第五章-信號(hào)調(diào)理電路 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

1、1第五章第五章 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理 5.1概述概述5.2電平調(diào)整電平調(diào)整 5.3線性化線性化5.4信號(hào)變換信號(hào)變換5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 5.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路25.1概述概述5.1.1檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 壓力壓力流量流量溫度溫度電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式 壓電式壓電式熱電式熱電式 光電式光電式磁電式磁電式電橋電橋 放大器放大器濾波器濾波器調(diào)制器調(diào)制器解調(diào)器解調(diào)器運(yùn)算器運(yùn)算器 阻抗變換器阻抗變換器 筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 電子示波器電子示波器 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 顯示

2、器顯示器 磁卡磁卡 數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀頻譜分析儀 FFT 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀 電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī) 被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象 傳感器傳感器 中間變換中間變換測(cè)量裝置測(cè)量裝置 顯示及顯示及 記錄裝置記錄裝置 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理裝置處理裝置 激發(fā)裝置激發(fā)裝置 35.1概述概述5.1.2信號(hào)調(diào)理的基本概念信號(hào)調(diào)理的基本概念信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理：對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行操作，將其：對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行操作，將其轉(zhuǎn)換成滿足后續(xù)傳輸與處理系統(tǒng)要求的信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足后續(xù)傳輸與處理系統(tǒng)要求的信號(hào)信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路關(guān)系信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路關(guān)系：界限不很清楚，有：界限不很清楚，有時(shí)二者合二為一。如有些教材將

3、電阻抗時(shí)二者合二為一。如有些教材將電阻抗-電壓轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換電路（電阻、電感、電容等檢測(cè)電路）歸為換電路（電阻、電感、電容等檢測(cè)電路）歸為信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路。45.1概述概述5.1.3信號(hào)調(diào)理的類(lèi)型信號(hào)調(diào)理的類(lèi)型n電平調(diào)整（放大或衰減）電平調(diào)整（放大或衰減）n線性化（非線性信號(hào)調(diào)正成線性信號(hào)）線性化（非線性信號(hào)調(diào)正成線性信號(hào)）n信號(hào)形式變換（如電壓電流變換）信號(hào)形式變換（如電壓電流變換）n濾波與阻抗匹配（濾波電路、傳感器內(nèi)濾波與阻抗匹配（濾波電路、傳感器內(nèi)部阻抗或電纜阻抗引起重大誤差的處理）部阻抗或電纜阻抗引起重大誤差的處理）55.2電平調(diào)整電平調(diào)整5.2.1為何進(jìn)行電平調(diào)整為何進(jìn)行電平調(diào)

4、整檢測(cè)系統(tǒng)中雖然可以采用輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，檢測(cè)系統(tǒng)中雖然可以采用輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，但在具體設(shè)計(jì)中也常用傳感器加電平調(diào)整的方案。但在具體設(shè)計(jì)中也常用傳感器加電平調(diào)整的方案。原因有三：原因有三：變送器雖然方便但成本較高，缺乏調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；變送器雖然方便但成本較高，缺乏調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；在檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，為了得到理想的在檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，為了得到理想的傳函常常調(diào)整傳感器傳函常常調(diào)整傳感器/放大器的傳函；放大器的傳函；變送器量程也是標(biāo)準(zhǔn)的，不能全滿足工程要求。變送器量程也是標(biāo)準(zhǔn)的，不能全滿足工程要求。65.2電平調(diào)整電平調(diào)整5.2.2無(wú)源電平調(diào)整無(wú)源電平調(diào)整該電路可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的衰減該電路

5、可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的衰減R1ViVoR2無(wú)源電平調(diào)整電路無(wú)源電平調(diào)整電路ioVRRRV21275.2電平調(diào)整電平調(diào)整注意注意：兩個(gè)電阻的穩(wěn)定性直接影響電平調(diào)整效果兩個(gè)電阻的穩(wěn)定性直接影響電平調(diào)整效果作為傳感器電路的負(fù)載希望電阻大些，作為作為傳感器電路的負(fù)載希望電阻大些，作為后續(xù)電路的輸入希望電阻小些，折中考慮后續(xù)電路的輸入希望電阻小些，折中考慮大阻值（如大阻值（如M M）的電阻精度與噪聲均較差）的電阻精度與噪聲均較差常用于精度要求較低的場(chǎng)合，否則用有源調(diào)常用于精度要求較低的場(chǎng)合，否則用有源調(diào)整電路整電路85.2電平調(diào)整電平調(diào)整5.2.3有源電平調(diào)整有源電平調(diào)整iifoVRRV有源電平調(diào)整電路普遍采用

6、有源電平調(diào)整電路普遍采用運(yùn)算放大器，如反相放大電運(yùn)算放大器，如反相放大電路、同相放大電路等。路、同相放大電路等。ViVoR2反相放大電路反相放大電路+-+RiRfRp95.2電平調(diào)整電平調(diào)整有源電平調(diào)整的特點(diǎn)有源電平調(diào)整的特點(diǎn)n可以實(shí)現(xiàn)放大或衰減，調(diào)整方便；可以實(shí)現(xiàn)放大或衰減，調(diào)整方便；n滿足了阻抗匹配要求；滿足了阻抗匹配要求；n放大電路的帶寬有限，一般廠家給增益帶寬積，放大電路的帶寬有限，一般廠家給增益帶寬積，如如30MHz，若，若G=1000，則帶寬小于，則帶寬小于30KHz ；n放大器本身的噪聲影響；放大器本身的噪聲影響；n放大器參數(shù)影響：輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電壓放大器參數(shù)影響：輸入失

7、調(diào)電流、輸入失調(diào)電壓fkTREt4105.2電平調(diào)整電平調(diào)整5.2.4有源電平調(diào)整實(shí)例有源電平調(diào)整實(shí)例某差動(dòng)壓力傳感器的輸出為某差動(dòng)壓力傳感器的輸出為33mV58mV，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍為采集卡輸入范圍為0.5V4.5V，因此中間需要電，因此中間需要電平調(diào)整電路。平調(diào)整電路。調(diào)整電路應(yīng)具有如下特性：調(diào)整電路應(yīng)具有如下特性：33mV58mV調(diào)整成調(diào)整成0.5V4V（留（留0.5V余量）余量）115.2電平調(diào)整電平調(diào)整Vi1Vo雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路R2+-+R1R2R2+-+VrefR3R4Vi2125.2電平調(diào)整電平調(diào)整雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的輸出為雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的輸出為r

8、ef13242341123411VRRRRVRRVRRRRViio選取電阻值，使選取電阻值，使2134RRRR，則電路具有較高，則電路具有較高CMRR，雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的輸出簡(jiǎn)化為：雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的輸出簡(jiǎn)化為：ref12341VVVRRViio135.2電平調(diào)整電平調(diào)整雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的增益為雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路的增益為134RRG改變?cè)鲆媲冶ＷC改變?cè)鲆媲冶ＷCCMRR不變，須同時(shí)調(diào)整兩個(gè)電阻值。不變，須同時(shí)調(diào)整兩個(gè)電阻值。能否只調(diào)整一個(gè)電阻值就達(dá)到目的？能否只調(diào)整一個(gè)電阻值就達(dá)到目的？145.2電平調(diào)整電平調(diào)整Vi1Vo增益可調(diào)的雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路增益可調(diào)的雙運(yùn)放電壓調(diào)整電路R2+-+R

9、1R2R2+-+VrefR3R4Vi2RG155.2電平調(diào)整電平調(diào)整電路的輸出為電路的輸出為ref13242324434113243244341VRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRViGGiGGo選取電阻值，使選取電阻值，使3214RRRRref1243421VVVRRRRViiGo輸出簡(jiǎn)化為：輸出簡(jiǎn)化為：165.2電平調(diào)整電平調(diào)整Vi1Vo具有正負(fù)零位電壓調(diào)整的三運(yùn)放電壓調(diào)整電路具有正負(fù)零位電壓調(diào)整的三運(yùn)放電壓調(diào)整電路R1= R4， R2= R3， R5= R6R2+-+R1R2R2+-+VrefR3R4Vi2RGR2+-+VshiftR5R6175.2電平調(diào)整電平調(diào)整電路

10、的輸出為電路的輸出為shiftref12434212VVVVRRRRViiGo185.3線性化線性化5.3.1為何進(jìn)行線性化為何進(jìn)行線性化檢測(cè)系統(tǒng)中希望輸入輸出特性是檢測(cè)系統(tǒng)中希望輸入輸出特性是線性化線性化的。的。實(shí)際傳感器大多數(shù)是實(shí)際傳感器大多數(shù)是非線性化非線性化的。的。減少計(jì)算量，提高運(yùn)算速度；減少計(jì)算量，提高運(yùn)算速度；滿足線性刻度；滿足線性刻度；使用方便。使用方便。195.3線性化線性化5.3.2線性化的方法線性化的方法數(shù)字式線性化：數(shù)字式線性化：?jiǎn)纹瑱C(jī)、嵌入式系統(tǒng)、專(zhuān)用芯片；單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、專(zhuān)用芯片； 靈活，適用性強(qiáng)，速度有限，難靈活，適用性強(qiáng)，速度有限，難 以滿足動(dòng)態(tài)檢測(cè)場(chǎng)合。以

11、滿足動(dòng)態(tài)檢測(cè)場(chǎng)合。模擬式線性化：模擬式線性化：在信號(hào)調(diào)理電路中加入模擬非線在信號(hào)調(diào)理電路中加入模擬非線 性環(huán)節(jié)。性環(huán)節(jié)。按使用元件分：按使用元件分：無(wú)源線性化無(wú)源線性化、有源線性化有源線性化205.3線性化線性化硬件線性化的特點(diǎn)硬件線性化的特點(diǎn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、可靠，應(yīng)用廣泛。實(shí)時(shí)性強(qiáng)、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、可靠，應(yīng)用廣泛。5.3.3無(wú)源線性化電路無(wú)源線性化電路n用簡(jiǎn)單的無(wú)源器件用簡(jiǎn)單的無(wú)源器件（如電阻）與敏感器件并（如電阻）與敏感器件并聯(lián)或串聯(lián)，只要電阻值選擇合適，就可以將非聯(lián)或串聯(lián)，只要電阻值選擇合適，就可以將非線性校正到滿意的程度。線性校正到滿意的程度。如濕敏電阻的線性化如濕敏電阻的線性化21

12、5.3線性化線性化電阻電阻RHaRHbRHcabc相對(duì)濕度相對(duì)濕度RH%HaHbHcRHRRh濕敏電阻的線性化濕敏電阻的線性化225.3線性化線性化HHHRRRRR并聯(lián)后的總電阻為并聯(lián)后的總電阻為使使a，b，c三點(diǎn)一線應(yīng)滿足三點(diǎn)一線應(yīng)滿足HcHbHbHaRRRR即滿足即滿足HcHcHbHbHbHbHaHaRRRRRRRRRRRRRRRR235.3線性化線性化HbHcHaHcHaHcHbHbRRRRRRRRR22解得：解得：電阻電阻RHaRHbRHcabc相對(duì)濕度相對(duì)濕度RH%HaHbHc濕敏電阻修正后的特性曲線濕敏電阻修正后的特性曲線245.3線性化線性化HbHcHaHcHaHcHbHbRRR

13、RRRRRR22也可以直接對(duì)輸出電壓也可以直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行線性化：進(jìn)行線性化：ViRHRVo串聯(lián)電阻線性化電路串聯(lián)電阻線性化電路這種方法所需元件少、成本低，非常簡(jiǎn)便。但校這種方法所需元件少、成本低，非常簡(jiǎn)便。但校正范圍窄，校正準(zhǔn)確度不高，主要用于被測(cè)量變正范圍窄，校正準(zhǔn)確度不高，主要用于被測(cè)量變化不大的場(chǎng)合。否則，要采用較復(fù)雜的無(wú)源電路。化不大的場(chǎng)合。否則，要采用較復(fù)雜的無(wú)源電路。255.3線性化線性化n用較復(fù)雜的無(wú)源電路用較復(fù)雜的無(wú)源電路仍以濕敏電阻為例，下圖是不同敏感區(qū)的敏感元仍以濕敏電阻為例，下圖是不同敏感區(qū)的敏感元件進(jìn)行組合來(lái)進(jìn)行線性化的電路件進(jìn)行組合來(lái)進(jìn)行線性化的電路R1R2RH2

14、RH1RH265.3線性化線性化電阻電阻濕敏電阻的線性化效果濕敏電阻的線性化效果相對(duì)濕度相對(duì)濕度RH%HaHbHcHd電阻電阻abc相對(duì)濕度相對(duì)濕度RH%HaHbHcHd275.3線性化線性化n用傳感器特性曲線上線性較好的一段改善線性用傳感器特性曲線上線性較好的一段改善線性HzfNF0F2F1F400030002000振弦式傳感器的特性曲線振弦式傳感器的特性曲線振弦式傳感器的特振弦式傳感器的特性曲線中，頻率的性曲線中，頻率的平方與張力的成正平方與張力的成正比，通過(guò)施加預(yù)緊比，通過(guò)施加預(yù)緊力，調(diào)整到中間一力，調(diào)整到中間一段測(cè)量，非線性顯段測(cè)量，非線性顯著減小。著減小。285.3線性化線性化5.3

15、.4有源線性化電路有源線性化電路無(wú)源線性化的缺點(diǎn)是降低了靈敏度。無(wú)源線性化的缺點(diǎn)是降低了靈敏度。有源線性化有源線性化：運(yùn)用運(yùn)放、場(chǎng)效應(yīng)管或晶體管等有：運(yùn)用運(yùn)放、場(chǎng)效應(yīng)管或晶體管等有 源器件實(shí)現(xiàn)線性化。源器件實(shí)現(xiàn)線性化。因運(yùn)放有很高的增益、極高的輸入阻抗、靈活多因運(yùn)放有很高的增益、極高的輸入阻抗、靈活多變的接法，可獲得各種各樣函數(shù)變換。原則上，變的接法，可獲得各種各樣函數(shù)變換。原則上，任何敏感器件的變換特性都可以校正為足夠好的任何敏感器件的變換特性都可以校正為足夠好的直線特性。電路復(fù)雜、調(diào)整不便、成本較高。直線特性。電路復(fù)雜、調(diào)整不便、成本較高。295.3線性化線性化幾種有源線性化電路幾種有源線

16、性化電路n非線性反饋電路非線性反饋電路n多放大器反饋電路多放大器反饋電路n電橋傳感器非線性校正電路電橋傳感器非線性校正電路n分段式電路分段式電路305.3線性化線性化n非線性反饋電路非線性反饋電路原理原理：利用非線性反饋，使反饋之路的非線性和：利用非線性反饋，使反饋之路的非線性和有源敏感器件的變換特性的非線性相互抵消，從有源敏感器件的變換特性的非線性相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)線性化。也可以用運(yùn)算放大器構(gòu)成的函數(shù)而實(shí)現(xiàn)線性化。也可以用運(yùn)算放大器構(gòu)成的函數(shù)運(yùn)算器進(jìn)行線性化。運(yùn)算器進(jìn)行線性化。例例：硅光電池的輸出電壓為：硅光電池的輸出電壓為：IIeVV0315.3線性化線性化利用運(yùn)放構(gòu)成對(duì)數(shù)電路，使輸出電壓

17、為：利用運(yùn)放構(gòu)成對(duì)數(shù)電路，使輸出電壓為：KIVKVKVIA0lnln325.3線性化線性化運(yùn)放構(gòu)成的對(duì)數(shù)電路原理圖如運(yùn)放構(gòu)成的對(duì)數(shù)電路原理圖如VoR2+-+RDVIRiDiR335.3線性化線性化PN結(jié)的伏安特性為：結(jié)的伏安特性為：1DDVkTqSeIi常溫（常溫（25度）時(shí)，可以近似為度）時(shí)，可以近似為T(mén)DD/DVVSVkTqSeIeIi345.3線性化線性化運(yùn)放構(gòu)成的對(duì)數(shù)電路的輸出為：運(yùn)放構(gòu)成的對(duì)數(shù)電路的輸出為：SIToRIVVVln355.3線性化線性化n多放大器反饋電路多放大器反饋電路通過(guò)多級(jí)運(yùn)算放大器，將信號(hào)調(diào)理電路的輸出信通過(guò)多級(jí)運(yùn)算放大器，將信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)反饋到相關(guān)放大器

18、的輸入端，從而構(gòu)造一個(gè)與號(hào)反饋到相關(guān)放大器的輸入端，從而構(gòu)造一個(gè)與傳感器特性相近的函數(shù)運(yùn)算器，以實(shí)現(xiàn)較理想的傳感器特性相近的函數(shù)運(yùn)算器，以實(shí)現(xiàn)較理想的線性校正。線性校正。例如：熱電阻的特性表達(dá)式一般是二次多項(xiàng)式，例如：熱電阻的特性表達(dá)式一般是二次多項(xiàng)式，溫度變化較大時(shí)，非線性嚴(yán)重，下圖為實(shí)用鉑電溫度變化較大時(shí)，非線性嚴(yán)重，下圖為實(shí)用鉑電阻阻TRRA102B的非線性校正電路，采用正反饋，的非線性校正電路，采用正反饋，非線性由非線性由2%變?yōu)樽優(yōu)?.1% 。365.3線性化線性化+-+1KVo+-+10K+-+9.5K1K22K3K1K24K10K10KW2W1W3RT1F375.3線性化線性化n

19、電橋傳感器非線性校正電路電橋傳感器非線性校正電路原理原理：對(duì)電橋傳感器電路，利用電橋輸出對(duì)電：對(duì)電橋傳感器電路，利用電橋輸出對(duì)電源電壓敏感的特性，將電路信號(hào)反饋到電橋源電壓敏感的特性，將電路信號(hào)反饋到電橋的供橋電源端，是電源電壓隨輸出信號(hào)變化的供橋電源端，是電源電壓隨輸出信號(hào)變化而變化，從而使輸入輸出成線性關(guān)系。而變化，從而使輸入輸出成線性關(guān)系。電路電路：如下圖：如下圖385.3線性化線性化n電橋傳感器非線性校正電路電橋傳感器非線性校正電路+-+1KVo+ -10K4.3KRRR(1+X X）R-15VWVoDZVref10K10KVc=Vref+VoLM324AD521395.3線性化線性化

20、設(shè)電橋四臂電阻為設(shè)電橋四臂電阻為R，傳感器阻值為，傳感器阻值為Rx=（1+x）R，橋路電壓為，橋路電壓為V，則橋路輸出為：，則橋路輸出為：214xxVVco前置放大器前置放大器AD521輸出的一部分與穩(wěn)壓管的基準(zhǔn)輸出的一部分與穩(wěn)壓管的基準(zhǔn)電壓一起，經(jīng)運(yùn)放后反饋到電橋的電源端，使電電壓一起，經(jīng)運(yùn)放后反饋到電橋的電源端，使電橋的電源隨橋的電源隨Vo變化。變化。 若使若使AD521的增益的增益AV與與乘積為乘積為2，則有，則有xVAVrefVo4405.3線性化線性化n分段式電路分段式電路原理原理：對(duì)傳感器的特性曲線呈緩慢、單調(diào)變化：對(duì)傳感器的特性曲線呈緩慢、單調(diào)變化的情況，將其特性曲線劃分成若干段

21、，每段的情況，將其特性曲線劃分成若干段，每段用一段直線近似代替。段間切換有開(kāi)關(guān)二極用一段直線近似代替。段間切換有開(kāi)關(guān)二極管控制。管控制。 參見(jiàn)下圖參見(jiàn)下圖415.3線性化線性化443322114321xkxkxkxkyyyyy1x2x3x4x1y2y3yyyx輸出經(jīng)折線逼近可以得到：輸出經(jīng)折線逼近可以得到：425.3線性化線性化電路電路R2+-+RuR0R1R2R3R4D1D2D3D4r1r2r3r4UcUoUiRr435.3線性化線性化電路原理電路原理：四個(gè)二極管串聯(lián)四個(gè)不同的電阻，：四個(gè)二極管串聯(lián)四個(gè)不同的電阻，即可實(shí)現(xiàn)分段逼近線性化。即可實(shí)現(xiàn)分段逼近線性化。如：如：D1串聯(lián)反向電壓串聯(lián)反

22、向電壓Uc1=R1Uc/(r1+R1)， D2串聯(lián)反向電壓串聯(lián)反向電壓Uc2=R2Uc/(r2+R2)， D3串聯(lián)反向電壓串聯(lián)反向電壓Uc3=R3Uc/(r3+R3)， D4串聯(lián)反向電壓串聯(lián)反向電壓Uc4=R4Uc/(r4+R4)當(dāng)輸入信號(hào)當(dāng)輸入信號(hào)Ui很小時(shí)，很小時(shí)，Ru= R0，隨著，隨著Ui的增大，的增大，四個(gè)二極管依次導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)分段擬合。四個(gè)二極管依次導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)分段擬合。44信號(hào)制式信號(hào)制式：被測(cè)量電壓：被測(cè)量電壓420mA。5.4信號(hào)變換信號(hào)變換5.4.1電壓電流轉(zhuǎn)換電壓電流轉(zhuǎn)換為了減少長(zhǎng)線傳輸過(guò)程中線路電阻和負(fù)為了減少長(zhǎng)線傳輸過(guò)程中線路電阻和負(fù)載電阻的影響，可以將直流電壓變換成載電

23、阻的影響，可以將直流電壓變換成直流電流后進(jìn)行傳輸。直流電流后進(jìn)行傳輸。電壓電壓-電流變換器電流變換器：輸出負(fù)載中的電流：輸出負(fù)載中的電流正比于輸入電壓的電路。正比于輸入電壓的電路。455.4信號(hào)變換信號(hào)變換幾種電壓電流轉(zhuǎn)換電路幾種電壓電流轉(zhuǎn)換電路浮地電壓浮地電壓-電流變電路電流變電路：R2+-+uiR1RLR2ILR2+-+uiR1RLR2ILI1LiLRUI 465.4信號(hào)變換信號(hào)變換具有放大作用的浮地電壓具有放大作用的浮地電壓-電流變電路電流變電路：iLURRRRI14211R2+-+uiR1RLR2ILR3R4R2+-+uiR1RLR3ILIR2R4iLURRRI1421475.4信號(hào)變

24、換信號(hào)變換接地負(fù)載電壓接地負(fù)載電壓-電流變電路電流變電路：R2+-+uiR1RLR3ILR2R5R4R2+-+uiR1R2R3IL+-+R5RLR4485.4信號(hào)變換信號(hào)變換差動(dòng)電壓差動(dòng)電壓-電流變電路電流變電路：R2+-+ui2R1RLR2ILui1R2+-+ui1R1RLR2ILR3R4ui2R5495.4信號(hào)變換信號(hào)變換5.4.2電流電壓轉(zhuǎn)換電流電壓轉(zhuǎn)換電流電流-電壓變換電壓變換：輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，因：輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，因?yàn)閭鬟f系數(shù)為電阻，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)移電阻放大器。為傳遞系數(shù)為電阻，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)移電阻放大器。如如光電檢測(cè)光電檢測(cè)：光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，：光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換

25、成電流，傳感器的檢測(cè)電路需要將其轉(zhuǎn)換成電壓。傳感器的檢測(cè)電路需要將其轉(zhuǎn)換成電壓。R2+-+RfRPuOc光光IfoIRU 505.4信號(hào)變換信號(hào)變換 注意：注意：電流傳感器輸出的電流一般較小，特別是微弱電流傳感器輸出的電流一般較小，特別是微弱信號(hào)的檢測(cè)，必須分析運(yùn)放失調(diào)電流和失調(diào)電信號(hào)的檢測(cè)，必須分析運(yùn)放失調(diào)電流和失調(diào)電壓所帶來(lái)的誤差放大器。壓所帶來(lái)的誤差放大器。通常選用失調(diào)電流小、失調(diào)電壓小、噪聲低的通常選用失調(diào)電流小、失調(diào)電壓小、噪聲低的運(yùn)放。運(yùn)放。515.4信號(hào)變換信號(hào)變換 電流經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離導(dǎo)線傳輸?shù)碾娏麟妷恨D(zhuǎn)換：電流經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離導(dǎo)線傳輸?shù)碾娏麟妷恨D(zhuǎn)換：輸入輸入010mA輸出輸出5000.0

26、1F1KRIUio+-+uO100Ii輸入阻抗較小，信號(hào)源內(nèi)阻不能太大，電壓輸出輸入阻抗較小，信號(hào)源內(nèi)阻不能太大，電壓輸出10V，可以進(jìn)，可以進(jìn)行大電流轉(zhuǎn)換，但注意電阻的發(fā)熱問(wèn)題行大電流轉(zhuǎn)換，但注意電阻的發(fā)熱問(wèn)題。525.4信號(hào)變換信號(hào)變換 小電流、高輸入阻抗電流小電流、高輸入阻抗電流-電壓轉(zhuǎn)換電路：電壓轉(zhuǎn)換電路：fioRIU+-+uO10KIi輸入阻抗大，可以進(jìn)行小電流轉(zhuǎn)換，電阻一般在輸入阻抗大，可以進(jìn)行小電流轉(zhuǎn)換，電阻一般在1001M之間，之間，過(guò)小則分布電阻影響大，過(guò)大則噪聲大，精確度變差過(guò)小則分布電阻影響大，過(guò)大則噪聲大，精確度變差。535.4信號(hào)變換信號(hào)變換 納安小電流電流納安小電流

27、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路：電壓轉(zhuǎn)換電路：如輸入電流：如輸入電流：10nA，第一級(jí)輸出，第一級(jí)輸出10mV，第二級(jí)增益為，第二級(jí)增益為100，輸出為輸出為1V，避免了采用大電阻。，避免了采用大電阻。+-+uO10KIi+-+99K1K54電壓頻率轉(zhuǎn)換電壓頻率轉(zhuǎn)換：模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之：模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的振蕩頻率。成正比的振蕩頻率。特點(diǎn)特點(diǎn)：具有良好的精確度、線性、積分輸入：具有良好的精確度、線性、積分輸入等，電路簡(jiǎn)單、外圍元件性能要求不高、環(huán)等，電路簡(jiǎn)單、外圍元件性能要求不高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度不低于一般的雙積境適應(yīng)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換速度不低于一般的雙積分型分型AD器件，抗干擾，節(jié)省系統(tǒng)

28、接口資源，器件，抗干擾，節(jié)省系統(tǒng)接口資源，可長(zhǎng)距離傳輸，成本低，可長(zhǎng)距離傳輸，成本低，可逆可逆。常用器件常用器件：TC9401，AD6505.4信號(hào)變換信號(hào)變換5.4.3電壓頻率轉(zhuǎn)換電壓頻率轉(zhuǎn)換550IREFufRIt5.4信號(hào)變換信號(hào)變換組成組成：積分放大器、電壓比較器、單穩(wěn)觸發(fā)：積分放大器、電壓比較器、單穩(wěn)觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)、器、模擬開(kāi)關(guān)、1mA電流源、輸出級(jí)。電流源、輸出級(jí)。AD650電壓頻率轉(zhuǎn)換原理電壓頻率轉(zhuǎn)換原理565.4信號(hào)變換信號(hào)變換工作過(guò)程：工作過(guò)程：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)控制全部電流流向放大器的輸出端，稱(chēng)為控制全部電流流向放大器

29、的輸出端，稱(chēng)為積分階段積分階段。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)輸出為高電平時(shí)，模單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)輸出為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)控制全部電流流向放大器的求和輸擬開(kāi)關(guān)控制全部電流流向放大器的求和輸入端，稱(chēng)為入端，稱(chēng)為復(fù)位階段復(fù)位階段575.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 5.5.1濾波器的基本概念濾波器的基本概念濾波器的類(lèi)型：濾波器的類(lèi)型：低通、高通、帶通、帶阻、全通低通、高通、帶通、帶阻、全通585.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 595.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 頻帶寬度頻帶寬度BW：允許信號(hào)通過(guò)的頻率段。：允許信號(hào)通過(guò)的頻率段。品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q ： 諧振頻率與帶寬之比。諧振頻率與帶寬之比。阻尼系數(shù)阻

30、尼系數(shù) ： 品質(zhì)因數(shù)倒數(shù)的一半，品質(zhì)因數(shù)倒數(shù)的一半， =0.5Q-1濾波器的主要參數(shù)：濾波器的主要參數(shù)：通帶增益通帶增益A A0 0: :輸出電壓與輸入電壓之比。輸出電壓與輸入電壓之比。截至頻率截至頻率f fp p：沒(méi)有諧振峰時(shí)，增益下降到：沒(méi)有諧振峰時(shí)，增益下降到 時(shí)的頻時(shí)的頻率；有諧振峰時(shí)，幅頻特性從峰值回到起始值時(shí)的頻率；有諧振峰時(shí)，幅頻特性從峰值回到起始值時(shí)的頻率。諧振頻率是濾波器自身的固有頻率。率。諧振頻率是濾波器自身的固有頻率。 2/0A60無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器： 利用利用R、L、C器件組成的濾波器。器件組成的濾波器。特點(diǎn)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，頻率特性計(jì)算容易設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，頻率特性計(jì)算容易濾

31、波器的特性對(duì)元器件的誤差非常敏感濾波器的特性對(duì)元器件的誤差非常敏感截至頻率較低時(shí)，截至頻率較低時(shí)， R、C取值較大，尺寸較大取值較大，尺寸較大阻帶內(nèi)，幅頻特性衰減慢阻帶內(nèi)，幅頻特性衰減慢無(wú)法提供增益無(wú)法提供增益電阻值可能較大，導(dǎo)致濾波器的輸出阻抗很高電阻值可能較大，導(dǎo)致濾波器的輸出阻抗很高5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 61101( )(1)1fRARj0011(1)pfRCRAR5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 有源濾波器有源濾波器 一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器 62二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器 0200( )1AAjj0121212221101212001(1)1fR

32、 R C CR CR CR CAR R C CRAR5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 電壓并聯(lián)正反饋電壓并聯(lián)正反饋 ，通帶寬度增加通帶寬度增加 630200( )1AAjj02312122313211233011R R C CR RR RR RCCRR RRAR 5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 645.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 一階高通濾波電路一階高通濾波電路655.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 二階高通濾波電路二階高通濾波電路665.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 帶通濾波電路帶通濾波電路675.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 帶阻濾波電路帶阻濾波電路685.5濾波與阻抗匹配濾

33、波與阻抗匹配 全通濾波電路全通濾波電路幅頻特性為常數(shù)，與頻率無(wú)關(guān)幅頻特性為常數(shù)，與頻率無(wú)關(guān)有移相作用有移相作用695.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 5.5.2濾波器的選用與設(shè)計(jì)初步濾波器的選用與設(shè)計(jì)初步原則：原則：優(yōu)先采用無(wú)源濾波器，無(wú)法滿足要求時(shí)用有源濾波器。優(yōu)先采用無(wú)源濾波器，無(wú)法滿足要求時(shí)用有源濾波器。優(yōu)先采用低階濾波器，無(wú)法滿足要求時(shí)用高階濾波器。優(yōu)先采用低階濾波器，無(wú)法滿足要求時(shí)用高階濾波器。方法步驟：方法步驟：確定通帶頻率、增益、衰減（滾降）速度等參數(shù)。確定通帶頻率、增益、衰減（滾降）速度等參數(shù)。確定滿足所需特性的傳遞函數(shù)，從經(jīng)典濾波器中選擇，確定滿足所需特性的傳遞函數(shù)，從經(jīng)典濾

34、波器中選擇，如巴特沃思、切比雪夫等。如巴特沃思、切比雪夫等。通過(guò)電路設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)通過(guò)電路設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)70例：二階例：二階RC有源低通濾波器設(shè)計(jì)有源低通濾波器設(shè)計(jì) 0200( )1AAjj0121212221101212001(1)1fR R C CR CR CR CAR R C CRAR5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 221101122122111CRCRACRCRCRCRQ71二階二階RC有源低通濾波器的品質(zhì)因數(shù)有源低通濾波器的品質(zhì)因數(shù) 5.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 221101122122111CRCRACRCRCRCRQ品質(zhì)因數(shù)越高，高頻衰減也越快，但系統(tǒng)的

35、極點(diǎn)越靠品質(zhì)因數(shù)越高，高頻衰減也越快，但系統(tǒng)的極點(diǎn)越靠近虛軸，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。近虛軸，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。 為分析方便，不妨設(shè)增益為為分析方便，不妨設(shè)增益為1，n2=R1/R2，則：，則：1211CCnnQ725.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 為了得到較高的品質(zhì)因數(shù)，為了得到較高的品質(zhì)因數(shù)，n=1 即即R1 = R2 ，C2C1 1221CCQ2214CQC 212121011CCRCCRRRQC0221RQC012735.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程：選擇合適的電阻值選擇合適的電阻值計(jì)算兩個(gè)電容值計(jì)算兩個(gè)電容值若若C1 的值太大，重新選一個(gè)大一些的電阻的值太大，重新選一

36、個(gè)大一些的電阻若若C2的值太小，重新選一個(gè)小一些的電阻的值太小，重新選一個(gè)小一些的電阻若若C2的值太小，的值太小，C1 的值又太大，則濾波器到了性能極的值又太大，則濾波器到了性能極限限選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)元件值，重新計(jì)算，給出全部參數(shù)。選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)元件值，重新計(jì)算，給出全部參數(shù)。 745.5濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 注意注意： 很多情況下，要做的工作是選擇濾波器，而不是設(shè)計(jì)很多情況下，要做的工作是選擇濾波器，而不是設(shè)計(jì)濾波器。濾波器。 如：如：MAX280（單片集成（單片集成5階巴特沃斯低通濾波器）階巴特沃斯低通濾波器） MAX263/264 （單片集成通用有源濾波器）（單片集成通用有源濾波器）755.6.1 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換n雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換5.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 特點(diǎn)特點(diǎn)：精確