智能測控系統(tǒng)設(shè)計2_信號調(diào)理與抗干擾

1、智能測控系統(tǒng)設(shè)計第三章第三章 信號調(diào)理電路與抗干擾信號調(diào)理電路與抗干擾 3.1 常用放大器 3.2 可編程增益放大器（PGA） 3.3 模擬濾波器 3.4 電壓/電流變換器 3.5 電壓/頻率變換器 3.6 前置放大器的噪聲 3.7 干擾的耦合方式及抑制措施 3.8 干擾的疊加方式及抑制措施3.9 電源干擾的濾除 傳感傳感信號信號如何調(diào)理如何調(diào)理智能測控系統(tǒng)設(shè)計3.1 3.1 常用放大器常用放大器 通常情況下，集成運算放大器可以實現(xiàn)大部分的信號調(diào)理功能，因此應(yīng)用最為廣泛。選擇運算放大器，需要根據(jù)以下幾個考量：4.對于專用功能的信號調(diào)理電路，應(yīng)盡量選擇專用芯片，以簡化設(shè)計。1.信號調(diào)理電路對運放

2、的性能要求，從而選擇參數(shù)合適的運放，如輸入阻抗、漂移、響應(yīng)速度等；2.使用環(huán)境的要求，從而選擇等級合適的運放，如工業(yè)級、軍用級等；3.其它考慮,如信號隔離、多運放、封裝、價格等;智能測控系統(tǒng)設(shè)計運放的主要性能參數(shù)運放的主要性能參數(shù)輸入阻抗：輸入阻抗：輸入阻抗越大越好，高頻時輸入電容變得重要。輸出阻抗：輸出阻抗：輸出阻抗越小越好。噪聲：噪聲：運放內(nèi)部噪聲的大小，用輸入噪聲電壓密度和輸入噪聲電流密度來表示。輸入偏流：輸入偏流：兩個輸入端電流的平均值。偏流會引起運放不平衡而產(chǎn)生輸出。偏流越小越好。場效應(yīng)輸入級偏流最小。輸入失調(diào)電流：輸入失調(diào)電流：為使輸出為零，一個輸入端比另一個輸入端需要更大的電流，

3、這個電流為輸入失調(diào)電流。輸入失調(diào)電壓：輸入失調(diào)電壓：為使輸出為零，在一個輸入端上加上一個小的電壓（另一個輸入端接零伏），這個電壓為輸入失調(diào)電壓。溫度效應(yīng)：溫度效應(yīng)：溫度引起的輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電壓的漂移。轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率：單位時間內(nèi)電壓變化的最大值。增益帶寬積：增益帶寬積：增益帶寬積增益帶寬單位增益頻率。共模抑制比：共模抑制比：差動增益/共模增益，以分貝表示。智能測控系統(tǒng)設(shè)計運放的主要性能參數(shù)列舉運放的主要性能參數(shù)列舉智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用單運放通用單運放CF741, LM741, A741, AD741, MC1741, HA17741T, PC741等。等。軍用級：軍用級：-55125

4、-55125，工業(yè)級：，工業(yè)級： -2585-2585，民，民用級：用級：070070。如無特殊要求，一般應(yīng)選用通用型運放，根據(jù)環(huán)境溫度選擇如無特殊要求，一般應(yīng)選用通用型運放，根據(jù)環(huán)境溫度選擇相應(yīng)級別器件，如同一電路中有多個運放，則選擇雙運放或相應(yīng)級別器件，如同一電路中有多個運放，則選擇雙運放或四運放。四運放。智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用四運放通用四運放CF324, LM3241, A324, PC324CF324, LM3241, A324, PC324等等 使用四運放可以簡化電路排版，減小電路面積。使用四運放可以簡化電路排版，減小電路面積。 智能測控系統(tǒng)設(shè)計高輸入阻抗運放高輸入阻抗運放CF355/

5、356/357, LF355/356/357CF355/356/357, LF355/356/357，CF3140CF3140。結(jié)型場效。結(jié)型場效應(yīng)管輸入級，輸入電阻高應(yīng)管輸入級，輸入電阻高(10(101212 ) )，速率高，速率高( (最大最大50V/50V/ s s) )。 智能測控系統(tǒng)設(shè)計低漂移運放低漂移運放OP07, A714等。輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失等。輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂都較小。調(diào)電流及其溫漂都較小。 性能好，價格低，性能好，價格低，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 智能測控系統(tǒng)設(shè)計高精度高速運放高精度高速運放OP17（引腳同（引腳同CF357）OP27（引腳同（

6、引腳同OP07）智能測控系統(tǒng)設(shè)計靜電計級放大器靜電計級放大器OPA128OPA128，具有超低偏置電流。，具有超低偏置電流。典型值典型值150fA (f=10150fA (f=10-15-15) )。智能測控系統(tǒng)設(shè)計斬波穩(wěn)零運放斬波穩(wěn)零運放ICL7650, ICL7650, 5G7650, 5G7650, F7650F7650，超，超低失調(diào)，低失調(diào)，超低漂移，超低漂移，高輸入阻高輸入阻抗，高增抗，高增益，性能益，性能穩(wěn)定。穩(wěn)定。參數(shù)見前面的表 智能測控系統(tǒng)設(shè)計變壓器耦合隔離運放變壓器耦合隔離運放AD202, AD204, AD210, AD293, AD289, AD295, AD298等。等

7、。用于輸入通道隔離，防止強電強磁干擾或損壞，消除大共模電壓。用于輸入通道隔離，防止強電強磁干擾或損壞，消除大共模電壓。 一般，變壓器耦合精度一般，變壓器耦合精度高，光電耦合速度高。高，光電耦合速度高。智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD210AD210隔離放大器隔離放大器主要技術(shù)指標：增益范圍主要技術(shù)指標：增益范圍1100；共模電壓；共模電壓2500V；輸入阻抗；輸入阻抗1012 ；輸入偏；輸入偏置 電 流 溫 漂置 電 流 溫 漂 3 0 n A （ 最 大 ） ； 頻 響（ 最 大 ） ； 頻 響 1 5 k H z （ G = 1 0 0 ） ； 失 調(diào) 電 壓） ； 失 調(diào) 電 壓( 15 45/G)

8、mV(最大最大)；失調(diào)電壓溫漂；失調(diào)電壓溫漂( 10 50/G) V/；隔離電源輸出；隔離電源輸出 15V， 5mA；電源；電源+15Vdc 5%。功能框圖：。功能框圖： 53.325.48.9智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD210AD210應(yīng)用示例應(yīng)用示例智能測控系統(tǒng)設(shè)計光電耦合隔離放大器光電耦合隔離放大器ISO100智能測控系統(tǒng)設(shè)計ISO100ISO100應(yīng)用示例應(yīng)用示例精密電橋隔離放大器精密電橋隔離放大器 智能測控系統(tǒng)設(shè)計儀器放大器儀器放大器 高精度差動放大器，輸入阻抗高，共模抑制比大，輸入失調(diào)電壓、電流小，輸入偏置電流小，溫漂小，時漂小。 G=(1+2R1/RG) RS/R3 智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD

9、625AD625儀器放大器儀器放大器 主要技術(shù)指標：主要技術(shù)指標：增益范圍110000；失調(diào)電壓1050V（根據(jù)等級不同）；失調(diào)電壓溫漂0.11V/；輸入偏置電流1030nA；輸入偏置電流溫漂50pA/；輸入電阻1G；頻響150kHz(G=100)，25kHz(G=1000)；電源618V 智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD625AD625內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD625AD625構(gòu)成的放大器構(gòu)成的放大器智能測控系統(tǒng)設(shè)計可編程增益放大器（可編程增益放大器（PGA）有的應(yīng)用場合，需要在軟件控制下進行量程切換等操作，這時需要選擇PGA。下面以AD526為例說明其工作。智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD526同相比

10、例放大器同相比例放大器智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD526管腳管腳智能測控系統(tǒng)設(shè)計3 33 3 模擬濾波器模擬濾波器濾波器的主要參數(shù)：濾波器的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率）：轉(zhuǎn)折頻率（截止頻率）：-3dB對應(yīng)的頻率值；對應(yīng)的頻率值；通帶增益通帶增益kp：通帶內(nèi)放大倍數(shù)；：通帶內(nèi)放大倍數(shù)；頻帶寬度頻帶寬度 f：-3dB通帶寬度或阻帶寬度；通帶寬度或阻帶寬度；諧振頻率諧振頻率f f0 0: :沒有損耗時的固有頻率；沒有損耗時的固有頻率；品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q：帶通濾波器的諧振頻率與帶寬之比；：帶通濾波器的諧振頻率與帶寬之比；阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) ：Q的倒數(shù)。的倒數(shù)。 智能測控系統(tǒng)設(shè)計常用濾波器的類型常用濾波器的類型

11、npkH20)/(1)()/(1)(022npckH)arccoscos(0ncn巴特沃斯濾波器：通帶特性平坦，但衰減差。切比雪夫濾波器：過渡帶陡，但通帶內(nèi)有紋波。為常數(shù)。)(1)(22npUkH橢圓濾波器：通帶阻帶等紋波。Un()為雅可比橢圓函數(shù)。智能測控系統(tǒng)設(shè)計智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運放構(gòu)成的低通濾波器通用運放構(gòu)成的低通濾波器智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運放構(gòu)成的低通濾波器通用運放構(gòu)成的低通濾波器智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運放構(gòu)成的低通濾波器通用運放構(gòu)成的低通濾波器智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運放構(gòu)成的高通濾波器通用運放構(gòu)成的高通濾波器低通濾波器低通濾波器中電阻電容中電阻電容交換位置交換位置智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運

12、放構(gòu)成的高通濾波器通用運放構(gòu)成的高通濾波器低通濾波器低通濾波器中電阻電容中電阻電容交換位置交換位置智能測控系統(tǒng)設(shè)計通用運放構(gòu)成的高通濾波器通用運放構(gòu)成的高通濾波器智能測控系統(tǒng)設(shè)計集成開關(guān)電容濾波器集成開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器基本原理：用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)代替RC網(wǎng)絡(luò)。這樣，既容易在集成電路內(nèi)實現(xiàn)，又容易通過開關(guān)頻率調(diào)整濾波器截至頻率。CR確定以后確定以后電阻由電阻由T決定決定智能測控系統(tǒng)設(shè)計集成有源濾波器芯片集成有源濾波器芯片LMF40LMF40截止頻率截止頻率0.140kHz智能測控系統(tǒng)設(shè)計LMF40LMF40的振蕩器的振蕩器可以構(gòu)造一個可以構(gòu)造一個RC振蕩器振蕩器智能測控系統(tǒng)設(shè)計單電源工作的

13、連接單電源工作的連接雙電源工作的連接雙電源工作的連接LMF40的典型連接的典型連接調(diào)節(jié)信號頻率改調(diào)節(jié)信號頻率改變?yōu)V波器的截止變?yōu)V波器的截止頻率頻率(分頻比分頻比)智能測控系統(tǒng)設(shè)計3 34 4 電壓電壓/ /電流變換器電流變換器1.電壓/電流變換器AD694 2.電壓/電流變換器XTR110 模擬信號傳輸：模擬信號傳輸：70年代年代010mA；70年代后期年代后期90年代年代420mA二線制傳輸線。電流傳輸?shù)膬?yōu)點：二線制傳輸線。電流傳輸?shù)膬?yōu)點：a.抗抗干擾強；干擾強；b.導(dǎo)線長度不影響（即與電阻無關(guān)）；導(dǎo)線長度不影響（即與電阻無關(guān)）；c.可可進行斷線檢查；進行斷線檢查；d.信號還原成電壓容易。信

14、號還原成電壓容易。變送器420mA24V智能測控系統(tǒng)設(shè)計電壓電壓/電流變換器電流變換器AD694A1：緩沖放大器；：緩沖放大器；A2、VT1、R1：V/I變換變換器；器；A3等：電流放大器；等：電流放大器；A4：參考電壓：參考電壓u1010V時時4懸空懸空5接地，接地，i1=00.8mA；i0=i4=20i3u102V時時4接地接地5懸空，懸空，i1=00.8mA。i3i1+i2=i1+200Ai0=4mA+20i1=420mA智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD694應(yīng)用示例應(yīng)用示例智能測控系統(tǒng)設(shè)計3.5 電壓頻率變換器（V/F）通過電壓/頻率變換器，可以將模擬信號變換成頻率信號，從而實現(xiàn)模數(shù)變換、數(shù)字信號

15、傳遞、光電隔離等功能，也有利于信號的長距離傳輸。智能測控系統(tǒng)設(shè)計復(fù)位過程復(fù)位過程積分過程積分過程基基 本本 原原 理理智能測控系統(tǒng)設(shè)計復(fù)位過程復(fù)位過程積分過程積分過程基基 本本 原原 理理復(fù)位過程：開關(guān)在S端，對應(yīng)單穩(wěn)態(tài)正脈沖(暫態(tài))，電容積累電荷。qc= VCint=(1mA-IIN)TOSTI= qc/IIN= TOS(1mA/IIN-1)f=1/(TI +TOS)= IIN/(TOS1mA)= VIN/(RIN TOS1mA)積分狀態(tài)：開關(guān)在另一端，對應(yīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)。-qc= icTI= -IINTI智能測控系統(tǒng)設(shè)計AD650AD650應(yīng)用電路應(yīng)用電路智能測控系統(tǒng)設(shè)計各各種種VF變

16、變換換器器的的性性能能智能測控系統(tǒng)設(shè)計其它各種專用模擬調(diào)理電路其它各種專用模擬調(diào)理電路例如：1. AD698型線性位移差分變壓器(LVDT)專用信號調(diào)理電路 2. TCA205205A接近開關(guān)專用IC芯片 3. 超聲波測距專用集成電路SB5227 4. 寬帶應(yīng)變信號調(diào)理器1B31 5. 壓力信號調(diào)理器MAX1450 6. 集成電流檢測放大器MAX472 7. 多功能傳感信號調(diào)理器AD693 8. 離子型煙霧檢測報警集成電路MC14468 9. 液位傳感器LM1042 10.單片加速度傳感器MMA1220D 11. TDC-GP2超聲波流量計專用芯片 智能測控系統(tǒng)設(shè)計3.6 前置放大器的噪聲前置

17、放大器的噪聲前置放大器的聯(lián)接前置放大器的聯(lián)接使用帶寬使用帶寬信號源信號源噪聲源噪聲源有噪聲的放大器有噪聲的放大器輸出輸出A0Rs源電阻含傳感器輸出電阻和放大器輸入電阻等效噪聲圖等效噪聲圖Es2低通濾波低通濾波信號源信號源4KTRs無噪聲的放大器無噪聲的放大器輸出輸出A0Rsen2in2源電阻噪聲噪聲電壓源噪聲電流源智能測控系統(tǒng)設(shè)計輸出端總噪聲電壓為輸出端總噪聲電壓為2/102/122)(4BARieKTREsnnsino 帶寬輸出端信噪比為輸出端信噪比為2/12/1220)(4BRieKTREEAENSsnnssinoso ）（定義噪聲因子定義噪聲因子NF為為dBNSNSNFPoutin)()

18、/()/(log10 則可得則可得ssnnsnnssssKTRRieBRieKTREBKTRENF4)(1log10)(4/4/log10222222NFNF與與RsRs有關(guān)，與頻率有關(guān)，與頻率f f有關(guān)（因有關(guān)（因e en n、i in n是是f f的函數(shù)）的函數(shù)）噪聲因子噪聲因子智能測控系統(tǒng)設(shè)計NF一般測量得到。某放大器的一般測量得到。某放大器的NF圖如下圖如下利用利用NF圖可以：圖可以：1.選選擇擇NF最小的最小的Rs和和f；2.計算計算Eini；3.根據(jù)檢測根據(jù)檢測對象選擇放大器或進對象選擇放大器或進行阻抗匹配。行阻抗匹配。利用利用NF計算輸入端計算輸入端噪聲電壓：噪聲電壓：20/2/

19、12/12/122104)(4NFssnnsiniBKTRBRieKTRE噪聲因子噪聲因子智能測控系統(tǒng)設(shè)計為了抑制前置放大器的噪聲：為了抑制前置放大器的噪聲：1、對噪聲進行分析計算；、對噪聲進行分析計算；2、對噪聲進行測試；、對噪聲進行測試；3、選用低噪聲運算放大器；、選用低噪聲運算放大器；4、根據(jù)、根據(jù)NF選擇合適的選擇合適的Rs、f；4、進行阻抗匹配。、進行阻抗匹配。智能測控系統(tǒng)設(shè)計3.7 干擾的耦合方式及抑制措施干擾的耦合方式及抑制措施 1. 電容性耦合（靜電耦合）干擾及抑制措施電容性耦合（靜電耦合）干擾及抑制措施2. 互感耦合（電磁耦合）干擾及抑制互感耦合（電磁耦合）干擾及抑制 措施措

20、施3. 共阻抗耦合干擾及抑制措施共阻抗耦合干擾及抑制措施4.4.漏電流耦合干擾及抑制措施漏電流耦合干擾及抑制措施 智能測控系統(tǒng)設(shè)計電容性耦合干擾及抑制措施電容性耦合干擾及抑制措施又稱靜電耦合，由二個電路之間的寄生電容引起。又稱靜電耦合，由二個電路之間的寄生電容引起。 AB干擾干擾CmaUnUZi電路電路aimaimimnUZCjUZCjZCjU1與寄生電容Cm成正比,應(yīng)通過合理布線、適當防護措施以減小Cm；與Zi成正比,一般應(yīng)減小放大電路的輸入阻抗；與成正比,對高頻信號,電容性耦合更嚴重；與Ua成正比,說明高壓小電流干擾是通過電容性耦合實現(xiàn)的；采用電流傳輸可避免電壓干擾。智能測控系統(tǒng)設(shè)計 計算

21、示例：設(shè)計算示例：設(shè)Ua=5V，f=1MHz，Cm=0.01pF，Zi=0.1M ，則：，則：Un=31.4mVUn=31.4mV，如測量電路放大倍數(shù)為，如測量電路放大倍數(shù)為100100，則則Uo=3.14VUo=3.14V。說明干擾引起的輸出很大。說明干擾引起的輸出很大。 智能測控系統(tǒng)設(shè)計抑制電容耦合的方法抑制電容耦合的方法AB屏蔽體接測量電路屏蔽體接測量電路,構(gòu)成等電位構(gòu)成等電位,屏蔽體屏蔽體內(nèi)部無電力線。內(nèi)部無電力線。(a)CA：干擾源：干擾源B：測量電路：測量電路C：屏蔽體：屏蔽體A屏蔽體屏蔽體C包圍干包圍干擾源接大地擾源接大地(b)BCC中 正 電 荷中 正 電 荷被排斥到大被排斥到

22、大地地智能測控系統(tǒng)設(shè)計AB屏 蔽 體 包 圍屏 蔽 體 包 圍電路接大地電路接大地(c)屏蔽體與大地相連屏蔽體與大地相連,同時與電路地線相同時與電路地線相連連,這樣可消除寄生這樣可消除寄生電容引起的反饋電容引起的反饋(d)CA：干擾源：干擾源B：測量電路：測量電路C：屏蔽體：屏蔽體C中正電荷被中正電荷被排斥到大地排斥到大地智能測控系統(tǒng)設(shè)計互感耦合干擾及抑制措施互感耦合干擾及抑制措施 又稱電磁耦合，由二個電路之間存在互感引起。又稱電磁耦合，由二個電路之間存在互感引起。可以看出：可以看出：RsRisUnUaIManIMjU與Ia成正比，說明大電流低電壓干擾源主要是通過互感耦合實現(xiàn)；與成正比，高頻干

23、擾大；與M成正比，要避免信號線與干擾線平行，以減小互感M；采用電流傳輸可避免電壓干擾；干擾電壓與Ri無關(guān)。智能測控系統(tǒng)設(shè)計aInU計算示例：設(shè)計算示例：設(shè)Ia=10mAIa=10mA；f=10kHzf=10kHz，M=0.1M=0.1 H，則則Un=62.8Un=62.8 V oUaI智能測控系統(tǒng)設(shè)計抑制互感耦合的方法抑制互感耦合的方法 AB對于低頻磁場干擾，用對于低頻磁場干擾，用高導(dǎo)磁率材料；對于高高導(dǎo)磁率材料；對于高頻磁場干擾，用高導(dǎo)電頻磁場干擾，用高導(dǎo)電率材料，利用渦流效應(yīng)率材料，利用渦流效應(yīng)阻礙干擾磁場穿透。阻礙干擾磁場穿透。智能測控系統(tǒng)設(shè)計共阻抗耦合干擾及抑制措施共阻抗耦合干擾及抑制

24、措施電源內(nèi)阻耦合電源內(nèi)阻耦合 AB共阻抗共阻抗退耦濾波退耦濾波電路電路共地線耦合共地線耦合 ABC1nU2nUABC一點一點接地接地智能測控系統(tǒng)設(shè)計 輸出阻抗耦合輸出阻抗耦合 BAnUAB消除輸出阻抗干擾消除輸出阻抗干擾智能測控系統(tǒng)設(shè)計漏電流耦合干擾及抑制措施漏電流耦合干擾及抑制措施 AB干擾干擾RaUnUZi電路電路mVURZZUaiin149設(shè)絕緣電阻為設(shè)絕緣電阻為R=1010 ，Zi=108 ，Ua=15V 放大放大電路電路A干擾干擾R1R2B輸入輸入C地環(huán)路把地環(huán)路把信號線包信號線包起來起來AB干擾干擾R1aUZi電路電路R2C智能測控系統(tǒng)設(shè)計3.8 干擾的疊加方式及抑制措施干擾的疊加

25、方式及抑制措施 1. 共模干擾及抑制措施共模干擾及抑制措施2.2.差模干擾及抑制措施差模干擾及抑制措施 智能測控系統(tǒng)設(shè)計共模干擾及抑制措施共模干擾及抑制措施cU共模共模干擾干擾抑制方法：浮地：電路抑制方法：浮地：電路參考地不接機殼或大地，參考地不接機殼或大地，切斷干擾電流的通路。切斷干擾電流的通路。 cU參考地不參考地不接大地接大地當輸入電路不對稱當輸入電路不對稱時共模電壓會轉(zhuǎn)換時共模電壓會轉(zhuǎn)換成差模電壓成差模電壓智能測控系統(tǒng)設(shè)計 隔離隔離 cU平衡傳輸平衡傳輸（對稱傳輸）（對稱傳輸） ZiUnRs不平衡不平衡傳輸線傳輸線1/2ZiUn11/2Rs平衡傳輸平衡傳輸Un21/2Rs1/2ZiUn1和和Un2基基本相等本相等兩根傳輸線對地阻兩根傳輸線對地阻抗平衡設(shè)置抗平衡設(shè)置兩根傳輸線對地兩根傳輸線對地阻抗不平衡阻抗不平衡智能測控系統(tǒng)設(shè)計差模干擾及抑制措施差模干擾及抑制措施 sUiUnU抑制差模干擾方法：抑制差模干擾方法：信號傳輸線最多在一端接大地（也可以不接大地，浮置）信號傳輸線最多在一端接大地（也可以不接大地，浮置） sURs1kR1=1RiRi=10kR2=1Rg=0.1gU100mVgUgURgRsR2R1RinUmVURRRRRRRUggsii6 .82221n地線上存地線上存在電位差在電位差智能測控系統(tǒng)設(shè)計信號傳輸線屏蔽體在某一端接地信號傳輸線屏蔽體在某一端接地（