí)電路工作穩(wěn)定電路工作穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 R1、R2構(gòu)成負(fù)反饋路徑構(gòu)成負(fù)反饋路徑R3、R4構(gòu)成構(gòu)成正反饋路徑正反饋路徑在運(yùn)算放大器的在運(yùn)算放大器的反相輸入端反相輸入端和和同同相輸入端相輸入端列節(jié)點(diǎn)電流方程：列節(jié)點(diǎn)電流方程： SO12uuuuRROO43uuuiRR +uu34421OOSO34341212RRRRRuiuuRRRRRRRR3241RRRR如果如果 341234123412,RRRRRRRRRRRROS41iuR 9.7.2 阻抗變換器阻抗變換器實(shí)現(xiàn)阻抗特性的模擬與變換實(shí)現(xiàn)阻抗特性的模擬與變換 接地阻抗變換電路接地阻抗變換電路的的負(fù)反饋能力強(qiáng)于正反饋負(fù)反饋能

39、力強(qiáng)于正反饋，因而工，因而工作穩(wěn)定。作穩(wěn)定。 由圖可知由圖可知1iIIioi11ii212i1() UUIIRUURZZRRUR Z ZRRIUZ21iii該電路等效的接地輸入阻抗為該電路等效的接地輸入阻抗為 當(dāng)當(dāng)Z為電阻為電阻時(shí)：時(shí)： ZRRIUZ21iii1i2RZRR ，呈現(xiàn)，呈現(xiàn)負(fù)電阻負(fù)電阻特性；特性； 當(dāng)當(dāng)Z為電容時(shí)：為電容時(shí)： 11i222jjjRRCZLRRC 呈現(xiàn)模擬電感特性，模擬電感為呈現(xiàn)模擬電感特性，模擬電感為122RLCR運(yùn)用運(yùn)用虛短虛短和和虛斷虛斷概念，概念，列方程式：列方程式：52O1i45ZUUUZZo1i22UUIZiii112i33()UUI ZZIIZZ例例2

40、：圖示為一種適合：圖示為一種適合做模擬電容的阻抗變換電路做模擬電容的阻抗變換電路，試推導(dǎo)，試推導(dǎo)輸入阻抗表達(dá)式。輸入阻抗表達(dá)式。454iiiO1i4552i22225ZZZUUUUUZZZIUZZZZ Z電路輸入阻抗為電路輸入阻抗為i125ii34UZ Z ZZIZ Z 當(dāng)當(dāng)Z5是一個(gè)電容，是一個(gè)電容，Z1、Z2、Z3、Z4是電阻時(shí)是電阻時(shí)，Zi呈現(xiàn)電呈現(xiàn)電容性，電路容性，電路等效為一個(gè)模擬電容等效為一個(gè)模擬電容。通過(guò)調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)Z1、Z2、Z3、Z4的阻值，可以控制模擬電容的容量。的阻值，可以控制模擬電容的容量。 絕對(duì)值電路的絕對(duì)值電路的基本傳輸特性基本傳輸特性是：當(dāng)是：當(dāng)輸入輸入uI0時(shí)

41、，電路的時(shí)，電路的輸出為輸出為uO=uI ；當(dāng)輸入電壓；當(dāng)輸入電壓uI 0時(shí)，時(shí)，uO1 0，則，則VD1截止截止，VD2導(dǎo)通導(dǎo)通。oiuuAiuu - -uI當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓ui 0，則，則VD1導(dǎo)通導(dǎo)通，VD2截止截止。oiuu A0u 因此無(wú)論因此無(wú)論uI為正或?yàn)樨?fù)，則為正或?yàn)樨?fù)，則uO恒為正，即恒為正，即oiuu2. 同相輸入絕對(duì)值電路同相輸入絕對(duì)值電路當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓uI 0時(shí)，時(shí)，uO1 0，則，則VD1導(dǎo)通導(dǎo)通，VD2截止截止。oiuuAiuu當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓uI 0時(shí)，時(shí)，uO1 0，則，則VD1截止截止，VD2導(dǎo)通導(dǎo)通。oiuu Ai2uu同相比例運(yùn)算電路同相比例

42、運(yùn)算電路 用二極管實(shí)現(xiàn)的用二極管實(shí)現(xiàn)的整流電路，在小信號(hào)整流電路，在小信號(hào)整流過(guò)程中，整流過(guò)程中，由于二由于二極管的導(dǎo)通壓降會(huì)使極管的導(dǎo)通壓降會(huì)使電路輸出產(chǎn)生死區(qū)和電路輸出產(chǎn)生死區(qū)和誤差。誤差。 絕對(duì)值運(yùn)算電路絕對(duì)值運(yùn)算電路被稱為精密整流電路被稱為精密整流電路的原因是：絕對(duì)值電的原因是：絕對(duì)值電路路將二極管引入到運(yùn)將二極管引入到運(yùn)算放大器的反饋通路算放大器的反饋通路中中，其輸出電壓不是，其輸出電壓不是經(jīng)過(guò)二極管的單向?qū)Ы?jīng)過(guò)二極管的單向?qū)щ姸玫降?，所以電而得到的，所以二二極管的死區(qū)不會(huì)在輸極管的死區(qū)不會(huì)在輸出產(chǎn)生誤差。出產(chǎn)生誤差。傳感器對(duì)地的雜散電容傳感器對(duì)地的雜散電容 9.7.4 電荷放大器

43、電荷放大器容性傳感器的信號(hào)變換電路容性傳感器的信號(hào)變換電路 電容性傳感器的輸出信號(hào)為電荷，信號(hào)微弱，其等效輸電容性傳感器的輸出信號(hào)為電荷，信號(hào)微弱，其等效輸出阻抗呈容性，在低頻端呈現(xiàn)很大的阻抗值。出阻抗呈容性，在低頻端呈現(xiàn)很大的阻抗值。 電荷放大器是一個(gè)電荷放大器是一個(gè)電荷電荷- -電壓變換器電壓變換器，其作用是獲得與，其作用是獲得與該電荷成正比的電壓，并給出低輸出阻抗。該電荷成正比的電壓，并給出低輸出阻抗。電容性電容性傳感器傳感器積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路sssquC運(yùn)用運(yùn)用“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念可知的概念可知 雜散電容雜散電容 C 被短路，提高了電路的轉(zhuǎn)換精度。電路被短路，提高了

44、電路的轉(zhuǎn)換精度。電路的輸出電壓為的輸出電壓為-0uussfossffs1j1jCqCuuuCCC 電容電荷電容電荷放大器的放大器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度取決于取決于Cf 同相比例同相比例同相比例同相比例差分比例差分比例9.7.5 儀用放大器儀用放大器 儀用放大器通常用于放大傳感器送出的微弱電信號(hào)，為儀用放大器通常用于放大傳感器送出的微弱電信號(hào)，為此要求數(shù)據(jù)放大器有此要求數(shù)據(jù)放大器有很高的電壓增益很高的電壓增益；由于傳感器的內(nèi)阻往；由于傳感器的內(nèi)阻往往不是常量，故要求放大器有足夠往不是常量，故要求放大器有足夠高的輸入電阻高的輸入電阻。傳感器輸。傳感器輸出信號(hào)中往往含有較大的共模信號(hào)，因此要求數(shù)據(jù)放大器

45、具出信號(hào)中往往含有較大的共模信號(hào)，因此要求數(shù)據(jù)放大器具有很高的共模抑制比有很高的共模抑制比。即對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)放大器有。即對(duì)數(shù)數(shù)據(jù)放大器有“三高三高”要求。要求。Ai1uuBi2uu根據(jù)根據(jù)虛短虛短、虛斷虛斷的概念：的概念：o1o2AB1122uuuuRRR2o1o2i1i212(1)()RuuuuRFF2Oo1o2i1i212(1)()RRRuuuuuRRR 儀用放大器放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值儀用放大器放大兩個(gè)輸入信號(hào)的差值(差模信號(hào)差模信號(hào))，抑制，抑制共模信號(hào)。儀用放大器有如下共模信號(hào)。儀用放大器有如下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： (1) 輸入級(jí)采用同相比例運(yùn)算電路，因而輸入級(jí)采用同相比例運(yùn)算電路，因而輸入電阻更高

46、輸入電阻更高； (2) 抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)；抑制共模信號(hào)的能力強(qiáng)； (3) 通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)增益電阻增益電阻R1，可以改變電路的電壓增益?？梢愿淖冸娐返碾妷涸鲆?。F2Oi1i212(1)()RRuuuRR 集成儀用放大器集成儀用放大器AD521、AD620、AD624等，在集成電等，在集成電路內(nèi)部將路內(nèi)部將R1分為若干段，并分別由引出線外連，可以將增分為若干段，并分別由引出線外連，可以將增益設(shè)置成幾擋，也可外接電位器連續(xù)調(diào)節(jié)電壓增益。美國(guó)益設(shè)置成幾擋，也可外接電位器連續(xù)調(diào)節(jié)電壓增益。美國(guó)AD公司生產(chǎn)的集成儀用放大器公司生產(chǎn)的集成儀用放大器AD620如圖所示。如圖所示。oiREFG49.4k1

47、uuUR9.7.6 隔離放大器隔離放大器 隔離放大器是隔離放大器是在電路的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間提供電氣隔在電路的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間提供電氣隔離的放大器離的放大器，主要用于，主要用于高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量，將將被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加以隔離，削弱噪聲對(duì)有用信號(hào)的被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加以隔離，削弱噪聲對(duì)有用信號(hào)的干擾，從而干擾，從而提高測(cè)量系統(tǒng)的共模抑制比提高測(cè)量系統(tǒng)的共模抑制比；在醫(yī)療領(lǐng)域、高壓；在醫(yī)療領(lǐng)域、高壓測(cè)量等可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓或電力線泄露的應(yīng)用場(chǎng)合，隔離放測(cè)量等可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓或電力線泄露的應(yīng)用場(chǎng)合，隔離放大器還同時(shí)具有保護(hù)人體和電子設(shè)備的功能，其輸入側(cè)

48、和輸大器還同時(shí)具有保護(hù)人體和電子設(shè)備的功能，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的公共參考端之間的差值可以高達(dá)幾千伏。出側(cè)的公共參考端之間的差值可以高達(dá)幾千伏。 變壓器耦合電路變壓器耦合電路不能放大直流信號(hào)和變化緩慢的低頻信不能放大直流信號(hào)和變化緩慢的低頻信號(hào)號(hào)，采用調(diào)制和解調(diào)的方法傳遞信號(hào)采用調(diào)制和解調(diào)的方法傳遞信號(hào)。1. 變壓器耦合式隔離放大器變壓器耦合式隔離放大器 工作時(shí)需要為放大器內(nèi)部的振蕩器工作時(shí)需要為放大器內(nèi)部的振蕩器提供一個(gè)外接直流電提供一個(gè)外接直流電源源VDC，由振蕩器，由振蕩器將直流電源轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)將直流電源轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)變壓器，經(jīng)過(guò)變壓器耦合分別耦合分別傳送到輸入側(cè)和輸出側(cè)的電源傳送到

49、輸入側(cè)和輸出側(cè)的電源中，經(jīng)過(guò)整流和濾波中，經(jīng)過(guò)整流和濾波處理，再次變換為輸入、輸出級(jí)所需要的處理，再次變換為輸入、輸出級(jí)所需要的雙極性直流電源雙極性直流電源。 振蕩器的輸出耦合到輸入級(jí)的調(diào)制器作為振蕩器的輸出耦合到輸入級(jí)的調(diào)制器作為載波載波，輸入信，輸入信號(hào)經(jīng)由運(yùn)放號(hào)經(jīng)由運(yùn)放A1放大成為放大成為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)調(diào)制器輸出的信號(hào)經(jīng)變壓器耦合到輸出級(jí)的解調(diào)器制器輸出的信號(hào)經(jīng)變壓器耦合到輸出級(jí)的解調(diào)器，解調(diào)出輸，解調(diào)出輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放入信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放A2產(chǎn)生輸出信號(hào)。產(chǎn)生輸出信號(hào)。 隔離放大器的隔離放大器的總電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)設(shè)置為其輸入級(jí)、輸

50、出級(jí)設(shè)置為其輸入級(jí)、輸出級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積，即電壓放大倍數(shù)的乘積，即uu1u2AA A 電容耦合式隔離放大器電容耦合式隔離放大器ISO102主要由主要由輸入側(cè)的壓控振蕩輸入側(cè)的壓控振蕩器器 VCO1、差分耦合電容差分耦合電容、輸出側(cè)的鎖相環(huán)輸出側(cè)的鎖相環(huán) ( PLL 電路電路 )與與VCO2 組成。組成。 ISO102的簡(jiǎn)化原理框圖如圖所示。的簡(jiǎn)化原理框圖如圖所示。2. 電容耦合式隔離放大器電容耦合式隔離放大器 VCO1將輸入信號(hào)將輸入信號(hào)uin變換變換為信號(hào)頻率為信號(hào)頻率 f0，經(jīng)過(guò)跨接在隔，經(jīng)過(guò)跨接在隔離層兩側(cè)的離層兩側(cè)的差分電容差分電容(3pF)耦合耦合到讀出放大器，然后通過(guò)到讀出放大

51、器，然后通過(guò)鎖相鎖相環(huán)電路解調(diào)輸出信號(hào)環(huán)電路解調(diào)輸出信號(hào)uout。 PLL電路使環(huán)路濾波器輸出的電路使環(huán)路濾波器輸出的uout經(jīng)經(jīng)VCO2產(chǎn)生的信號(hào)頻產(chǎn)生的信號(hào)頻率率fx同步跟蹤輸入信號(hào)同步跟蹤輸入信號(hào)uin經(jīng)經(jīng)VCO1產(chǎn)生的頻率產(chǎn)生的頻率f0，從而使電路，從而使電路的輸出信號(hào)的輸出信號(hào)uout與輸入信號(hào)與輸入信號(hào)uin相同。相同。 ISO102的的輸入側(cè)輸入側(cè)電路與輸出側(cè)電路采用各自電路與輸出側(cè)電路采用各自獨(dú)立的電獨(dú)立的電源供電源供電，輸入側(cè)與輸出側(cè)之間的兩個(gè)，輸入側(cè)與輸出側(cè)之間的兩個(gè)3pF耦合電容為高壓陶耦合電容為高壓陶瓷電容，瓷電容，兩側(cè)隔離電壓可達(dá)兩側(cè)隔離電壓可達(dá)1500Vrms。調(diào)節(jié)

52、調(diào)節(jié)放大放大增益增益調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)放大放大器的器的失調(diào)失調(diào)電壓電壓 在實(shí)際電路中通常采用在實(shí)際電路中通常采用DC/DC變換器變換器為為ISO102芯片提供芯片提供兩組內(nèi)部有隔離功能的電源。兩組內(nèi)部有隔離功能的電源。 光電耦合器廣泛地光電耦合器廣泛地用于數(shù)字信號(hào)的隔離用于數(shù)字信號(hào)的隔離，具有非線性的，具有非線性的電流傳輸特性，在傳輸模擬信號(hào)時(shí)其傳輸精度和線性度均不電流傳輸特性，在傳輸模擬信號(hào)時(shí)其傳輸精度和線性度均不理想。在不共地的情況下傳輸模擬信號(hào)時(shí)，可以采用運(yùn)放對(duì)理想。在不共地的情況下傳輸模擬信號(hào)時(shí)，可以采用運(yùn)放對(duì)光電耦合器進(jìn)行非線性補(bǔ)償，使之具有良好的傳輸線性度。光電耦合器進(jìn)行非線性補(bǔ)償，使之具有

53、良好的傳輸線性度。3. 光電耦合式隔離放大器光電耦合式隔離放大器 ISO3650是由是由線性光耦構(gòu)成的隔離放大器線性光耦構(gòu)成的隔離放大器，輸入和輸出，輸入和輸出側(cè)的隔離電壓可達(dá)側(cè)的隔離電壓可達(dá)2000V。 ISO3650芯片內(nèi)部采用芯片內(nèi)部采用一個(gè)發(fā)光二極管一個(gè)發(fā)光二極管LED和和兩個(gè)光電兩個(gè)光電二極管二極管VD1、VD2將電路輸入和輸出側(cè)的信號(hào)隔開(kāi)。將電路輸入和輸出側(cè)的信號(hào)隔開(kāi)。LED、VD1與光通道一起構(gòu)成運(yùn)放與光通道一起構(gòu)成運(yùn)放A1的的負(fù)反饋回路負(fù)反饋回路。根據(jù)虛短和虛斷概念根據(jù)虛短和虛斷概念I(lǐng)1I1uiiR21ii2O22I1Rui RuR HCPL7800 系列是系列是采用采用 A/

54、D 采樣技術(shù)的光電耦合式隔離采樣技術(shù)的光電耦合式隔離放大器放大器。在放大器的。在放大器的輸入側(cè)輸入側(cè)，經(jīng)過(guò)采樣，經(jīng)過(guò)采樣模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬輸將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速串行數(shù)據(jù)，以數(shù)字脈沖形式由光電管耦合入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速串行數(shù)據(jù)，以數(shù)字脈沖形式由光電管耦合到到輸出側(cè)輸出側(cè)，然后由，然后由數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)濾波后重新轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)濾波后輸出。輸出。HCPL7840的外圍電路簡(jiǎn)的外圍電路簡(jiǎn)單，隔離電壓可達(dá)單，隔離電壓可達(dá)2500V，帶寬為帶寬為100kHz，具有很高，具有很高的共模抑制比，常用于電的共模抑制比，常用于電動(dòng)機(jī)和逆變器的電流檢測(cè)動(dòng)機(jī)和逆變器的電流檢測(cè)及開(kāi)

55、關(guān)電源的信號(hào)隔離。及開(kāi)關(guān)電源的信號(hào)隔離。HCPL7840的簡(jiǎn)化符號(hào)和管腳圖的簡(jiǎn)化符號(hào)和管腳圖 HCPL7840在電機(jī)電流檢測(cè)電路中的應(yīng)用在電機(jī)電流檢測(cè)電路中的應(yīng)用如圖所示。如圖所示。 流過(guò)電機(jī)繞組的流過(guò)電機(jī)繞組的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻電流經(jīng)過(guò)采樣電阻RS轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)，然后通過(guò)然后通過(guò) R1 和和 C1 構(gòu)成的構(gòu)成的低通濾波器低通濾波器將信號(hào)送入芯片，經(jīng)將信號(hào)送入芯片，經(jīng)HCPL7840轉(zhuǎn)換后，以差分信號(hào)形式輸出；轉(zhuǎn)換后，以差分信號(hào)形式輸出；運(yùn)放運(yùn)放A構(gòu)成差分構(gòu)成差分比例放大電路比例放大電路將該差分信號(hào)將該差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出的電壓信號(hào)的電壓信號(hào)uo，圖中電容圖中電容C3和和C4具有抑制高頻噪聲的作用。具有抑制高頻噪聲的作用。 9.7.7 可控增益放大器可控增益放大器電壓增益可以調(diào)節(jié)電壓增益可以調(diào)節(jié) 增