第5章信號調理電路

1、2022-4-121信號調理電路信號調理電路Signal Conditioning Circuit2022-4-122(電橋電橋(信號的放大電路信號的放大電路(信號的轉換電路信號的轉換電路(濾波電路濾波電路(調制與解調調制與解調5.1 電電 橋橋測量電橋有以下幾個特點：(1)能把電阻、電容、電感等電抗參數的變化，變換成電壓或電流的變化，便于信號的放大和處理。(2)能測量出微弱的阻抗變化量。(3)可以通過采用對稱差動式傳感器結構組成差動半橋或全橋來實現(xiàn)非線性誤差的補償，并提高電橋輸出的靈敏度。2022-4-1235.1.1 電橋的分類電橋的分類 1.按電橋的工作狀態(tài)分類按電橋的工作狀態(tài)分類按電橋

2、的工作狀態(tài)分類，可分為平衡電橋和不平衡電橋。2.按電橋的激勵電源分類按電橋的激勵電源分類按電橋的激勵電源分類，電橋分為直流電橋和交流電橋。而直流電橋又分為恒壓源電橋和恒流源電橋。 3.按電橋的工作橋臂的個數分類按電橋的工作橋臂的個數分類按電橋的工作橋臂的個數來分，電橋可分為單臂電橋、半橋（雙臂）和全橋。 2022-4-1245.1.2 直流電橋直流電橋1.電橋的調零電路電橋的調零電路 2022-4-1255.1.2 直流電橋直流電橋2.不平衡直流電橋不平衡直流電橋設電橋工作時，四個橋臂的電阻值分別變化了R1、R2、R3和R5，則 )()()(2211443333224411RRRRRRRRRR

3、RRRRRREUo）（忽略二階增量并考慮電橋的初始平衡有)(44332211432141RRRRRRRRRRRRRREUo（2022-4-126故由R1 R5 =R2R3有434212RRRRRR)(4433221122121RRRRRRRRRRRREUo（不平衡直流電橋的輸出靈敏度與以下幾個因素有關：與電橋的供電電源電壓E成正比與橋臂電阻的阻值比有關與電橋的工作臂的個數有關 5.1.2 直流電橋直流電橋2022-4-127不平衡直流電橋的應用實例電子秤5.1.2 直流電橋直流電橋2022-4-1283. 平衡直流電橋平衡直流電橋特點： 響應速度慢，只適用于緩慢變化信號的檢測。 測量精度高，其

4、精度取決于電位器的精度。 輸出與供橋電源電壓無關，可避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而帶來的干擾。 5.1.2 直流電橋直流電橋2022-4-1295.1.3 交流電橋交流電橋交流電橋平衡條件： 即： 幅值平衡 相角平衡 平衡條件平衡條件 144233)1()1(RCjRRCjR1423RRRR即4132CRCR平衡條件平衡條件 144233)()(RLjRRLjR即1423RRRR1423RLRL2022-4-1210交流電橋的誤差分析 電橋中元件之間互感影響；無感電阻的殘余電抗；鄰近交流電路對電橋的感應作用；電容的泄漏電阻及元件之間、元件與地之間的分布電容等 5.1.3 交流電橋交流電橋2022-

5、4-12115.2 信號的放大電路信號的放大電路放大電路應具有如下性能 :穩(wěn)定而足夠的放大倍數；高輸入阻抗以與傳感器的輸出阻抗匹配；高共模抑制比以抑制共模干擾；低輸入失調電壓和電流、低溫漂和低噪聲 5.2.1典型放大電路典型放大電路1.直流放大電路直流放大電路反相放大電路反相放大電路 12RRuuAiou 提高R2的值可提高放大倍數，一般為幾十千歐至幾百千歐 平衡電阻R3=R1/R2 輸入電阻Ri= R1，輸出電阻趨于0。 特點是性能穩(wěn)定，抗高頻干擾能力強，提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾 2022-4-12121.直流放大電路直流放大電路同相放大電路同相放大電路 特點是抑制共模干擾能力差、

6、輸入阻抗高、輸出阻抗低，抗高頻干擾能力強，廣泛用于前置放大級。 差動放大電路差動放大電路 2022-4-12135.2.1 典型放大電路典型放大電路2.交流放大電路交流放大電路引入深度電壓并聯(lián)負反饋后，放大電路的增益為： 12RRAu321RRuuAiou2022-4-12143.電壓跟隨器電壓跟隨器 特點：輸入阻抗高，輸出阻抗低 作用：緩沖、隔離和提高帶載能力。在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作 5.2.1 典型放大電路典型放大電路2022-4-12155.2.2 電荷放大電路電荷放大電路輸出電壓與輸入電荷成比例關系，也稱為電荷/電壓轉換電路 則當忽略傳感器的

7、泄漏電阻Ra和集成運算放大器的輸入電阻Ri，并且不考慮虛線部分電路時，有 而 則2022-4-12165.2.3 儀表放大電路儀表放大電路集成儀表放大器集成儀表放大器AD620是專門精密差分電壓的放大器，它源于運算放大器，且優(yōu)于運算放大器。具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移、增益設置靈活和使用方便等特點 212121RRRuuRuugoogii)(2134ooouuRRu)(1 (212134iigouuRRRRRugRkG4 .4912022-4-12175.2.3 儀表放大電路儀表放大電路集成儀表放大器集成儀表放大器AD620AD620特點是體積小、功耗低、噪聲低

8、和輸入偏置電流低，通過外接電阻可以實現(xiàn)增益的調節(jié)，工作電源范圍為(2.318)V，為雙對稱電源供電，一般常用12V。AD620可作為電橋和熱電偶的放大電路，增益要根據實際情況進行選擇，不同類型的熱電偶的增益選擇不同。 2022-4-12185.2.5 程控增益放大電路程控增益放大電路是通過數字邏輯電路或計算機編程來改變增益的方法，也稱為可編程增益放大電路，簡稱PGA 結構形式多種多樣，分為單運放、多運放、儀表放大器和單片集成程控增益放大電路 多路模擬開關多路模擬開關A2A1A0為地址選擇端，COM為公共端，GND為接地端，當A2A1A0 000時，開關S0閉合，通道I0與公共端COM接通，其他

9、開關斷開；當 A2A1A0 001時，開關S1閉合，通道I1與公共端COM接通，其他開關斷開；，依此類推。當禁止端EN=0時，通道I0I7均不通。 2022-4-12195.2.5 程控增益放大電路程控增益放大電路1.單運放程控增益放大電路單運放程控增益放大電路 )821(12，iRRAiu2.儀表放大器程控增儀表放大器程控增益放大電路益放大電路2022-4-12203.集成程控增益放大電路集成程控增益放大電路LH0085當引腳6與10相連、13引腳接地時 19112RRAu當7與10相連、 12接地時4913112RRRAu當8與10相連、 11接地時1091513112RRRRAu2022

10、-4-12215.2.5 放大電路應用實例放大電路應用實例2.光敏信號放大電路光敏信號放大電路 1.高精度壓力放大電路高精度壓力放大電路 2022-4-12225.2.5 放大電路應用實例放大電路應用實例3.霍爾傳感器放大電路霍爾傳感器放大電路 2022-4-12235.3 信號的轉換電路信號的轉換電路是將電壓、電流、電阻和頻率等各類信號進行相互轉換的電路 5.3.1 阻抗與電壓的轉換阻抗與電壓的轉換2.電容電容/電壓轉換電路電壓轉換電路運算放大電路法運算放大電路法REFREFoxRVVR|1.電阻電阻/電壓轉換電路電壓轉換電路ifxixfoUCCuCjCjU112022-4-12242.電容

11、電容/電壓轉換電路電壓轉換電路諧振電路法諧振電路法5.3.1 阻抗與電壓的轉換阻抗與電壓的轉換2022-4-12255.3.2電壓和電流的相互轉換電壓和電流的相互轉換 1.電壓電壓/電流轉換電路電流轉換電路 2022-4-1226集成電壓集成電壓/電流轉換芯片電流轉換芯片AD695引腳名 稱功 能1FB緩沖放大器輸出引腳，輸入信號一般不直接加在該引腳上2-SIG緩沖放大器的負引腳輸入3+SIG緩沖放大器的正引腳輸入52V FS輸入量程選擇引腳。接地： 02V；懸空：010V5COM公共端65mA ADJ5mA偏置電流微調端。該引腳上電壓不允許超過1V710V (FORCE)10V參考電壓輸出端

12、。采用10V 參考電壓時，要求電源電壓大于12.5V82V (SENSE)2V 參考電壓輸出端。腳7與腳8短接時，得到2V 參考電壓。采用2V 參考電壓時，要求電源電壓+5.5V+36V95mA(ON/OFF)5mA偏置電流選通端。接地，輸出520mA；接3V電壓，輸出020mA10ALARM輸出開路或越限(腳11電壓高于Vs-2V)報警端。報警時，引腳被拉低，最大灌入電流20mA12Iout電流輸出端。使用外接NPN晶體管輸出時，接晶體管基極。13Vs電源電壓，+5.5V+36V15BW ADJ帶寬調節(jié)端。在腳13、15 之間接適當電容與內部900電阻構成低通濾波15Vos ADJ輸入緩沖放

13、大器偏置調節(jié)端。16Vos ADJ同上 工作電壓是+5V+36V，輸入電壓范圍為0V2V，或0V10V；輸出電流范圍為020mA或520mA。 2022-4-1227集成電壓集成電壓/電流轉換芯片電流轉換芯片AD695輸入量程選擇引腳5懸空，表示輸入電壓范圍為010V，5mA偏置電流選擇引腳9接地，表示輸出電流范圍520mA 2022-4-12285.3.2 電壓和電流的相互轉換電壓和電流的相互轉換 2.電流電流/電壓轉換電路電壓轉換電路 iRRiuo1iRRRVRRuPo31212)1 ()1 (2022-4-1229集成電流集成電流/電壓轉換芯片電壓轉換芯片MAX572 A、B、C三點的電

14、位相等，因此有isenseRsense=iOUT RG1，得： senseGOUTsenseOUTOUToiRRRRiu12022-4-12305.3.3 電壓和頻率的轉換電壓和頻率的轉換 1.電壓電壓/頻率轉換電路頻率轉換電路 電壓頻率轉換電路能把輸入電壓轉換成頻率信號輸出，輸出頻率與輸入電壓信號成比例，也稱為電壓控制振蕩器（壓控振蕩器，VCO） (1)積分復原型積分復原型 ZaURRRURRRU7667671ZaURRRURRRU76676722111UUTCRuiT2 T1，所以T= T1+ T2T1，輸出脈沖的頻率fo iouUUCRTf)(112112022-4-1231K閉合t0期

15、間放掉的電荷量Q1為 (2)電荷平衡型電荷平衡型 )(01iItQsK斷開t1期間，ui對電容充電電荷量Q2= t1i，而Q1=Q2，有： 001) 1()(tiIiiIttss輸出脈沖uo的頻率fo為： 1001011RtIutIittTfsiso2022-4-1232(3)集成電壓集成電壓/頻率轉換芯片頻率轉換芯片LM331 輸出脈沖uo的頻率fo為： LttisoRCRuRTf09. 212022-4-12332.頻率頻率/電壓轉換電路電壓轉換電路 輸出電壓uo和輸入頻率fi的關系為： sittLoRfCRRu09. 22022-4-12345.5 濾波電路濾波電路 濾波電路（也稱濾波器

16、）就是一種選頻裝置，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大的衰減其他頻率成分。 濾波電路的功能是：濾除測試系統(tǒng)中由于各種原因引入的噪聲和干擾；濾除信號調制過程中的載波等無用信號；用于分離各種不同的頻率信號，提取感興趣的頻率成分；對系統(tǒng)的頻率特性進行補償。 5.5.1濾波器的分類濾波器的分類 1.按處理信號的形式分按處理信號的形式分 分為模擬濾波器和數字濾波器兩類 2.按采用的元件分按采用的元件分 分為無源濾波器和有源濾波器兩類 3.按信號選通的頻率范圍分按信號選通的頻率范圍分 分低通、高通、帶通和帶阻濾波器 2022-4-12355.5 濾波電路濾波電路 低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器

17、2022-4-12365.5.2 濾波器的基本參數濾波器的基本參數 1.增益增益A0 指通帶內的幅頻特性的幅值2.通帶截止頻率通帶截止頻率fp fp=p/2為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。3.阻帶截止頻率阻帶截止頻率fr fr=r/2為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數)下降到一人為規(guī)定的下限。5.轉折頻率轉折頻率fc fc=c/2為信號增益下降了3dB時的頻率，常作為截止頻率。5.帶寬帶寬B 兩截止頻率之間的頻率范圍。即低通和高通濾波器B=fc，帶通和帶阻濾波器B= fc2 - fc1。6.品質因數品質因數Q 對于帶通和帶阻濾波器來說，Q

18、=f0/B。越大，則濾波器的選擇性越好。7.倍頻程選擇性倍頻程選擇性 指在fc2與2 fc2之間，或在fc1與fc1/2之間，幅頻特性的衰減值，用dB表示。它反映了濾波器對通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。 2022-4-12375.5.3 模擬濾波器模擬濾波器 1.無源濾波器無源濾波器(1)無源無源RC低通濾波器低通濾波器 1111)()()(sRCssUsUsHio1)2(1| )(|)(2ffHfAfarctgf2)(時間常數=RC。將s=j2f代入得 2022-4-12381.無源濾波器無源濾波器(2)無源無源RC高通濾波器高通濾波器 時間常數=RC。將s=j2f代入得 11)()()(

19、ssRCsRCssUsUsHio1)2(2| )(|)(2fffHfAfarctgf290)(5.5.3 模擬濾波器模擬濾波器 2022-4-12395.5.3 模擬濾波器模擬濾波器 1.無源濾波器無源濾波器(3)無源無源RC帶通濾波器帶通濾波器 111)()()(21121ssssHsHsH2022-4-12405.5.3 模擬濾波器模擬濾波器 2.有源濾波器有源濾波器(1)有源低通濾波器有源低通濾波器 1+1)+1 (= 1+1)+1 (=)()(=)(1212s RRRCsRRsUsUsHio1111)()()(11sRRRCsRRsUsUsHio2022-4-1241二階有源低通濾波器

20、二階有源低通濾波器 1+1+1=)1+1(1+1=)(2122211sKssCRRRsCRsHf可改寫為 2222)(nnnssKsH2RRKf其中 22112111CRCRn)(2)(2221121CRCRnn二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器 2222)(nnssKssH其中 )1 (34RRK22111CRCRn22112111222)1 (CRCRCRCRCRK2022-4-1242二階有源帶通濾波器二階有源帶通濾波器 其中 頻率特性為 222)(nnssKssH1211CRRRRKf2143242CCRRRRRn)111(21141231312CRRRCRCRCRfn222)()(

21、nnjjKjjH幅頻特性為 2222)()2()(nnKA將=n代入得通帶增益為 nKA20得品質因數為： 2022-4-12435.5.5 濾波器的應用濾波器的應用 帶通濾波器用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取；低通濾波器用于濾出信號中的高頻干擾和噪聲；高通濾波器用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的陷波器 2022-4-12445.5 調制與解調調制與解調 調制就是用一個信號（稱為調制信號）去控制另一個作為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數按前者變化。從已經調制的信號中恢復出調制信號的過程稱為解調 。以高頻正弦信號作為載波信號時，可以對幅

22、值、頻率和相位這三個參數進行調制，分別稱為幅值調制(AM)，即調幅；頻率調制(FM)，即調頻；相位調制(PM)，即調相 5.5.1幅值調制與解調幅值調制與解調 1.幅值調制幅值調制 幅值調制（調幅）就是用被測低頻緩變信號與高頻信號相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化，輸出的已調制波的過程。常用的方法是線性調幅，將被測信號x(t)和載波信號y(t)=sin0(t)通過乘法器后，輸出xm(t)= x(t) y(t)= x(t) sin0(t)即為調幅波 2022-4-12451.幅值調制幅值調制 )(21)(212sinsin)(0000ffffjtftty)(*)(21)(*)(212sin)()(000fffXfffXjtftxtxm)(21)(21)(00ffXffXjtxm調幅的過程相等于頻譜“搬移”的過程 2022-4-12462.幅值調制的解調幅值調制的解調 (1)包絡檢波法包絡檢波法 2022-4-12472.幅值調制的解調幅值調制的解調 (2)同步解